알파로2164번길

코드명 EV5로도 알려진 알파 21164는 디지털 장비 주식회사가 알파 명령 집합 아키텍처(ISA)를 구현하여 개발하고 제작한 마이크로프로세서다.1995년 1월 디지털의 대표 마이크로프로세서로 알파 21064A에 이어 도입되었다.1998년 알파 21264에 의해 계승되었다.

역사

1994년 2월 알파 21164의 첫 실리콘이 생산되었고, 그 위에서 OpenVMS, 디지털 유닉스, 윈도 NT 운영체제가 성공적으로 부팅되었다.1994년 말 시료 채취하였으며, 1995년 1월 266MHz로 도입되었다.300 MHz 버전은 1995년 3월에 도입되었다.333 MHz 버전인 최종 알파 21164는 1995년 10월 2일에 발표되었으며 샘플 수량으로 이용할 수 있다.알파 21164는 1996년 400MHz 버전을 대량으로 사용할 수 있게 되면서 디지털의 대표 마이크로프로세서로 알파 21164A로 대체되었다.

사용자

디지털은 알파서버 서버인 알파스테이션 워크스테이션에서 다양한 클럭 주파수로 작동하는 알파 21164를 사용했다.디지털은 알파 VME 5/352와 알파 VME 5/480 단일 보드 컴퓨터와 알파PC 164 및 알파PC 164LX 마더보드에서도 알파 21164를 사용했다.알파 파트너 크레이 리서치는 그들의 T3E-600 슈퍼 컴퓨터에 300 MHz 알파 21164를 사용했다.데스크스테이션과 같은 제3자도 알파 21164를 사용하여 워크스테이션을 만들었다.

퍼포먼스

21164는 275MHz 알파 21064A부터 1995년 11월 인텔 펜티엄 프로가 등장할 때까지 성능우위를 이어갔으며, 이때 200MHz 버전이 SPECint95_base 벤치마크 스위트 300MHz 21164를 능가했다.21164는 부동소수 성능 선두를 유지했다.이듬해 도입된 333MHz 21164는 펜티엄 프로를 능가했지만 이후 MIPS 테크놀로지스 R10000에 이어 같은 해 휴렛패커드 PA-8000에 의해 추월됐다.^[1]

설명

알파 21164는 4개의 이슈로 구성된 슈퍼칼라 마이크로프로세서로, 4개의 실행 단위(정수 2개와 부동 소수점 2개)에 대해 클럭 사이클당 최대 4개의 명령을 발행할 수 있다.정수 파이프라인은 7단계, 부동 소수점 파이프라인은 10단계다.21164는 43비트 가상 주소와 40비트 물리적 주소를 구현했다.따라서 8TB의 가상 메모리와 1TB의 물리적 메모리를 처리할 수 있었다.

정수단위

정수 단위는 두 개의 정수 파이프라인과 정수 레지스터 파일로 구성되었다.두 개의 파이프라인, 추가 파이프라인과 다중 파이프라인은 동일하지 않지만, 각각 다른 지시를 실행할 책임이 있다. 비록 두 파이프라인 모두 공통 추가, 논리적, 로드, 비교 및 조건부 이동 명령을 실행할 수 있다.곱하기 파이프라인은 지시사항을 이동, 저장 및 곱하기 전용으로 실행한다(비 파이프라인 곱하기).추가 파이프라인은 분기 지시를 독점적으로 실행한다.

분기, 조건부 이동 및 다중 지시사항을 제외하고, 다른 모든 지시사항은 하나의 주기 지연에 대해 5단계 동안 실행을 시작하고 완료한다.분기 및 조건부 이동 지침은 6단계 중에 실행되므로 결과가 의존하는 비교 지침과 함께 발행될 수 있다.

정수 레지스터 파일에는 40개의 64비트 레지스터가 포함되었으며, 이 중 32개는 알파 아키텍처에 의해 지정되고 8개는 PALCODE에서 스크래치패드 메모리로 사용하기 위한 것이다.레지스터 파일에는 4개의 읽기 포트와 2개의 쓰기 포트가 두 개의 정수 파이프라인 사이에 고르게 분할되어 있다.^[2]

