ألفا 21164

استخدمت شركة ديجيتال معالج ألفا 21164 بترددات ساعة مختلفة في خوادم ألفا سيرفر ومحطات عمل ألفا ستيشن . كما استخدمته في حواسيبها أحادية اللوحة ألفا VME 5/352 وألفا VME 5/480، وفي لوحاتها الأم ألفا بي سي 164 وألفا بي سي 164LX . واستخدمت شركة كراي ريسيرش، الشريك في ألفا، معالج ألفا 21164 بتردد 300 ميجاهرتز في حاسوبها العملاق T3E-600 . وقامت جهات خارجية، مثل ديسك ستيشن، ببناء محطات عمل باستخدام معالج ألفا 21164. 

واصل معالج 21164 تفوقه في الأداء الذي حققه معالج Alpha 21064A  بتردد 275 ميجاهرتز حتى طرح معالج Intel Pentium Pro في نوفمبر 1995، حيث تفوق إصدار بتردد 200 ميجاهرتز على إصدار 21164 بتردد 300 ميجاهرتز في مجموعة اختبارات SPECint95_base . وحافظ معالج 21164 على تفوقه في أداء العمليات الحسابية ذات الفاصلة العائمة. وفي العام التالي، تفوق معالج 21164 بتردد 333 ميجاهرتز على معالج Pentium Pro، لكنه تفوق عليه لاحقًا معالج MIPS Technologies R10000 ، ثم معالج Hewlett-Packard PA-8000 في العام نفسه. ^{[ 1 ]}   

تتألف وحدة الأعداد الصحيحة من مسارين لمعالجة الأعداد الصحيحة وملف سجلات الأعداد الصحيحة . المساران، مسار الجمع ومسار الضرب، ليسا متطابقين، إذ يختص كل منهما بتنفيذ تعليمات مختلفة، مع أن كلاهما قادر على تنفيذ تعليمات الجمع والمنطق والتحميل والمقارنة والنقل الشرطي الشائعة. يُنفذ مسار الضرب حصريًا تعليمات الإزاحة والتخزين والضرب (في مُضاعِف غير مُجزأ). بينما يُنفذ مسار الجمع حصريًا تعليمات التفرع.

باستثناء تعليمات التفرع والنقل المشروط والضرب، تبدأ جميع التعليمات الأخرى وتنتهي خلال المرحلة الخامسة بزمن استجابة دورة واحدة. تُنفذ تعليمات التفرع والنقل المشروط خلال المرحلة السادسة حتى يمكن إصدارها مع تعليمة مقارنة تعتمد نتيجتها عليها.

يحتوي ملف سجلات الأعداد الصحيحة على أربعين سجلاً من 64 بت، منها اثنان وثلاثون سجلاً مُحددة بواسطة بنية ألفا، وثمانية سجلات مُخصصة لاستخدامها بواسطة PALcode كذاكرة مؤقتة. يحتوي ملف السجلات على أربعة منافذ قراءة ومنفذي كتابة موزعة بالتساوي بين خطي معالجة الأعداد الصحيحة. ^{[ 2 ]}

تتألف وحدة الفاصلة العائمة من مسارين لمعالجة الفاصلة العائمة وملف سجلات الفاصلة العائمة. المساران ليسا متطابقين، أحدهما ينفذ جميع تعليمات الفاصلة العائمة باستثناء الضرب، والآخر ينفذ تعليمات الضرب فقط. يتكون كلا المسارين من أربع مراحل. يتم توصيل وحدة قسمة الفاصلة العائمة غير المتصلة بمسار الجمع. جميع تعليمات الفاصلة العائمة، باستثناء القسمة، لها زمن استجابة يبلغ أربع دورات. أما عمليات القسمة فلها زمن استجابة متغير يعتمد على ما إذا كانت العملية تُجرى على أعداد فاصلة عائمة أحادية أو مزدوجة الدقة . مع احتساب الحمل الزائد، يتراوح زمن استجابة عمليات القسمة أحادية الدقة بين 15 و31 دورة، بينما يتراوح زمن استجابة عمليات القسمة مزدوجة الدقة بين 22 و60 دورة.

