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Expansión de la arquitectura de procesador más popular del mundo
Por R.M. Ramanathan
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| Introducción: El acceso optimizado a la memoria incrementa la eficacia y la velocidad |
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Intel posee una vasta trayectoria de innovación que se caracteriza por incorporar nuevas capacidades en la arquitectura informática y hacer posible que la industria proporcione aplicaciones avanzadas con un nivel superior de desempeño y funcionalidad. Desde el chip Intel® 8086 original hasta la reciente incorporación de las extensiones Supplemental Streaming SIMD 3 (SSSE3) que se encuentran en los procesadores Intel®Core™2 Duo, Intel ha impulsado la expansión de las capacidades de la arquitectura informática más popular y más utilizada: la arquitectura Intel®. Como parte de su trayectoria de innovación, esta última expansión de la arquitectura Intel representa el conjunto de instrucciones de mayor impacto desde las SSE2 y constituye el próximo avance importante de Intel en su dinámica trayectoria orientada a proporcionar productos con desempeño, funcionalidad y consumo eficaz de energía superiores en los próximos años.
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| Las innovaciones del conjunto de instrucciones incrementan el desempeño y reducen el consumo de energía de la arquitectura Intel®. |
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Estas instrucciones, que se basan en la ya dinámica arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) Intel® 64, permitirán que nuestros microprocesadores en todos los segmentos del mercado a escala proporcionen un desempeño superior con un menor consumo de energía a una amplia gama de aplicaciones de 32 bits y 64 bits. Estas nuevas instrucciones son:
- Extensiones Streaming SIMD 4 (SSE4) que brindarán los módulos para proporcionar capacidades ampliadas, un desempeño superior y un consumo más eficaz de energía en la mayoría de las aplicaciones.
- Aceleradores de aplicaciones específicas que ofrecerán una nueva base para proporcionar capacidades de función fija de baja latencia y menor consumo de energía en determinadas aplicaciones.
Estas instrucciones son otro hito de la nueva cadencia de Intel para el desarrollo continuo de los procesos de silicio y la arquitectura de procesadores de la próxima generación. En consecuencia, se beneficiarán las aplicaciones de gráficos, codificación y procesamiento de video, imágenes tridimensionales o videojuegos, así como servidores Web y servidores de aplicaciones, entre otros. Entre las aplicaciones de alto desempeño que se beneficiarán cabe mencionar las de minería de datos, las bases de datos, los algoritmos complejos de búsqueda y correspondencia de patrones, los algoritmos de compresión de audio, video, imágenes y datos, los algoritmos de análisis y de estado basados en máquina, y muchas otras.
En este artículo se repasan sucintamente los conceptos básicos de ISA y a continuación se ofrece una descripción general de estas nuevas instrucciones. En la sección Más información encontrará los enlaces de las páginas Web que ofrecen información más detallada.
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Impulso de la revolución del conjunto de instrucciones Intel utiliza la arquitectura ISA para proporcionar capacidades superiores de la microarquitectura y mantener la compatibilidad necesaria con las aplicaciones en las distintas generaciones de procesadores. Los nuevos procesadores Intel Core 2 Duo son un buen ejemplo de cómo se mantiene la compatibilidad del conjunto de instrucciones. Al igual que los procesadores Intel® Pentium® D de la generación anterior, los procesadores Intel Core 2 Duo implementan versiones casi idénticas de la arquitectura ISA y ofrecen compatibilidad con las aplicaciones aunque su diseño interno sea diferente. Prácticamente todas las aplicaciones desarrolladas para los procesadores Intel Pentium D se ejecutarán en los procesadores Intel Core 2 Duo sin sufrir modificaciones. Más aún, prácticamente todas estas aplicaciones se benefician gracias al desempeño superior y al menor consumo de energía de estos procesadores.
Así como la tecnología de procesos y la microarquitectura de Intel evolucionan constantemente al ritmo de nuestra nueva cadencia, también evolucionan los conjuntos de instrucciones de Intel. En cada nueva evolución:
- Intel optimizará las instrucciones existentes para que puedan sacar el máximo provecho de las mejoras más recientes de la microarquitectura y ofrecer a las aplicaciones en uso un mayor desempeño con menor consumo de energía sin necesidad de modificarlas.