부동 소수점 단위

부동 소수점 단위는 부동 소수점 파이프라인 2개와 부동 소수점 레지스터 파일로 구성되었다.두 파이프라인은 동일하지 않으며, 한 파이프라인은 곱셈을 제외한 모든 부동 소수점 명령을 실행했으며, 다른 파이프라인은 곱셈 명령만 실행했다.두 파이프라인 모두 4단계가 있다.비파이프라인 부동 소수점 분할기가 추가 파이프라인에 연결된다.분할을 제외한 모든 부동 소수점 지시에는 4주기 지연 시간이 있다.분할은 단일 또는 이중 정밀 부동 소수점 번호와 숫자에 따라 작업이 수행되는지 여부에 따라 가변 지연 시간을 가진다.오버헤드를 포함하면, 단일 정밀 분할은 15 - 31 사이클의 지연 시간을 갖는 반면, 이중 정밀 분할은 22 - 60 사이클의 지연 시간을 가진다.

캐시

21164는 캐시 레벨이 3가지로 되어 있는데, 온 다이 2개, 외부 및 옵션 1개가 있다.캐시와 관련 논리는 720만 개의 트랜지스터로 구성되었다.^[3]

기본 캐시는 지침과 데이터를 위해 별도의 캐시로 분할되며, 각각 I-캐시 및 D-캐시라고 한다.그것들은 크기가 8KB이고, 직접 맵이 있으며 캐시 라인 크기가 32바이트다.D-cache는 이중 포트로 되어 있고, 성능을 향상시키고, 캐시를 두 번 복제하여 구현한다.그것은 쓰기-쓰루 쓰기 정책과 읽기-읽기 할당 정책을 사용한다.

S캐쉬로 알려진 2차 캐시는 현재 가동 중이며 96KB의 용량을 가지고 있다.21164는 충분한 지침과 데이터를 제공하기 위해 외부 보조 캐시가 제공할 수 있는 것보다 더 많은 대역폭을 요구했기 때문에 2차 캐시가 필요했다.^[4]캐시는 면적이 넓기 때문에 접근하는데 두 사이클이 필요했다.성능을 향상시키기 위해 캐시를 파이프라인으로 연결한다.다이 2차 캐시의 또 다른 이점은 멀티웨이 캐시로 쉽게 구현될 수 있고, 그 결과 캐시는 3방향 세트 연관성이 있어 직접 매핑된 캐시에 비해 향상된 적중률을 제공한다는 것이었다.^[5]S-cache는 필요한 물리적 면적이 크기 때문에 I-box, E-box, F-box 및 M-box 측면의 두 부분으로 구현되었다.이것은 캐시가 두 사이클 만에 데이터를 반환할 수 있도록 했다.

B-cache로 알려진 3차 캐시는 외부 SRAM으로 구현된다. B-cache는 선택사항이었고 알파 21164를 사용하는 일부 시스템은 없었다.B-캐시의 용량은 1 ~ 64MB가 될 수 있으며, 작은 용량은 S-캐시에 의해 무용지물이 되어 지원되지 않았다.^[6]그것은 직접 매핑되고, 쓰기-백 쓰기 정책 및 쓰기-쓰기 할당 정책을 사용한다.B-캐시는 외부 캐시 컨트롤러가 필요했던 21064와는 달리 온 다이 외부 인터페이스 로직에 의해 제어된다.B-cache는 비동기식 또는 동기식 SRAM으로 구축될 수 있다. B-cache는 시스템 버스를 통해 액세스된다.

외부 인터페이스

외부 인터페이스는 128비트 시스템 버스다.시스템 버스는 내부 클록 주파수보다 3~15배 낮은 클록 주파수 또는 내부 클록 주파수 300MHz의 20~100MHz에서 작동한다.시스템 버스의 클럭 신호는 마이크로프로세서에 의해 생성된다.

시계

내부 클럭 주파수는 외부 클럭 신호를 2로 나누어 생성된다.따라서 알파 21164는 300MHz 알파 21164에 대해 600MHz의 외부 클럭 신호가 필요하다.

제작

알파 21164에는 공정의 최대 한계에 가까운 16.5x18.1mm(299mm²) 크기의 다이 위에 930만 개의 트랜지스터가 들어 있다.다이(die)는 디지털의 제5세대 보완금속-산화물-반도체(CMOS) 공정인 CMOS-5에서 제작됐으며, 4단계 알루미늄 상호연결로 0.50μm 공정이다.^[7]21164는 3.3볼트(V) 전원 공급 장치를 사용했다.266 MHz에서 46 W, 300 MHz에서 51 W, 333 MHz에서 56 W를 소멸시켰다.

