Квант эффектісі құрылғылары: Микропроцессор дизайнының тарихы

Кіріспе

Микропроцессорларды жобалау компаниясы

Quantum Effect Devices, Inc. (QED) – 1991 жылы Quantum Effect Design деген атпен тіркелген микропроцессорларды жобалау компаниясы. Ол Калифорния штатының Пало-Альто қаласында орналасқан.

Тарих

Үш негізін қалаушы – Том Риордан, Эрл Киллиан және Рей Кунита – MIPS Computer Systems Inc. компаниясының жоғары деңгейдегі басқарушылары болды. Олар MIPS компаниясы микропроцессорлық чиптерді (MIPS Magnum) емес, толыққанды компьютерлік жүйелерді сатуда қиындықтарға тап болған кезде қызметтен кетті, ал MIPS-тің бастапқы мақсаты – микропроцессорлық чиптерді жасау болатын. Одан кейін көп ұзамай SGI MIPS компаниясын сатып алды. IDT алғашқы QED дизайнының маңызды қаржы демеушісі және тұтынушысы болды.

Бизнес

QED-тің бастапқы өнім жоспары ноутбук компьютері үшін MIPS микропроцессорын жасау болды. Бұл Microsoft компаниясының жаңа Windows NT операциялық жүйесі үшін бірнеше RISC архитектурасын қолдау жөніндегі ACE бастамасы кезінде болды. DeskStation Technology сияқты жүйелік компаниялар мен ShaBLAMM! Computer сияқты тақталық компаниялар RISC-ге негізделген жеке компьютерлер кең таралған болады деген үмітте өнімдер жасады. Бұл нарық ешқашан іске аспаса да, алғашқы өнім – R4600 "Orion" микропроцессоры, желілік маршрутизаторлар және аркада ойындары сияқты бірнеше кіріктірілген нарықтарда сәтті болды. Келесі жобалар Toshiba және IDT (R4700), IDT & NKK (R4650), SGI және NEC (R5000) сияқты компаниялар үшін жасалды. PowerPC 603q – Motorola үшін жасалған PowerPC микропроцессоры, Apple Computer-дің үй компьютерлері мен ойын автоматтарының дизайны үшін арналған. Бұл дизайнның ешқайсысы өндіріске шығарылмады, сондықтан PowerPC 603q толық өндіріске ешқашан жетпеді. Бірнеше жылдан кейін, өнімнен түсетін кірісті арттыруға тырысқан компания өзін MIPS микропроцессорларының өз желісін сататын өнім компаниясына айналдырды. Сол кезде компания атын Quantum Effect Devices деп өзгертті. RM5200 және RM7000 сияқты сәтті өнімдерді өз "RISCMark" таңбасымен ұсынғаннан кейін, компания 2000 жылдың 1 ақпанында IPO-ға шықты. Бастапқы акция бағасы 16 доллар болса, сауда-саттықтың алғашқы күнінде 56,50 долларға дейін өсті. Компания 2000 жылдың қазан айында PMC Sierra компаниясымен сатып алынды; сол кезде Quantum Effect Devices компаниясының құны бір бағалау бойынша 2,3 миллиард долларға бағаланды. Компания PMC-нің микропроцессорлық өнімдер бөліміне айналды. Сатып алу акциялық биржа арқылы жүзеге асырылды және құны 2,3 миллиард долларға бағаланды. Команда PMC-де жұмыс істеген кезде RM9x00 өнім желісін аяқтады, бірақ бұл өнім желісі нарықта сәтті болмады. QED-ден шыққан микропроцессорлық өзекті әзірлеу тобының көп бөлігі 2005 жылдың маусым айында PMC Sierra компаниясымен бірлесіп жұмыстан босатылды, ал соңғылары 2006 жылдың қаңтарында жұмыстан босатылды. Компанияның аты Том Риорданға тиесілі. Ол компанияның жартылай өткізгіш геометриясының өлшемдері соншалықты кішірейетініне сенді, кванттық эффектілер тізбек мінез-құлқына үстемдік ететін кезеңге дейін аман қалады.