يحتوي المعالج 21164 على ثلاثة مستويات من الذاكرة المؤقتة ، اثنان منها مدمجان في الشريحة وواحد خارجي واختياري. تتكون الذاكرة المؤقتة والمنطق المرتبط بها من 7.2 مليون ترانزستور. ^{[ 3 ]}

تُقسّم الذاكرة المؤقتة الرئيسية إلى ذاكرتي تخزين مؤقتتين منفصلتين، إحداهما للتعليمات والأخرى للبيانات، ويُشار إليهما بذاكرة التعليمات (I-cache) والأخرى للبيانات (D-cache). يبلغ  حجم كل منهما 8 كيلوبايت، وهما مُرتبطتان مباشرةً، ويبلغ طول سطر التخزين المؤقت فيهما 32 بايت. تتميز ذاكرة البيانات (D-cache) بمنفذين لتحسين الأداء، ويتم تنفيذها عن طريق نسخ الذاكرة المؤقتة مرتين. وتستخدم سياسة الكتابة المباشرة وسياسة تخصيص الذاكرة عند القراءة.

ذاكرة التخزين المؤقت الثانوية، المعروفة باسم S-cache، مدمجة في الشريحة وتبلغ سعتها 96  كيلوبايت. كان وجود ذاكرة تخزين مؤقت ثانوية مدمجة ضروريًا لأن المعالج 21164 يتطلب نطاقًا تردديًا أكبر مما يمكن أن توفره ذاكرة تخزين مؤقت ثانوية خارجية لتزويده بالتعليمات والبيانات الكافية. ^{[ 4 ]} تتطلب ذاكرة التخزين المؤقت دورتين للوصول إليها نظرًا لمساحتها الكبيرة. ولتحسين الأداء، تم تصميمها بتقنية التجزئة. من المزايا الأخرى لذاكرة التخزين المؤقت الثانوية المدمجة سهولة تنفيذها كذاكرة تخزين مؤقت متعددة الاتجاهات، ونتيجة لذلك، فهي ذاكرة تخزين مؤقت ثلاثية الاتجاهات ذات ارتباط مجموعة ، مما يوفر معدلات وصول أفضل من ذاكرات التخزين المؤقت ذات التعيين المباشر. ^{[ 5 ]} نظرًا للمساحة المادية الكبيرة المطلوبة، تم تنفيذ S-cache في نصفين يحيطان بصناديق I وE وF وM. تم ذلك لتمكين ذاكرة التخزين المؤقت من إرجاع البيانات في دورتين.

تُنفَّذ ذاكرة التخزين المؤقت الثانوية، المعروفة باسم B-cache، باستخدام ذاكرة SRAM خارجية. كانت B-cache اختيارية، ولم تكن بعض الأنظمة التي تستخدم معالج Alpha 21164 مزودة بها. يمكن أن تتراوح سعة B-cache بين 1 و64  ميجابايت، ولم تكن السعات الأصغر مدعومة لأنها تُصبح غير قابلة للاستخدام بسبب وجود S-cache المدمج في الشريحة. ^{[ 6 ]} وهي مُرتبطة مباشرةً، وتستخدم سياسة كتابة مؤجلة وسياسة تخصيص أثناء الكتابة. يتم التحكم في B-cache بواسطة منطق واجهة خارجية مدمج في الشريحة، على عكس معالج 21064 الذي كان يتطلب وحدة تحكم خارجية لذاكرة التخزين المؤقت. يمكن بناء B-cache باستخدام ذاكرة SRAM غير متزامنة أو متزامنة. يتم الوصول إلى B-cache عبر ناقل النظام.

