x86 based pc что это
Где же все дешёвые одноплатные x86-компьютеры?
Если подумать о ретрокомпьютерах, то, скорее всего, на ум придёт что-то классическое, из 8-битных времён, или какая-нибудь игровая консоль. К разряду ретрокомпьютеров, что может показаться до крайности удивительным, относятся и рядовые PC эры DOS и Pentium. Дело в том, что в наши дни эти компьютеры занимают заметное место в жизни тех, кто хочет играть в игры для DOS и Windows 95, которым не подходят более современные операционные системы. А тот, кто хочет поиграть в такие игры, но при этом стремится обойтись без потрёпанного бежевого системника формата Mini-Tower и огромного ЭЛТ-монитора, может раздобыть и новую подходящую машину. Речь идёт о гораздо более компактных индустриальных компьютерах форм-фактора PC/104, основанных на процессорах, очень похожих на Pentium.
Почему в мире дешёвых микрочипов нет Intel?
Недавно я, благодаря публикации про современные компьютеры для старых игр, ненадолго погрузилась в тему плат стандарта PC/104. Поначалу меня прямо-таки восхитило то, что до сих пор производятся процессоры, аналогичные i486 и Pentium, и то, что на их основе делают однокристальные системы. Но меня, в то же время, удивило то, насколько дорогими могут быть платы с такими процессорами.
Платы Intel Galileo и Edison не смогли серьёзно повлиять на мировой рынок встраиваемых систем
Давайте ненадолго представим себе, что последние три десятилетия пошли по альтернативной временной линии. Это — наш вариант истории, поэтому сериал «Светлячок» никогда не закрывали. Но куда важнее тут то, что эволюция микропроцессоров пошла другим путём, так как компании ARM, совместного предприятия Acorn Computers и Apple Computer, в ней не существовало. Процессоры ARM в этой ветке истории представляли собой интересное узкоспециализированное решение, которое использовалось лишь в компьютерах серии Acorn Archimedes и больше нигде. Как выглядела бы параллельная вселенная конца 1990-х годов без ARM?
Представьте себе, что цепь событий, которая началась благодаря этой плате, никогда бы не случилась
В мире, где господствовал процессор Pentium, скорее всего, огромное количество компаний стремилось бы создать альтернативные чипы. Тогда нам были бы известны такие компании, как Intel, AMD и Cyrix. Возможно, мы знали бы о Transmeta, как о компании, где когда-то работал Линус Торвальдс. Но не было бы ничего удивительного в том, если бы мимо нас прошли бы x86-разработки компаний вроде Rise Technologies, NexGen, IDT или National Semiconductor.
Это было время, когда RISC-ядра выглядели как новый хит, поэтому некоторые из разработок этих компаний представляли собой весьма эффективные гибридные RISC/CISC-ядра, являющиеся основоположниками архитектур, которые можно обнаружить в современных настольных x86-чипах. Известно, что на рубеже 1990-2000 годов большинство этих компаний исчезли после корпоративных поглощений, поэтому сейчас выбор настольных процессоров ограничен изделиями AMD и Intel. А что если архитектура ARM не заполнила бы нишу мощных, энергоэффективных и недорогих процессорных ядер? Увидел бы мир эти процессоры, тоже не снискавшие успеха?
Весьма вероятно, что в нашем варианте истории существовали бы альтернативные x86-разработки. Возможно, в вашем Raspberry Pi стоял бы чип, выпущенный не Broadcom, а VIA или IDT. Тогда на вопросы в духе «Запустится ли на нём Windows?», которые часто задают на Raspberry Pi-форумах, был бы дан окончательный ответ. И, кроме того, на Raspberry Pi с x86-процессором можно было бы без проблем поставить практически любой Linux-дистрибутив, предназначенный для обычных компьютеров. Но, учитывая то, что история пошла не так, как мы себе придумали, предлагаю вернуться в реальный мир. Что именно компания ARM сделала правильно? Что мешает появлению чего-то вроде Raspberry Pi на x86-процессоре?