The original product plan for QED was to build a MIPS microprocessor for a laptop computer. This was during the ACE initiative from Microsoft to support multiple RISC architectures for their new Windows NT operating system. System companies like DeskStation Technology and board companies like ShaBLAMM! Computer were building products in the hope that RISC based personal computers would become mainstream. While that market never materialized, the first product, the R4600 "Orion" microprocessor, proved to be successful in several embedded markets such as networking routers and arcade games. Subsequent projects were designed for companies such as Toshiba and IDT (R4700), IDT & NKK (R4650), SGI and NEC (R5000). The PowerPC 603q was a PowerPC microprocessor designed for Motorola, meant for Apple Computer's home PC and game machine designs. Neither of these designs were productized, so the PowerPC 603q never reached full production. Several years later, in an attempt to increase product revenue, the company transformed itself to a product company selling its own line of MIPS microprocessors. At that time, the company changed its name to Quantum Effect Devices. After successful products introductions like the RM5200 and the RM7000, under its own "RISCMark" label, the company had its IPO on 1 February 2000. The initial stock price of $16 jumped to $56.50 on the first day of trading. The company was acquired by PMC Sierra on October 2000; at the time, Quantum Effect Devices was valued in a stock swap worth $2.3 billion according to one estimate. The company became the Microprocessor Products Division of PMC. The acquisition was done by stock exchange and was valued at $2.3 billion. The team completed the RM9x00 product line while at PMC, but that product line was not successful in the marketplace. Most of the microprocessor core development team derived from QED was laid off as a group by PMC Sierra in June 2005; the last few were laid off in January 2006. The company name was attributed to Tom Riordan. He believed that the company would survive to the age when semiconductor geometry dimensions would become so small that quantum effects would dominate circuit behavior.

