EPIC (англ. explicitly parallel instruction computing) — микропроцессорная архитектура с явным параллелизмом команд. Термин введён в 1997 году альянсом HP и Intel^[1] для разрабатываемой архитектуры Intel Itanium.^[2] EPIC позволяет микропроцессору выполнять инструкции параллельно, опираясь на работу компилятора, а не выявляя возможность параллельной работы инструкций при помощи специальных схем. В теории, это могло упростить масштабирование вычислительной мощности процессора без увеличения тактовой частоты.

Истоки в VLIW

В 1989 исследователи компании HP пришли к выводу, что RISC архитектуры имеют явный предел инструкций, выполняемых за такт. Были начаты разработки новой архитектуры, позже названой EPIC.^[2] Исследования основывались на архитектурах VLIW, в которых каждое командное слово содержит несколько операций, выполняемых на нескольких исполнительных устройствах.

Одной из целей EPIC был перенос сложной логики планирования инструкций из микропроцессора в компилятор, который бы планировал инструкции статически. Это позволило бы убрать планировщик инструкций из процессора, освободив место и мощность для других элементов, например, дополнительных АЛУ. Другой целью было увеличить степень параллелизма инструкций (instruction level parallelism) за счет больших возможностей компилятора по поиску независимых команд.

VLIW в своей изначальной форме имело несколько недостатков, препятствующих массовому внедрению:

• Наборы инструкций VLIW не являются обратно совместимыми между различными поколениями процессоров. Если в более новом процессоре будет использоваться больше исполнительных устройств (например, АЛУ), то программы для нового процессора нельзя исполнить на старом, более узком процессоре (с меньшим количеством устройств).
• Задержки загрузки данных из иерархии памяти (кэшей, DRAM) не являются полностью предсказуемыми. Из-за этого статическое планирование инструкций загрузки и использования данных становятся крайне сложными.

Эволюция VLIW

Архитектура EPIC имеет следующие особенности для устранения недостатков VLIW:

• Каждая группа из нескольких инструкций называется бандлом (bundle). Каждый бандл может иметь стоповый бит, обозначающий, что следующая группа зависит от результатов работы данной. Такой бит позволяет создавать будущие поколения архитектуры с возможностью параллельного запуска нескольких бандлов. Информация о зависимостях вычисляется компилятором, и поэтому аппаратуре не придется проводить дополнительную проверку независимости операндов.
• Для предподкачки данных используется инструкция программной подкачки (software prefetch). Предподкачка увеличивает вероятность того, что к моменту исполнения команды загрузки, данные уже будут в кеше. Также, в этой инструкции могут быть дополнительные указания для выбора различных уровней кеша для данных.
• Инструкция спекулятивной загрузки используется для загрузки данных до того, как станет известно, будут ли они использованы (bypassing control dependencies), или будут они изменены перед использованием (bypassing data dependencies).
• Инструкции проверки загрузки (check load instruction) помогает инструкциям спекулятивной загрузки при помощи проверок, зависела ли инструкция загрузки от последующей записи. В случае наличия подобной зависимости, спекулятивная загрузка должна быть повторена.

Архитектура EPIC также включает в себя несколько концепций (grab-bag) для увеличения ILP (параллелизма инструкций):

• Предсказание ветвлений используется, чтобы снизить частоту переходов и для увеличения спекулятивности исполнения инструкций. В последнем случае, условное ветвление преобразуется в заполнение предикатных регистров, затем выполняются обе ветви. Результат той ветви, которая не должна была выполняться, отменяется по значению предикатного регистра.
• Отложенные исключительные ситуации, использующие бит Not a thing в регистрах общего назначения. Они позволяют продолжать спекулятивное исполнение даже после исключительных ситуаций.
• Крайне большой регистровый файл, чтобы избежать необходимости в переименовании регистров.

В архитектуре Itanium также был добавлен вращающийся регистровый файл^[3], необходимый для упрощения программной конвейеризации циклов (software pipelining). При наличии такого файла исчезает необходимость в ручной раскрутке циклов и ручного переименования регистров.^[4]

Иные разработки и исследования

Существовало некоторое количество исследований архитектур EPIC, не связанных с разработками по Itanium.

• Проект IMPACT в университете Иллинойса в Urbana-Champaign под руководством Wen-mei Hwu сильно повлиял на более поздние исследования.
• Архитектура PlayDoh от HP-labs.
• Федерация Gelato, сообщество разработчиков по разработке более эффективных компиляторов для Linux на серверах Itanium.

См. также

• Complex instruction set computer (CISC)
• Reduced instruction set computer (RISC)
• Very long instruction word (VLIW)
• Эльбрус — российский процессор
• IA-64

Примечания