Ключ к успеху — продажа интеллектуальной собственности
Самое главное, что надо знать о компании ARM — это то, что она не является компанией, производящей полупроводниковые изделия. Это — так называемая IP-компания, бизнес-модель которой основана на продаже интеллектуальной собственности. Нельзя купить микрочипы, которые производит ARM. Вместо этого можно приобрести микроконтроллеры с ARM-ядрами, которые производит множество других компаний. А вот в мире x86, в отличие от мира ARM, нет игрока, готового свободно торговать лицензиями на производство своих процессорных ядер. В результате в среде x86-решений нет такого же разнообразия, как в среде решений, основанных на ARM. Рынок x86-процессоров выглядит не так, как рынок ARM-систем. Когда количество производителей однокристальных X86-систем составляет лишь малую долю от числа производителей ARM-систем, нет условий для конкурентной борьбы, в результате которой и появляются одноплатные компьютеры за десять долларов.
Под этой системой охлаждения микросхем скрывается одноплатный компьютер, основанный на x86-чипе
Далее — можно вспомнить об энергии, потребляемой микросхемами. Есть легенда о том, что самый первый чип ARM, полученный Acorn, мог работать, получая энергию от логических линий, пользуясь так называемым паразитным питанием, в то время как его обычное питание было отключено. Неизвестно, правда это или нет, но и в наши дни ARM-процессоры отличаются гораздо более скромными требованиями к питанию, чем даже их самые энергоэффективные x86-конкуренты. Те x86-чипы, которые достигли сравнимых с ARM уровней энергопотребления, немногочисленны и встречаются крайне редко. В результате существующие компактные x86-платы часто нуждаются в нетипичных для ARM-плат системах охлаждения и выдвигают необычные для ARM-платформ требования к электропитанию.
Если сложить теперь две вышеописанных особенности x86-систем, то перед нами предстанет образ устройств, недорогих плат, которые вполне можно создать. Но на пути этой возможности стоят, во-первых — дорогие чипсеты и сопутствующие компоненты, а во-вторых — серьёзное энергопотребление x86-решений. Эти факторы делают x86-системы неважными соперниками в конкурентной борьбе с экономичными и недорогими ARM-платформами. Правда, одной из особенностей мира высоких технологий является тот факт, что он способен не обращать внимания на то, чего от него ждут. Поэтому можно задаться вопросом о том, способно ли что-то помочь появлению доступных компактных x86-систем. Возможно, если полагаться в этом деле только на AMD и Intel, ничто не подстегнёт появление таких систем. Но кто поручится за то, что баланс сил не изменят программные реализации x86-ядер?
Появятся ли доступные компактные x86-платформы? Только время способно дать ответ на этот вопрос.
Как вы думаете, как выглядел бы современный мир, если бы в нём не было ARM?
Тихая революция: внедрение x86-архитектуры вместо RISC-машин для процессинга банка
— Смета была 200 миллионов рублей, а стала 650 миллионов! Вы обалдели?
По слухам, именно так начался этот проект на совете директоров банка. Курсовая разница по одной из поставок серверов составляла 450 миллионов рублей. Естественно, хотелось как-то уменьшить эти затраты.
Долгое время считалось, что архитектура x86 «из коробки» не предназначена для серьёзных вычислений. Самые серьёзные в мире вычисления (по нагрузке и требованиям к надёжности) — это банковское ядро, процессинг. Там не закончить считать вовремя 2–3 операционных дня подряд означает просто закрытие банка (и проблемы с банковской системой страны) из-за возникающего разрыва, который догнать уже невозможно.
Один банк из ТОП-10 ещё пару лет назад планировал докупить себе машин P-серии, известных своей надёжностью, масштабируемостью и производительностью. Про x86 там даже не думали, пока не настал кризис. Но кризис настал. Одна машина за 5–7 миллионов долларов (а нужна даже не одна и не две) — это немного перебор. Поэтому руководство решило тщательно изучить вопрос замены RISC на x86.
Ниже — сравнение двух подобных конфигураций (они не совсем одинаковые): P-серия с RISC-процессорами с ядрами на 4 ГГЦ из расчёта одно RISC-ядро на два ядра x86 2.7 ГГЦ. Всё это мы смонтировали в машзале дата-центра банка, загнали туда реальную базу, показывающую несколько банковских дней за прошлый год (у них есть специально заготовленная среда для тестов, полностью симулирующая реальность и полноценную нагрузку от транзакций, банкоматов, запросов и т. п.), и выяснили, что x86 подходит и стоит в разы дешевле.