- Asimismo, Intel presentará nuevos conjuntos de instrucciones que tendrán por objeto optimizar el desempeño y reducir las necesidades de energía de una amplia gama de aplicaciones nuevas y existentes. Para aprovechar estas nuevas instrucciones, será necesario recompilar las aplicaciones existentes con un compilador actualizado de Intel o de otras marcas. (Consulte www.intel.com/software
 para obtener mayor información.)
Como puede apreciarse, en cada caso, el software existente seguirá funcionando correctamente a medida que los conjuntos de instrucciones evolucionen y se incorporen otros nuevos. Por otra parte, cabe destacar que las nuevas aplicaciones que incorporen estas instrucciones y las existentes que se recompilen para aprovechar las instrucciones exhibirán increíbles mejoras del desempeño.
El liderazgo de Intel en la arquitectura ISA se proyecta a un amplio ecosistema de sistemas operativos como Microsoft Windows* y Vista*, UNIX*, Linux* y ahora los sistemas operativos Macintosh*. Nuestro compromiso continuo con la ampliación de la arquitectura ISA en la industria se traduce en:
- Ofrecer uniformidad arquitectónica en todos los sistemas operativos mediante una compatibilidad ampliada con el ecosistema de la industria.
- Proporcionar un método unificado de las extensiones de 32 bits y 64 bits para brindar un nivel superior de innovación.
- Escuchar a los desarrolladores de software y fabricantes de software independientes (ISV) a la hora de desarrollar nuevas instrucciones para ayudarlos a obtener resultados satisfactorios con mayor facilidad mediante la arquitectura Intel ISA.
- Garantizar que las aplicaciones existentes funcionen correctamente y ofrezcan un desempeño superior.
- Garantizar que las aplicaciones que utilicen las nuevas instrucciones funcionen correctamente con un mayor desempeño y un menor consumo de energía.
- Trasladar el liderazgo de ISA a otros fabricantes de arquitecturas para evitar la fragmentación de la arquitectura Intel ISA y utilizarla como estándar, con lo cual se simplifica la tarea de la comunidad de ISV.
Una vasta trayectoria en ISA Los desarrolladores saben que al aumentar la cantidad de instrucciones procesadas de manera simultánea, pueden reducir la cantidad de tiempo que una aplicación pasa en el código, por lo que se necesitan muchos ciclos para procesar los datos. Desde hace tiempo, Intel promueve la adopción de estas prácticas de código para ayudar a aumentar la capacidad de procesamiento general de los procesadores.
Hace tiempo, Intel comenzó un programa anticipatorio para mejorar el desempeño de las aplicaciones en los procesadores Intel mediante el desarrollo de conjuntos especiales de instrucciones. Entre los primeros ejemplos cabe mencionar las extensiones del conjunto de instrucciones de coma flotante (FP) definidas en el chip 8086. Entre los ejemplos más recientes cabe citar Single Instruction, Multiple Data (SIMD) y la tecnología Intel® MMX™. Intel utilizó la técnica SIMD para lograr un mayor nivel de paralelismo en la microarquitectura P5 mediante instrucciones especiales que se ejecutaban en diversos datos simultáneamente. Al utilizar el conjunto de instrucciones de la tecnología Intel MMX, los programadores podían ejecutar las instrucciones en varios elementos de datos cargados en los registros de tecnología MMX y aumentar así el desempeño de las aplicaciones de medios como gráficos, videojuegos, flujo de video, etc.
En la microarquitectura P6, Intel introdujo las extensiones Streaming SIMD (SSE). Las extensiones SSE, diseñadas para los procesadores Intel® Pentium® III, ampliaron la tecnología MMX y posibilitaron la ejecución simultánea de cálculos SIMD en cuatro paquetes de elementos de datos FP de precisión única mediante los registros de 128 bits (denominados XMM0-XMM7). Con la microarquitectura Intel NetBurst® (procesadores Intel® Pentium® 4), Intel introdujo SSE2 para ampliar las extensiones SSE (y MMX). SSE2 permitió ejecutar más cálculos en paralelo al ampliar las instrucciones de la tecnología MMX y SSE, y al posibilitar la compatibilidad de los tipos entero de 128 bits y los paquetes de datos FP de doble precisión. En síntesis, SSE2 incorporó 144 instrucciones que aumentaron el desempeño en una amplia gama de aplicaciones.