패키지

알파 21164는 가로 57.40mm, 세로 57.40mm 크기의 499핀 세라믹 중간 핀 그리드 어레이(IPGA)로 포장되어 있다.그 소포에는 열제거원이 볼트로 고정된 스터드 두 개가 있는 열 확산기가 있었다.

파생상품

알파 21164(EV56)

알파 21164는 코드명 EV56이라는 추가 개발의 기초였다.알파 21164로 도입되었으나, 원래 알파 21164A로 알려져 있었다.366, 433, 500, 533, 566, 600, 666 MHz의 클럭 주파수에서 작동했다.^[8][9][10]

역사

그것은 1995년 10월 마이크로프로세서 포럼에서 처음 설명되었다.1995년 11월 13일, 디지털은 샘플이 이달 말에 발송될 것이라고 발표했다.366 MHz에서 작동하는 첫 번째 버전은 1996년에 도입되었다.1996년 7월 8일, 디지탈은 433 MHz 버전이 출시되었고 500 MHz 버전이 1996년 9월에 출시될 볼륨 수량으로 샘플링 중이라고 발표했다.433MHz 버전의 가격은 개당 1,000달러였다.600 MHz 버전은 1997년 3월 31일에 도입되어 대량으로 선적되었다.삼성전자는 1996년 6월 디지털과 계약해 알파 21164A를 2차 공급했으며 666MHz 모델을 유일하게 제작했다.366~500MHz 샘플은 1996년 11월 11일에 도입되었으며 1997년에는 볼륨이 제공되었다.알파 21164A는 매사추세츠주 디지털의 허드슨과 삼성의 기흥에서 제작되었다.

알파 21164A의 사용자는 크레용 리서치, 디지털, 네트워크 어플라이언스(현 NetApp), 데스크스테이션 등이 있었다.크레이 리서치는 T3E 슈퍼컴퓨터의 후속 모델에 450, 600, 675 MHz 알파 21164A를 사용하였다.Digital은 AlphaServers, AlphaStation, Alimis XL 워크스테이션 및 Digital Personal 워크스테이션에서 다양한 클럭 주파수로 작동하는 Alpha 21164A를 사용했다.NetApp은 스토리지 시스템에 400, 500 및 600MHz Alpha 21164A를 사용하였다.데스크스테이션은 Raptor Reflection 워크스테이션에 알파 21164A를 사용했다.

설명

가장 주목할 만한 변화는 바이트와 워드 액세스를 향상시키기 위해 고안된 알파 아키텍처의 확장인 BWX(Byte Word Extensions, BWX)의 포함이었다.이 지침들은 곱셈 파이프라인에 의해 실행된다.알파 21164A는 다이 면적이 209mm인² 14.4mm x 14.5mm 크기의 다이 위에 966만 개의 트랜지스터를 포함했다.^[11]디지털은 6세대 CMOS 공정인 CMOS-6에서 다이(Die)를 조작했는데, 이 공정은 4개의 상호연결 층이 있는 0.35μm 공정이다.삼성은 1996년 초 개발한 0.3μm 공정을 기반으로 4겹의 인터커넥트로 0.35μm 공정에서 다이(die)를 조작했다.알파 21164A는 3.3V의 전원 공급 장치를 사용하여 366MHz에서 31.0W, 433MHz에서 36.0W, 500MHz에서 41.0W, 533MHz에서 43.5W, 600MHz에서 48.5W의 전력을 소비했다.

알파 21164PC(PCA56)

PCA56으로도 알려진 알파 21164PC는 1997년 3월 17일 도입된 알파 21164A의 저가 버전이다.마이크로프로세서는 디지털과 미쓰비시전기가 공동으로 개발했으며, 양사는 디자인을 조작했다.이후 미쓰비시는 1998년 초 디지털과의 미래 알파 마이크로프로세서 공동 개발 계약을 중단했고 알파 21164의 제작을 중단했다.1998년 중반에 PC는 회사 시장의 경제 상황 때문에 알파 시장을 떠났다.^[12][13]

알파 21164PC는 400, 466, 533 MHz의 클럭 주파수에서 작동했다.주요 변경사항은 대형 I-캐시인 S-cache의 누락과 MPEG 인코딩 성능 향상을 위한 단일 명령 다중 데이터(SIMD) 지침을 도입한 알파 아키텍처의 확장인 MVI(Motion Video Instructions)의 포함이다.트랜지스터 카운트를 줄이기 위해 S-cache를 제거했는데, 이 때문에 다이 크기가 감소하고 결국 비용이 절감되었다.알파 21164는 S-cache의 부족을 보완하기 위해 S-cache에 의존하여 적절한 성능을 얻을 수 있는 충분한 대역폭을 제공하기 위해 S-cache에 의존했기 때문에, I-cache의 용량은 8KB에서 16KB로 두 배가 되었다.B-캐시의 양은 512KB에서 4MB로 제한되었고, 1MB와 2MB 용량도 지원되었다.마이크로프로세서는 43비트 가상 주소와 33비트 물리적 주소를 사용한다.