В правом углу ринга
RISC-машины хороши своей способностью делать вычисления быстро и надёжно. До появления кластеров, как описано ниже, других альтернатив в банковском ядре не было — не получалось масштабироваться. Кроме того, RISC-машины лишены традиционного недостатка x86 при высокой нагрузке — у них не падает производительность при долгой постоянной нагрузке выше 70–80%. Но, учитывая редкость решений, цена соответствует. Плюс банки всегда берут расширенный сервис на поставку частей, а это сравнимо со стоимостью самой машины на 3 года (30% от стоимости закупки за год). Ещё одна особенность — апгрейд методом выкидывания старой железки. Например, P-серия трёхлетней давности сейчас часто списывается просто в тестовые среды, потому что боевого применения в системах ядра ей нет — надо закупать новые машины постоянно. Естественно, производители всячески мотивируют на «апгрейд покупкой» — тем и живут. Частый способ — повысить стоимость расширенной поддержки для машин старше 3 лет.
Вот график поставки таких машин по миру:
А вот соотношение стоимости покупки к операционным затратам:
В левом углу ринга
У HPE нашлось подходящее архитектурное решение Superdome — классическая реализация архитектуры ccNUMA на базе системного коммутатора «процессорных шин» с возможностью свободного расширения при добавлении ядер. До этой архитектуры фактически x86-кластеры так или иначе быстро упирались в свои пределы увеличения мощности из-за больших издержек на перетаскивание данных между ядрами.
По масштабируемости — это х86 блейды, соединённые между собой:
ОС — RED HAT + Oracle. Стоимость — в разы ниже, чем для RISC-архитектуры, поскольку все детали крупносерийные и широко распространены по рынку. Плюс лицензии выходят дешевле. Стоит добавить, что цена сервиса тоже существенно привлекательнее, поскольку и архитектура куда менее «шаманистая».
BL920s Gen9 Server Blade Memory Subsystem
BL920s Gen9 Server Blade I/O Subsystem
Наша тестовая сборка: Integrity Superdome X, 8 x Intel Xeon E7-2890 v2, (15c / 2.8 GHz / 37.5 M / 155 W), ОЗУ
2048 GB (64 x 32 GB PC3-14900 DDR3 ECC registered Load Reduced DIMMs), Linux Red Hat 7.1, Oracle 11.2.0.4 с данными на Oracle ASM, порты 1 GbE: 4 x 1G SFP RJ45; 10GbE: 4 x 10G SFP+; 16 Gb FC: 8 x 16Gb SFP+. С ней СХД HDS VSP G1000, не менее 40K IOPS, для нагрузки, ориентированной на запись, 16 LUN по 2TB каждый, два порта по 8Gb.
Вот схема тестового стенда (часть названий замазана, это всё же банк):
Короткое резюме
x86-кластер явно может то же самое, что «тяжёлые» RISC-машины. С некоторыми особенностями, но может. Выигрыш — уменьшение итоговой стоимости владения на порядок. Ради этого стоит поковыряться и разобраться.
Да, чтобы переехать на x86, надо будет мигрировать с ОС AIX (это UNIX-подобная проприетарная операционная система) на Linux, скорее всего, в сборке RED HAT. И с одного Oracle на другой Oracle. Если для бизнеса вроде розницы это реальная сложность, то банковские коллеги восприняли всё прагматично и спокойно. И пояснили, что работа с ядром банка — это всё равно постоянная миграция с одних машин и систем на другие каждый год, и процесс не прекращается. Так что они ради той кучи денег, которую даст внедрение x86, готовы и не на такое. И с AIX на Linux они уже переходили, небольшой опыт есть. И некоторым их наследуемым подсистемам уже по 10 лет — в банке это настоящее окаменелое legacy, которое нужно поддерживать.
И поддерживают, не впервой.