Por ejemplo, las instrucciones SSE2 ofrecieron a los desarrolladores de software máxima flexibilidad para implementar algoritmos y mejorar el desempeño del programas de video MPEG-2, MP3 y gráficos tridimensionales, entre otros.
Al lanzarse al mercado los procesadores Pentium 4 basados en procesos de 90nm, también se presentaron las instrucciones SSE3. SSE3 incluye 13 instrucciones SIMD adicionales respecto de SSE2, las que están fundamentalmente concebidas para mejorar la sincronización de subprocesos y las funciones matemáticas x87-FP.
Hoy en día, el conjunto SSSE3 - otro adelanto - se ofrece en la microarquitectura Intel Core. SSSE3 se incluye en los procesadores Intel® Xeon® 5100 (para servidores y estaciones de trabajo) y los procesadores Intel Core 2 Duo (para equipos portátiles y de desktop), e incorpora 32 códigos de operación nuevos, como alinear y multiplicar-sumar, a fin de ofrecer un desempeño aún mayor.
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| En esta edición |
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Artículo principal
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| La microarquitectura y la arquitectura de conjunto de instrucciones |
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Para apreciar con mayor claridad la importancia de estas nuevas instrucciones, es conveniente comprender las distintas arquitecturas que se utilizan para desarrollar los modernos microprocesadores de hoy en día y sus funciones.
ISA forma parte de la arquitectura informática general relacionada con la programación y abarca los tipos de datos propios, las instrucciones, los registros, los modos de dirección, la arquitectura de la memoria, el manejo de interrupciones y excepciones y la E/S externa. ISA incluye una especificación de los códigos de operación (comandos de máquina) que se implementan en un determinado diseño de microprocesador. Con el paso del tiempo, dentro de una familia de procesadores, se suele mejorar la arquitectura ISA mediante nuevas instrucciones a fin de optimizar el desempeño y el consumo de energía, y a su vez mantener la compatibilidad con las aplicaciones que ya existen. Por microarquitectura se entiende el diseño, la disposición y la implementación de ISA en el silicio e incluye el diseño general del bloque, los núcleos, las unidades de ejecución y sus tipos (por ejemplo, coma flotante, entero, predicción de ramificaciones, SIMD), canalización, diseño de la memoria caché y compatibilidad con periféricos. Con el tiempo, dentro de una familia de procesadores, se suele mejorar la microarquitectura a fin de optimizar el desempeño, el consumo de energía y las funciones, y a su vez mantener su compatibilidad con ISA. |
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Conjuntos de instrucciones de la arquitectura Intel® (IA)
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Intel cuenta con tres arquitecturas ISA diferentes, optimizadas para distintos segmentos del mercado y distintas aplicaciones. De esta manera podemos ofrecer soluciones líderes completas en diversas configuraciones de 64 bits y 32 bits.
La arquitectura IA-64 está diseñada para las aplicaciones informáticas y los servidores de más alto nivel, y se utiliza en la familia de procesadores Intel® Itanium®. Intel® 64 se ha concebido para clientes o servidores que ejecutan aplicaciones de uso general que se benefician gracias a la informática de 64 bits. Es la arquitectura ISA que se utiliza en: - Procesadores Intel® Xeon®
- Procesadores Intel® Core™2 Duo
La arquitectura IA-32 está diseñada para clientes que sólo ejecutan aplicaciones de uso general de 32 bits. Es la arquitectura ISA que se utiliza en:
- Procesadores Intel® Celeron® e Intel® Pentium® con formato FC-PGA2 de configuración de pines
- Procesadores de voltaje ultrabajo
- Procesadores Intel® Core™ Duo
Cabe destacar que Intel® 64 es una arquitectura ISA de 64 bits que constituye un superconjunto de ISA IA-32 y es compatible con ella. Esta nueva arquitectura ISA permite a los procesadores ejecutar el software de 64 bits escrito hace poco y acceder a mayores cantidades de memoria que el software de 32 bits.