الواجهة الخارجية عبارة عن ناقل نظام 128 بت. يعمل ناقل النظام بتردد ساعة أقل من تردد الساعة الداخلية بمقدار 3 إلى 15 مرة، أي من 20 إلى 100  ميجاهرتز مع تردد ساعة داخلية يبلغ 300  ميجاهرتز. يتم توليد إشارة ساعة ناقل النظام بواسطة المعالج الدقيق.

يتم توليد تردد الساعة الداخلية بتقسيم إشارة الساعة الخارجية على اثنين. لذا، يتطلب معالج ألفا 21164 إشارة ساعة خارجية بتردد 600 ميجاهرتز لتشغيل معالج ألفا 21164 بتردد  300 ميجاهرتز. 

تحتوي شريحة ألفا 21164 على 9.3 مليون ترانزستور على رقاقة بقياس 16.5 × 18.1  مم (299  مم² ⁾ ، وهو ما يقارب الحد الأقصى لحجم العملية. صُنعت الرقاقة باستخدام تقنية CMOS-5، وهي الجيل الخامس من تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية ( CMOS ) من  شركة ديجيتال، وهي تقنية 0.50 ميكرومتر بأربعة مستويات من التوصيلات البينية المصنوعة من الألومنيوم . ^{[ 7 ]} تستخدم شريحة 21164 مصدر طاقة بجهد 3.3 فولت . وتستهلك 46  واط عند تردد 266  ميجاهرتز، و51  واط عند تردد 300  ميجاهرتز، و56  واط عند تردد 333  ميجاهرتز.

تأتي شريحة ألفا 21164 في عبوة تحتوي على 499 طرفًا من مصفوفة دبابيس بينية خزفية (IPGA) بأبعاد 57.40 × 57.40  مم. وتحتوي العبوة على مشتت حراري مزود ببرغيين لتثبيت المشتت الحراري .

كان المعالج ألفا 21164 أساسًا لتطوير لاحق يحمل الاسم الرمزي EV56 . طُرح هذا المعالج لأول مرة باسم ألفا 21164، ولكنه كان يُعرف في الأصل باسم ألفا 21164A . وكان يعمل بترددات ساعة تبلغ 366، 433، 500، 533، 566، 600، و666  ميجاهرتز. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

يُعدّ المعالج الدقيق Alpha 21164PC ، المعروف أيضًا باسم PCA56 ، نسخةً منخفضة التكلفة من المعالج Alpha 21164A الذي طُرح في 17 مارس 1997. وقد طُوّر هذا المعالج بالتعاون بين شركتي Digital و Mitsubishi Electric Corporation ، وقامت الشركتان بتصنيعه. وفي مطلع عام 1998، علّقت Mitsubishi اتفاقية التطوير المشترك مع Digital لمعالجات Alpha المستقبلية، وتوقفت عن تصنيع Alpha 21164PC في منتصف عام 1998، وانسحبت من سوق Alpha بسبب الظروف الاقتصادية السائدة في أسواق الشركة. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

كان معالج Alpha 21164PC يعمل بترددات ساعة تبلغ 400 و466 و533  ميجاهرتز. ومن أبرز التغييرات التي طرأت عليه: الاستغناء عن ذاكرة التخزين المؤقت S، وزيادة سعة ذاكرة التخزين المؤقت I، وإضافة تعليمات الفيديو المتحركة (MVI)، وهي امتداد لبنية Alpha أدخل تعليمات SIMD ( تعليمات واحدة، بيانات متعددة ) لتحسين أداء ترميز MPEG . وقد أُزيلت ذاكرة التخزين المؤقت S لتقليل عدد الترانزستورات، مما قلل من حجم الشريحة وبالتالي التكلفة. وتمت مضاعفة سعة ذاكرة التخزين المؤقت I من 8 كيلوبايت إلى 16 كيلوبايت لتعويض نقص ذاكرة التخزين المؤقت S، حيث كان معالج Alpha 21164 يعتمد على ذاكرة التخزين المؤقت S لتكملة ذاكرة التخزين المؤقت I وتوفير عرض نطاق ترددي كافٍ لتحقيق أداء مناسب. وتم تحديد سعة ذاكرة التخزين المؤقت B من 512 كيلوبايت إلى 4 ميجابايت، مع دعم سعات 1 و2 ميجابايت أيضًا. يستخدم المعالج الدقيق عنوانًا افتراضيًا مكونًا من 43 بت وعنوانًا فعليًا مكونًا من 33 بت.