Что касается нашей тестовой машины, то она пользуется дичайшим спросом. Из этого ТОП-10 банка она уже переехала в другой, где идёт похожая программа тестов. Следом — ещё один банк из десятки, а потом очередь из нескольких банков первой тридцатки. До ближайшей зимы вряд ли освободится, но ещё одна тестовая сборка есть у HPE, с ней вроде поспокойнее.
Физический факультет
x86 (Intel 80×86) — это общее название семейства микропроцессоров, как разработанных и выпускаемых компанией Intel, так и совместимых с ними процессоров других производителей (AMD, VIA, Transmeta, Winchip и т. д.).
Такое имя закрепилось за семейством этих микропроцессоров, так как названия ранних моделей процессоров Intel заканчивались на число 86 — 8086, 80186, 80286 (i286), 80386 (i386), 80486 (i486). Более поздние модели стали называть именами собственными, например — Пентиум (Pentium), чтобы иметь возможность зарегистрировать их как торговую марку (для усложнения жизни конкурентам). Другое название для архитектуры этого типа — IA (Intel Architecture) или же IA-32.
Оглавление документа
Основные особенности архитектуры
Реальный режим
Классический режим, использованный в ранних IBM PC. Позволяет адресовать 1 мегабайт памяти и не имеет встроенных средств для защиты памяти и переключения задач, что, впрочем, не мешает реализовать программную многозадачность.
Расширения
Дополнительный набор инструкций, выполняющих характерные для процессов кодирования/декодирования потоковых аудио/видео данных действия за одну машинную инструкцию. Впервые появился в процессорах Pentium MMX. Обеспечивает только целочисленные вычисления.
SSE (англ. Streaming SIMD Extensions, потоковое SIMD-расширение процессора) — это SIMD (англ. Single Instruction, Multiple Data, Одна инструкция — множество данных) набор инструкций, разработанный Intel, и впервые представленный в процессорах серии Pentium III. Поддерживает вычисления с плавающей точкой.
Улучшенное расширение SSE. Появилось в процессорах Pentium 4. Производит потоковые вычисления с вещественными числами двойной точности (2 числа в одном регистре SSE). Кроме того, добавлены инструкции аналогичные расширению MMX, работающие с регистрами SSE (16 байт, 8 слов, 4 двойных слова или 2 учетверенных слова в одном регистре).
Продолжение SSE и SSE2, появилось в процессорах Prescott
SSSE3
Дополнение к SSE3 для работы с упакованными целыми.
3DNow!
64-битный режим
К началу 2000-х годов стало очевидно, что 32-битное адресное пространство архитектуры x86 ограничивает производительность приложений, работающих с большими объёмами данных. 32-разрядное адресное пространство позволяет процессору осуществлять непосредственную адресацию лишь 4 Гб данных, этого может оказаться недостаточным для некоторых приложений, связанных, например, с обработкой видео или обслуживанием баз данных.
В литературе и названиях версий своих продуктов компании Microsoft и Sun используют объединенное именование AMD64/EM64T, когда речь заходит о 64-х разрядных версиях их операционных систем Windows и Solaris соответственно. В то же время, поставщики программ для операционных систем GNU/Linux, BSD и Mac OS X используют метки «x 86–64 » или «amd64», если необходимо подчеркнуть, что данное ПО использует 64-разрядные инструкции.
Процессоры
Процессоры x86 Intel
16-разрядный процессор i8086 был создан в июне 1978 года, сначала работал на частотах 4,77 МГц, а затем и на 8 и на 10 МГц. Изготавливался по 3 мкм технологии и имел 29000 транзисторов.
Чуть позже, в 1979 году был разработан i8088, который работал на тех же частотах, что и i8086, но использовал 8-разрядную шину данных (внутренняя шина процессора осталась 16-разрядной) для обеспечения большей совместимости с имевшейся в то время в ходу периферией. Благодаря более низкой цене, широко использовался в ранних системах IBM PC вместо 8086.
80186
В 1982 были выпущены 80186 и 80188, которые первоначально не получили широкого распространения из-за того, что IBM не стала использовать их в своих персональных компьютерах. Впрочем, некоторые производители «клонов» сделали это, выпустив ускоренные варианты IBM PC XT. В то же время, эти процессоры оказались чрезвычайно удачными для использования во встроенных системах, и в различных модификациях выпускаются до настоящего времени[источник?]. В эти процессоры были первоначально добавлено несколько новых команд, повышена тактовая частота. Впоследствии появились модификации, содержащие дополнительные аппаратные средства, такие, как интегрированные контроллеры последовательного порта.