알파 21164PC에는 다이 면적 141mm에서² 가로 8.65mm, 세로 16.28mm의 다이 하나에 350만 개의 트랜지스터가 들어 있었다.디지털은 알파 21164, CMOS-5와 같은 과정에서 주사위를 조작했다.알파 21164PC는 가로 49.78mm 세로 49.78mm의 413핀 IPGA로 포장되었다.400MHz에서는 26.5W, 466MHz에서는 30.5W, 533MHz에서는 35.0W의 전력 공급기를 사용하였다.

알파 21164PC는 알파PC 164SX 마더보드에 디지털이 사용하였다.

알파 21164PC(PCA57)

PCA56의 파생 모델인 PCA57은 삼성전자가 0.28μm CMOS 공정에서 설계 및 제작했다.PCA57은 1998년 말에 도입되어 533, 600, 666 MHz의 클럭 주파수로 운용되었다.PCA56 마이크로아키텍처 개선에는 각각 32KB와 16KB의 I-캐시 용량과 D-캐시 용량이 두 배로 증가했다.PCA57은 다이 면적이 101 mm인² 6.7 mm x 15 mm 크기의 다이 위에 570만 개의 트랜지스터를 포함하고 있었다.2.5V 전원 공급기로 작동하여 533MHz에서는 18W, 600MHz에서는 20W, 666MHz에서는 23W의 소모를 보였다.

PCA57은 디지털이 알파PC 164RX 마더보드에서 사용하였다.

칩셋

디지털과 VLSI Technology는 21164와 그 파생상품을 위한 칩셋을 개발했다.디지털은 알파서버 8200, 8400과 같은 알파서버 제품군의 고급 모델에 사용하기 위한 맞춤형 애플리케이션별 집적회로(ASIC)도 개발했다.

21171

Alcor라고도 알려진 21171은 21164의 첫 번째 칩셋으로, 1995년 1월에 그것이 지원하는 마이크로프로세서와 함께 도입되었다.디지털에 의해 개발되고 조작되었다.21171은 21164가 사용하는 새로운 시스템 버스 프로토콜을 지원하도록 수정된 업그레이드된 DECchip 21071이다.메모리와 PCI 컨트롤러를 내장한 제어칩과 256비트 메모리 버스와 PCI 버스를 시스템 버스로 연결한 데이터 슬라이스 칩 4개로 구성됐다.21171은 33MHz에서 실행되는 64비트 와이드 PCI 버스를 제공한다.

21172

알코르2라고도 알려진 21172는 21164A를 지원하는 업데이트된 21171이었다.

팍시스

21174로도 알려진 Pixis 칩셋은 21164A와 21164를 지원했다.PC 마이크로프로세서.기존 칩셋과 달리 저비용 시스템용으로 설계됐다.그 결과 여러 개의 패키지가 아닌 474 접점 세라믹 볼 그리드 어레이(CBGA)로 패키징된 싱글칩 디자인이었다.^[14]이후 엔트리 레벨 워크스테이션(Digital Personal Workstation a-Series)과 같은 비용에 민감한 애플리케이션과 AlphaPC 164LX 및 164SX와 같은 마더보드에서 사용되었다.그것이 소개되었을 때, 21174는 1,000달러의 수량으로 미화 142달러였다.^[15]

21174에는 메모리 컨트롤러와 PCI 컨트롤러가 포함되어 있다.메모리 컨트롤러는 최대 512MB의 동기식 DRAM(Synchronic Random Access Memory)을 지원했으며 128비트 메모리 버스를 통해 액세스한다.메모리는 ECC 또는 패리티 보호가 가능하다.PCI 컨트롤러는 PCI 또는 PCI-X 버스를 제공했다.

