Основные направления развитие архитектуры вычислительных машин

Суперскалярная архитектура, рассмотренная ранее, является одним из основных направлений в создании вычислительных машин. 

Суперспекулятивная архитектура

Эта архитектура подразумевает предсказание как ветвлений, так и данных. Это означает, что предсказываются адреса ячеек памяти и хранящиеся в них величины. Один из способов достичь этого - пошаговое предсказание: обнаружив постоянное приращение в величинах данных и адресах памяти (шаги), можно "догадаться" о будущих величинах, используемых в вычислениях (такое может происходить в циклах или матрицах).

Основное преимущество таких архитектур в том, что они не требуют изменений в компиляторах и программный код должен выполняться быстрее. Они должны выполнять по 10 инструкций за один машинный такт. С другой стороны, архитектура процессора в этом случае более сложная, процессор не делится на блоки, может вызвать проблемы с задержкой сигналов.

Трассирующая архитектура

В обычных архитектурах инструкция представляет собой исполняемую единицу. В трассирующих процессорах исполняемая единица - "трасса" - последовательность инструкций. Каждый маршрут передается своему суперскалярному процессорному элементу, запоминающему суперскалярному микропроцессор и имеющему собственный набор локальных и глобальных регистров, что обеспечивает как внутримаршрутный, так и межмаршрутный параллелизм.

Применение трассирующих процессоров способствует решению проблемы задержек сигналов в межсоединениях, однако требует соответствующего кэша, что увеличивает его архитектурную сложность. Более того, это никак не решает проблему увеличения скорости обращения к памяти.

IRAM

Буква ' I ' здесь означает «intelligent». Возможно, это один из наиболее радикальных шагов в области архитектуры, направленный на ускорение доступа к памяти и снижения энергопотребления. Согласно IRAM большая часть RAM перемещается непосредственно на чип, исключая необходимость в КЭШе. Низкое энергопотребление означает, что данная архитектура больше всего подходит для мобильных компьютеров. Однако тот факт, что максимальное количество памяти, которое можно перенести на чип, составляет всего 96 Мбайт, лишает эту архитектуру надежд на широкое использование.

Многопотоковый процессор

Данные процессоры по архитектуре напоминают трассирующие: весь чип делится на процессорные элементы, напоминающие суперскалярный микропроцессор. В отличие от трассирующего процессора, здесь каждый элемент обрабатывает инструкции различных потоков в течение одного такта, чем достигается параллелизм на уровне потоков. Разумеется, каждый поток имеет свой программный счетчик и набор регистров.

Обычно в потоковых компьютерах последовательность операторов в программе задает порядок вычислений, значения результата вычисления зависят только от этого порядка. В системе с управлением потоков операндов вычисления упорядочиваются по готовности самих операндов.

Многоядерная архитектура

Эта архитектура подразумевает интегрирование нескольких простых микропроцессорных ядер на одном чипе. Каждое ядро выполняет свой поток инструкций. Каждое микропроцессорное ядро значительно проще, чем ядро многопотокового процессора, что упрощает проектирование и тестирование чипа. Но между тем усугубляется проблема доступа к памяти, необходима замена компиляторов.

Плиточная» архитектура

Сторонники данного типа архитектуры считают, что программное обеспечение должно компилироваться прямо в «железе», так как это даст максимальный параллелизм. Такой подход требует достаточно сложных компиляторов, которые пока еще не созданы.

Процессор в данном случае состоит из множества «плиток» (tiles), каждая из которых имеет собственное ОЗУ и связана с другими «плитками» в своеобразную решетку, узлы которой можно включать и отключать. Очередность выполнения инструкций задается программным обеспечением.

Многоэтажная архитектура

Речь идет не о логической, а о физической структуре. Идея состоит в том, что чипы должны содержать вертикальные «штабеля» микроцепей, изготовленных по технологии тонкопленочных транзисторов, заимствованной из производства TFT-дисплеев. При этом относительно длинные горизонтальные межсоединения превращаются в короткие вертикальные, что снижает задержку сигнала и увеличивает производительность процессора. Идея «трехмерных» чипов уже реализована в виде работающих образцов восьмиэтажных микросхем памяти. Вполне возможно, что она приемлема и для микропроцессоров, и в недалеком будущем все микрочипы будут наращиваться не только горизонтально, но и вертикально.