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| Descripción general de SSE4 para la arquitectura Intel® |
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| | El conjunto de instrucciones SSE4 es la ampliación de ISA de mayor envergadura de Intel en términos de alcance e impacto desde SSE2. SSE4 cuenta con varias primitivas de vectorización de compilador para ofrecer un desempeño de medios superior y más eficaz, así como también nuevas e innovadoras instrucciones de procesamiento de cadenas. A partir de los procesadores equipados con la microarquitectura Intel® de 45nm (nombre de código Penryn) que se prevé que se producirán en 2007,1 estas nuevas instrucciones comenzarán a aparecer en la mayoría de los segmentos del mercado a escala como los de equipos móviles, equipos de desktop y servidores.2
Intel ha trabajado en estrecha colaboración con los socios del sector, como fabricantes de software independientes y proveedores de sistemas operativos, a fin de desarrollar el conjunto de instrucciones SSE4 como el nuevo estándar. Hemos traducido una amplia gama de necesidades de los fabricantes de software independientes en los mejores conjuntos de instrucciones para optimizar las capacidades únicas, el desempeño y las ventajas del consumo eficaz de energía de la microarquitectura Intel para el software. SSE4 ofrecerá diversas instrucciones nuevas e innovadoras en dos categorías principales:
- Compilador de vectorización de SSE4 y aceleradores de medios
- Procesamiento de texto y cadenas de aceleración eficaz con SSE4
Si desea obtener información más detallada sobre estas innovadoras instrucciones, visite el sitio Web de Intel y lea el documento técnico titulado “Expansión de la arquitectura de procesador más popular del mundo” (PDF 173KB)
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Como las extensiones ISA de mayor envergadura e impacto desde SSE2, SSE4 y los aceleradores de aplicaciones específicas constituyen un hito importante en la dinámica trayectoria de Intel orientada a proporcionar productos con un desempeño superior, un menor consumo de energía y funciones ampliadas en los próximos años. El liderazgo de Intel y su permanente labor en el desarrollo de extensiones de conjuntos de instrucciones para la arquitectura Intel le permiten mejorar continuamente el desempeño, el consumo de energía y las funciones de una amplia gama de programas de computación. Mediante SSE4 y los aceleradores de aplicaciones específicas, seguimos trabajando con la comunidades de fabricantes independientes de software para ofrecer extensiones de conjuntos de instrucciones que permitan que sus productos ofrezcan a sus clientes auténticas ventajas (de todo tipo, desde un desempeño superior hasta importantes reducciones de costos).
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| Aprovechar la base de la microarquitectura Intel® Core™ |
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La adopción del procesamiento multi-core ofrece la posibilidad de introducir innovaciones en la microarquitectura y las instrucciones que pueden mejorar aún más el desempeño y el consumo de energía. Un ejemplo microarquitectónico es la solución Intel® Advanced Digital Media Boost en la microarquitectura Intel® Core. Este adelanto aumenta de manera considerable el desempeño al ejecutar instrucciones SSE. Además, acelera una amplia gama de aplicaciones, tales como aplicaciones de video, voz e imagen, procesamiento de fotografías, cifrado, aplicaciones financieras, técnicas y científicas. Intel Advanced Digital Media Boost permite ejecutar por completo la mayoría de las instrucciones de 128 bits a una velocidad de procesamiento de un ciclo por reloj, con lo cual se duplica la velocidad de ejecución por reloj de estas instrucciones en comparación con la de las generaciones anteriores. Este adelanto ilustra cómo la microarquitectura y los conjuntos de instrucciones funcionan juntos y se complementan entre sí a fin de ofrecer las ventajas al software.
El éxito de Intel en el diseño y la implementación de extensiones ISA como SSE3 y SSSE3 que incrementan el desempeño y reducen el consumo de energía es sólo el comienzo. Estas nuevas extensiones amplían las capacidades de la arquitectura Intel® gracias a varias innovaciones que aumentan el desempeño y reducen el consumo de energía de una amplia gama de aplicaciones.
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Estos empleados de Intel también realizaron importantes aportes a este artículo y al documento relacionado: Ron Curry, Srinivas Chennupaty, Robert L. Cross, Shihjong Kuo, Mark J. Buxton
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1 Intel aún no ha anunciado las fechas de lanzamiento de los productos de 45nm.
2 La mayoría de estas instrucciones estarán incorporadas en Penryn y algunas de las instrucciones se ofrecerán en los microprocesadores que, según lo previsto, se lanzarán al mercado después de Penryn.
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Toda la información relacionada con los productos y planes futuros de Intel es preliminar y está sujeta a cambios en cualquier momento y sin previo aviso.
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