80286
80386
Первый 32-разрядный процессор ( 16–33 МГц). Появился в 1985 году. Знаменовал собой революцию в мире процессоров x86. Основные принципы, заложенные в этом чипе, без кардинальных изменений дожили и до наших дней (за всё это время изменения касались, в основном, повышения производительности, расширения набора команд, увеличения разрядности).
Pentium
Pentium (1993 год) — первый суперскалярный процессор и суперконвейерный процессор Intel. Суперскалярность — термин, означающий, что процессор позволяет выполнять более одной операции за один такт. Суперконвейерность означает, что процессор имеет несколько вычислительных конвейеров. У Pentium их два, что позволяет ему при одинаковых частотах в идеале быть вдвое производительней 486, выполняя сразу 2 инструкции за такт. Кроме этого, особенностью процессора Pentium являлся полностью переработанный и очень мощный на то время блок FPU, производительность которого оставалась недостижимой для конкурентов вплоть до конца 90-х годов.
Pentium Pro
Pentium Pro (1995 год) – первый процессор шестого поколения. Идеи и технологии, заложенные в данный чип, определили архитектуры всех современных x86-процессоров: блоки предсказания ветвлений, переименование регистров, RISC-ядро, интегрированный кеш второго уровня. Однако технологическая сложность ядра данного процессора привела к сравнительно невысокому выходу годных чипов при технологиях того времени, что сказалось на высокой цене Pentium Pro. Поэтому данный процессор применялся только в High-End системах и серверах.
Pentium MMX
Pentuum MMX (январь 1997 года) – процессор пятого поколения, и по сути, просто модификация ядра Pentium. Был добавлен новый блок целочисленных матричных вычислений MMX (Multi-Media eXtensions) и увеличен до 32К объем кеша первого уровня.
Pentium II
Pentium II (май 1997 года) – модификация ядра Pentium Pro с целью сделать его более доступным. Интегрированный кеш был вынесен на отдельную микросхему с пониженной в два раза частотой. Это упростило и удешевило ядро, хотя и сделало его более медленным, чем Pentium Pro. Новая конструкция процессора потребовала размещение элементов на печатной плате, что, в свою очередь, привело к изменению конструктива процессора. Данные чипы выпускались в виде картриджей, устанавливающихся в специальный разъем на плате (Slot 1). Кроме этого, в ядро Pentuim II был добавлен блок MMX.
Celeron
Celeron — упрощённый вариант Pentium II/III/IV для построения недорогих компьютеров. Основные отличия этих процессоров в объёме кэша второго уровня и частоте шины.
Pentium III
Pentium III, изготовленный по 0,18 мкм технологическому процессу, отличается от P2 главным образом, добавлением SSE-инструкций.
Pentium 4
Принципиально новый процессор с гиперконвейеризацией (hyperpipelining) — с конвейером, состоящим из 20 ступеней. Согласно заявлениям Intel, процессоры, основанные на данной технологии, позволяют добиться увеличения частоты примерно на 40 процентов относительно семейства P6 при одинаковом технологическом процессе (при «правильной» загрузке процессора).
На практике же, первые модели работали даже медленнее, чем Pentium III.
Семейство процессоров, ориентированных на серверы и многопоточные вычисления.
Процессоры x86 AMD
Процессоры-аналоги i486. В то время, как Intel остановился на частоте 100 МГц у i486, AMD выпускала процессоры с частотами 120 МГц и 133 МГц. Также они отличались увеличенным объёмом кэша первого уровня (16 Кбайт).
Процессоры — аналоги Pentium. Несмотря на превосходство в целочисленных операциях над аналогами от Intel (в ядре данного процессора применялся ряд технологий шестого поколения), производительность блока вычислений с плавающей запятой раза в полтора уступала по производительности процессорам Pentium с аналогичной тактовой частотой. Кроме того, наблюдалась плохая совместимость с ПО некоторых производителей. Недостатки K5 были чрезвычайно преувеличены в различных сетевых и других неформальных обсуждениях и на долгое время способствовали (в целом — несправедливому) ухудшению репутации продукции AMD у пользователей.