폴라리스

폴라리스(Polaris)는 VLSI Technology가 개발한 개인용 컴퓨터용 시스템 컨트롤러로 21164A와 21164를 지원한다.PC 마이크로프로세서.폴라리스는 1997년 6월 16일에 발표되었다.^[16]최대 768MB의 에도 D램이나 512MB의 SDRAM을 지원한다.메모리는 128비트 버스를 통해 액세스된다.I/O용 32비트 33MHz PCI 버스를 제공한다.

폴라리스 사용자들은 알파PC 164RX 마더보드에 디지털을 포함시켰다.

메모들

참조

• Bouchard, Gregg. "Design objectives of the 0.35 μm Alpha 21164 Microprocessor". IEEE Hot Chips Symposium, August 1996, IEEE Computer Society.
• Bowhill, William J. et al. (1995). "Circuit Implementation of a 300-MHz 64-bit Second-generation CMOS Alpha CPU". Digital Technical Journal, Volume 7, Number 1, pp. 100–118.
• Edmondson, John H. et al. (1995). "Internal Organization of the Alpha 21164, a 300-MHz 64-bit Quad-issue CMOS RISC Microprocessor". Digital Technical Journal, Volume 7, Number 1, 1995. pp. 119–135.
• 에드먼슨, 존 H. 외 연구진(1995)"2164 알파 마이크로프로세서에서 Superscalar 명령 실행".IEEE 마이크로 페이지 33-43.
• Foremski, Tom (10 February 1998). "Mitsubishi steps back from Alpha". Electronics Weekly.
• Foremski, Tom (10 July 1998). "Mitsubishi Electric stops Alpha microprocessor manufacture". Electronics Weekly.
• Gwennap, Linley (12 September 1994). "Digital Leads the Pack with 21164". Microprocessor Report, Volume 8, Number 12.
• Gwennap, Linley (8 July 1996). "Digital's 21164 Reaches 500 MHz". Microprocessor Report, Volume 10, Number 9.
• Gwennap, Linley (31 March 1997). "Digital's 21164PC Aimed at PC Market". Microprocessor Report, Volume 11, Number 4.
• 라이언, 밥(1994년 10월)"알파 라이츠 하이".바이트.
• 삼성 반도체 주식회사(1996년 11월 11일)."삼성, 500MHz 알파 21164 마이크로프로세서 소개; 디지털/삼성 라이선스 협약에 따른 첫 번째 제품 1997년 2분기까지 양산을 시작"보도자료
• Schumann, Reinhard C. (1997). "Design of the 21174 memory controller for Digital Personal Workstations". Digital Technical Journal 9 (2): 57–70.
• VLSI Technology (16 June 1997). "Polaris, VLSI's New Alpha System Controller, Breaks the Gigabyte/Second Memory Transfer Barrier. End-Users Gain Full Performance on Alpha Systems". Press release.
• CCL Forums (25 March 1998). "DEC Alpha 566 vs. 600 MHz"

추가 읽기

• 배넌, P, 사이토, Y. (1997년)."알파 21164"PC 마이크로프로세서".'97년, 페이지 20-27'의 진행.
• 반다르카르, 딜레프 P. (1995년).알파 아키텍처 및 구현.디지털 프레스.
• Carlson, D. 외 연구진(1998)"6.0 ns 64 b 정수 승수를 포함하는 667 MHz RISC 마이크로프로세서"ISSCC 다이제스트 of Technical Paper, 페이지 294–295.
• 미국 캘리포니아 주 칼슨; 카스텔리노, 뮬러 주, R.O. (1997년 11월)"550-MHz RISC 마이크로프로세서를 위한 멀티미디어 확장".IEEE 저널 솔리드 스테이트 회로 32 (11): 페이지 1618–1624.
• 자인, A.K. 외 연구진(1997)"멀티미디어 확장 기능이 있는 1.38cm² 550MHz 마이크로프로세서".ISSCC 기술지 요약, 페이지 174–175, 451.
• 그로노프스키, 폴 E. 외 (1998년 5월)"고성능 마이크로프로세서 설계".IEEE 저널 솔리드 스테이트 회로 33(5): 페이지 676–686.
• 고바야시, S. 외 연구진(1997)"PC 애플리케이션을 대상으로 하는 550MHz 알파 마이크로프로세서"1997년 VLSI 기술, 시스템 및 응용에 관한 국제 심포지엄의 진행, 페이지 203–207.

외부 링크

• 알파 AXP 21164 마이크로아키텍처 개요, 존 에드먼슨 강연