Құралдар

Бірінші QED микропроцессоры R4600 болды. QED негізін қалаушылар, бұрын R4000 жобасымен айналысқан, үлкен құрылғының тым күрделі екенін және қарапайым іске асырудың баға мен өнімділік арақатынасын жақсартатынын сезінді. Сондықтан R4600 – бұл 5 кезеңді классикалық RISC құбыржолының (сол кездегі) үлкен кэшпен қайта іске асырылуы. Бір кезде бұл кішкентай және төмен құнмен құрылғы нарықтағы ең жоғары өнімділікке ие микропроцессорлардың бірі болды. MIPS ноутбугының бастапқы нарығы іске аспаса да, бұл құрылғы бірнеше нарықта сәттілікке жетті. Бұл Cisco Systems желілік маршрутизаторында қолданылған алғашқы RISC процессоры болды. Ол Atari/Midway аркада ойындарында, атақты Mortal Kombat ойынында қолданылды. R4600 лицензиясын IDT және құрылғыны өндіріп, сатқан Toshiba компаниялары алды. R4700 SGI үшін жасалған, оларға жылжымалы нүктелік өнімділіктің сәл жоғарырақ деңгейі қажет болды. R4700 жылжымалы нүктемен көбейту нұсқауларын қайталау жылдамдығын жақсартты. Бұл құрылғы SGI Indy төменгі деңгейдегі жұмыс станциясында қолданылды. R4700 құрылғыларын өндірген және сатқан IDT және Toshiba компаниялары лицензия алды. R4650 NKK компаниясы тапсырыс берді, олар видеоконсоль ойын машинасы үшін арзан нұсқаны қалады. R4650 кэштерді екі есе қысқартқан және тек бір дәлдікті жылжымалы нүктемен іске асырған арқылы кішірек чип өлшеміне қол жеткізді. Бұл құрылғы QED құрылғысының алғашқысы болды, ол жинақтау-көбейту нұсқауларын іске асырды, бұл софтмодем сияқты бағдарламалық функцияларды іске қосуға мүмкіндік берді. Бұл құрылғы бастапқы Microsoft WebTV құрылғысында қолданылды. R4650 құрылғыларын өндірген және сатқан IDT және NKK компаниялары лицензия алды. R4640 сол чип болды, бірақ жүйелік шинасы 64 биттен 32 битке дейін шектелді. R5000 SGI компаниясы тапсырыс берді. Бұл құрылғы нұсқаулар мен деректер кэшін 32 КБ-қа дейін екі есе арттырды. Ол жоғары өнімділікті, толық құбырлы, көп жинақтау мүмкіндігі бар және SRT бөлгіші бар жылжымалы нүктелі агрегатты іске қосты. Құрылғыда бір циклде бір бүтін сандық нұсқаулық пен бір жылжымалы нүктелік нұсқаулық шығарылуы мүмкін суперскалярлық нұсқаулық шығарылымының шектеулі іске асырылуы болды. Бұл құрылғы SGI O2 және SGI Indy төменгі деңгейдегі жұмыс станцияларында қолданылды. Дизайн SGI-ге тиесілі болды, ол IDT және NEC-ке, содан кейін Toshiba-ға лицензия берді. PowerPC 603q Motorola компаниясы тапсырыс берді, ал мақсатты нарық Apple Computer-дің төмен құнды есептік жазбалары болды, соның ішінде студенттерге арналған үй компьютері және Pippen атты үй видеоконсолі ойыны. 603q негізінен PowerPC нұсқаулар жиынтығына қайта бағытталған R4600 құбыржолы болды. PowerPC 603 сол кезде AIM альянсының ең қуатты тиімді чипі болғандықтан, бұл құрылғының атауы оның төмен құны мен қуаттылық сипаттамаларын көрсету үшін таңдалды. Apple жобалары тоқтатылғаннан кейін Motorola 603q-ті әзірлеуді тоқтатты, бірақ QED алғашқы кремний үлгілерін алды және олар жұмыс істеді. RM52XX сериясы QED тікелей сатқан алғашқы өнім желісі болды. Серияның біріншісі R5000-нің төмендетілген құнымен жасалған нұсқасы, кішірек кэштері және басқаша пин-аутпен болды. Алдыңғы RM52X0 құрылғыларында тек 16 КБ кэш болса, кейінгі RM52X1 құрылғыларында 32 КБ кэш болды. RM523X құрылғыларында 32 биттік жүйелік шиналар болды, ал RM526X 64 биттік жүйелік шиналарға ие болды. Бұл өнім желісі лазерлік принтер нарығында өте сәтті болды, Hewlett Packard, Lexmark, Ricoh, Samsung сияқты принтер компанияларында көптеген тапсырыс алды. RM70XX сериясы QED тікелей сатқан екінші өнім желісі болды. Ол 2 деңгейлі кэшке 256 КБ үлкен жадты енгізді. RM7000 - бұл, әсіресе кіріктірілген микропроцессорлар нарығының сегментінде, мұны жасаған алғашқы микропроцессорлардың бірі. Ол сондай-ақ екі бүтін санды орындау бірлігімен симметриялық суперскалярлық нұсқаулар шығаруды іске асырды. RM7061 құрылғысы RM526X сериясының пинге сәйкес келетін жаңартуы болды. Бұл өнім желісі RM52XX өнімдерінің өте табысты жалғасы болды. RM9x00 отбасы QED-тің алғашқы SOC-і болды. RM9x00 құрамына кіретін Apollo микропроцессорлық өзегі жоғары жұмыс жиіліктерін қамтамасыз ету үшін оның құбыр желісі 7 сатыға дейін ұзартылды. Ұзақ тармақ күтуді жақсарту үшін динамикалық тармақ болжау қосылды. RM9x00 ішінде екі ядролы құрылғыны іске асыру үшін екі Аполлон өзегі пайдаланылды. Бұл процессорлық өзектер 1 ГГц жұмыс жиілігін мақсатты түрде орындады. SOC жүйесі SOC арқылы өтетін транзакциялар үшін орталықтандырылған сақтаумен үй дизайны болды. Шекаралық құрылғыларға DDR жады контроллері, SysAD шина контроллері, жүктеу шина контроллері, DMA контроллері және Hypertransport контроллері кіреді. Екінші буын құрылғысына Gigabit Ethernet контроллері, PCI контроллері және кэшке сәйкестік қосылды. Бұл өнім отбасы нарыққа кеш келгендіктен сәтті болмады. Компанияның бастапқы акциялық ұсынысқа дейін және кейін қаржылық сақтығы болды және SOC жобасын толыққанды қамтамасыз ете алмады. Компанияны PMC Sierra-ға сатудың бір себебі осы SOC жобаларын қаржыландыру болды. Сол кезде SiByte сияқты бәсекелес компаниялар нарыққа ұқсас құрылғылармен енген еді.