Выпущен в апреле 1997 года. Принципиально новый процессор AMD, основанный на ядре, приобретенном у NextGen. Данный процессор имел конструктив пятого поколения, однако относился к шестому поколению и позиционировался как конкурент Pentuim II. Включал в себя блок MMX, и несколько переработанный блок FPU. Однако данные блоки все равно работали на 15–20 % медленнее, чем у аналогичных по частоте процессоров Intel. Процессор имел 64 Кбайт кэша первого уровня. В целом сравнимая с Pentum II производительность, совместимость со старыми материнскими платами и более ранний старт (AMD представила К6 на месяц раньше, чем Intel представила P-II) сделали его достаточно популярным, однако проблемы с производством у АМД значительно испортили репутацию данного процессора.
Дальнейшее развитие ядра К-6. В этих процессорах была добавлена поддержка специализированного набора команд 3DNow!. Реальная производительность, однако, оказалась существенно ниже, чем у аналогичных по частоте Pentium II (это было вызвано тем, что прирост производительности с ростом частоты у P-II был выше благодаря внутреннему кешу), и конкурировать К 6–2 смогли лишь с Celeron. Процессор имел 64 Кбайт кэша первого уровня.
K6-III
K6-III+
Аналог К6-III+ с урезанным до 128 Кб кэшем второго уровня.
Athlon
Очень успешный процессор, благодаря которому фирма AMD сумела восстановить почти утраченные позиции на рынке микропроцессоров. Кэш первого уровня — 128 Кб. Первоначально процессор выпускался в картридже, с размещением кэша второго уровня (512 Кб) на плате, и устанавливался в разъём Slot A, механически, но не электрически совместимый с интеловским Slot 1. Затем устанавливался в разъём Socket A и имел кэш второго уровня (256 Кб) в ядре. По быстродействию — примерный аналог Pentium III.
Duron
Конкурент Celeron поколений Pentium III/4. Отличается от Athlon’a объёмом кэша второго уровня (всего 64 Кб), зато интегрированным в кристалл и работавшем на частоте ядра. Производительность заметно выше, чем у аналогичного Celeron, и при выполнении многих задач соответствует Pentium III.
Athlon XP
Продолжение развития архитектуры Athlon. По быстродействию — аналог Pentium 4. По сравнению с обычным Athlon’ом, добавлена поддержка SSE инструкций.
Sempron
Более дешёвый (за счёт уменьшенного кэша второго уровня) вариант процессоров Athlon XP и Athlon 64. Первоначально процессоры Sempron представляли из себя перемаркированные чипы Athlon XP на ядре Thorton, имевшим 256 Kb кэша 2-го уровня. Поздние представляют собой урезанные версии Athlon 64 (socket 754, одноканальный режим работы с памятью).
Athlon 64
Первый процессор, поддерживающий архитектуру x86_64.
Athlon 64 X2
Продолжение архитектуры Athlon 64, имеет 2 вычислительных ядра.
Athlon FX
Имеет репутацию «самого быстрого процессора для игрушек». Является, по сути, серверным процессором Opteron 1xx на десктопных сокетах без поддержки Registered-memory. Выпускается малыми партиями. Стоит значительно дороже своих «массовых» собратьев.
Geode
Семейство процессоров, ориентированное на сектор встраиваемых решений, SOC.
Выпускала серию процессоров, часть из которых (ядро V20/V30) была программно совместима как с Intel x186, так и с Intel 8080. Переключение между режимами работы осуществлялось при помощи 3 дополнительных инструкций. Аппаратно они выглядели как сильно ускоренная версия 8088 или 8086.
Процессоры на основе ядра V33 не имели режима эмуляции 8080, зато поддерживали, при помощи двух дополнительных инструкций, расширенный режим адресации.
Процессоры МЦСТ
Компанией ЗАО «МЦСТ» выпущен первый процессор «Эльбрус» и вычислительный комплекс на его базе — «Эльбрус–3М1», позволяющий работать в режиме двоичной совместимости с семейством x86 процессоров.