The first QED microprocessor was the R4600. The founders of QED, who were previously involved with the R4000, felt that the large device was too complicated and that a simpler implementation would give a better price/performance ratio. For that reason, the R4600 is a re implementation of the 5 stage Classic RISC pipeline with large (for the time) caches. For a while, this small and low cost device was one of the highest performance microprocessors on the market. While the initial target market of a MIPS laptop computer never materialized, this device found success in several markets. It was the first RISC processor used within a Cisco Systems network router. It was used in several Atari/Midway arcade games such as the well known original Mortal Kombat game. The R4600 was licensed by IDT and Toshiba who manufactured and sold the devices. The R4700 was targeted at SGI, who wanted a little more floating point performance. The R4700 improved on the repeat rate of floating point multiply instructions. This device was used inside the SGI Indy low end workstation. The R4700 was licensed by IDT and Toshiba who manufactured and sold the devices. The R4650 was commissioned by NKK, who desired a cheaper implementation for a video console game machine. The R4650 achieved a smaller die area by cutting the caches in half, only implementing single precision floating point. This device was the first QED device that implemented the multiply–accumulate instructions, which enabled software functions such as softmodem. This device was used in the original Microsoft WebTV device. The R4650 was licensed by IDT and NKK who manufactured and sold the devices. The R4640 was the same chip but with the system bus restricted to 32 bits instead of 64 bits. The R5000 was commissioned by SGI. This device doubled the instruction and data caches to 32 KB. It implemented a high performance, fully pipelined floating point unit with multiply–accumulate capability and a SRT divider. The device had a limited implementation of superscalar instruction issue in which one integer instruction and one floating point instruction could be issued in one cycle. This device was used in the SGI O2 and SGI Indy low end workstations. The design was owned by SGI, which licensed the design to IDT and NEC and eventually to Toshiba. The PowerPC 603q was commissioned by Motorola and the target market was Apple Computer's low cost accounts including a home computer for students and a home video console game named Pippen. The 603q was basically the R4600 pipeline re targeted for the PowerPC instruction set. Since the PowerPC 603 was then the most power efficient chip from the AIM alliance, the name of this device was chosen to reflect its low cost and low power characteristics. Once those Apple projects were cancelled, Motorola stopped the development of the 603q even though QED had received first silicon samples and they were functional. The RM52XX series was the first product line sold directly by QED. The first of the series was a cost reduced version of the R5000 with smaller caches and a different pin out. The earlier RM52X0 devices had only 16 KB caches while the later RM52X1 devices had 32 KB caches. The RM523X devices had 32 bit system buses while RM526X had 64 bit system buses. This product line was very successful in the laser printer market, winning many accounts at printer companies such as Hewlett Packard, Lexmark, Ricoh, Samsung. The RM70XX series was the second product line sold directly by QED. It implemented a large 256 KB on chip level 2 cache. The RM7000 was one of the first microprocessors to do so, especially within the embedded microprocessor market segment. It also implemented symmetric superscalar instruction issue with two integer execution units. The RM7061 device was a pin compatible upgrade for the RM526X series. This product line was a very successful follow on to the RM52XX products. The RM9x00 family was the first SOC implemented by QED. The Apollo microprocessor core that was part of the RM9x00 had its pipeline lengthened to 7 stages to enable higher operating frequencies. Dynamic branch prediction was added to ameliorate the longer branch latencies. Within the RM9x00, two Apollo cores were used to implement a dual core device. These processor cores successfully achieved their operating frequency target of 1 GHz. The SOC system interconnect was an in house design with centralized storage for the transactions flowing through the SOC. Peripherals included a DDR memory controller, a SysAD bus controller, a boot bus controller, a DMA controller and a Hypertransport controller. A second generation device added a Gigabit Ethernet controller, a PCI controller and cache coherency. This product family was not successful due to being late to the market. The company was financially conservative during the time leading up to and after the company's initial public offering and would not fully staff the SOC project. One of the reasons for selling the company to PMC Sierra was to fund these SOC projects. By that time, competitors like SiByte had already entered the market with equivalent devices.