احتوت شريحة Alpha 21164PC على 3.5 مليون ترانزستور على رقاقة بأبعاد 8.65 × 16.28  مم، بمساحة إجمالية قدرها 141  مم² ^. صُنعت الشريحة رقميًا باستخدام نفس عملية تصنيع Alpha 21164، وهي تقنية CMOS-5. تم تغليف Alpha 21164PC في غلاف IPGA ذي 413 طرفًا بأبعاد 49.78 × 49.78  مم. استخدمت الشريحة مصدر طاقة بجهد 3.3 فولت، باستهلاك طاقة 26.5 واط عند تردد 400  ميجاهرتز، و30.5 واط عند تردد 466  ميجاهرتز، و35.0 واط عند تردد 533  ميجاهرتز.

تم استخدام معالج Alpha 21164PC بواسطة شركة Digital في اللوحة الأم AlphaPC 164SX الخاصة بهم.

صُممت شريحة PCA57، وهي مشتقة من شريحة PCA56، وصُنعت بواسطة شركة سامسونج للإلكترونيات بتقنية CMOS بدقة 0.28  ميكرومتر. طُرحت شريحة PCA57 في أواخر عام 1998، وكانت تعمل بترددات ساعة تبلغ 533 و600 و666  ميجاهرتز. شملت التحسينات التي أُدخلت على بنية PCA56 الدقيقة مضاعفة سعة ذاكرة التخزين المؤقت للتعليمات (I-cache) وذاكرة التخزين المؤقت للبيانات (D-cache) إلى 32  كيلوبايت و16  كيلوبايت على التوالي. احتوت شريحة PCA57 على 5.7 مليون ترانزستور على رقاقة بأبعاد 6.7  مم × 15  مم، بمساحة إجمالية قدرها 101  مم² . كانت تعمل بجهد 2.5 ^فولت  ، وتستهلك 18  واط عند تردد 533  ميجاهرتز، و20  واط عند تردد 600  ميجاهرتز، و23  واط عند تردد 666  ميجاهرتز.

استخدمت شركة Digital شريحة PCA57 في اللوحة الأم AlphaPC 164RX الخاصة بها.

كانت شريحة 21171، المعروفة أيضًا باسم Alcor، أول شريحة مصممة للمعالج 21164، وقد طُرحت في يناير 1995 بالتزامن مع المعالج الدقيق الذي تدعمه. طُوّرت وصُنعت بواسطة شركة Digital. تُعدّ شريحة 21171 نسخة مُطوّرة من شريحة DECchip 21071، مُعدّلة لدعم بروتوكول ناقل النظام الجديد الذي يستخدمه المعالج 21164. تتألف من شريحة تحكم تحتوي على وحدات تحكم الذاكرة و PCI ، وأربع شرائح لتقسيم البيانات تربط ناقل الذاكرة 256 بت وناقل PCI بناقل النظام. توفر شريحة 21171 ناقل PCI بعرض 64 بت يعمل بتردد 33  ميجاهرتز. ^{[ 14 ]}

كان 21172، المعروف أيضًا باسم Alcor2، نسخة محدثة من 21171 تدعم 21164A.

تدعم شريحة Pyxis، المعروفة أيضًا باسم 21174، المعالجات الدقيقة 21164A و21164PC. وعلى عكس الشرائح السابقة، صُممت هذه الشريحة خصيصًا للأنظمة منخفضة التكلفة. ونتيجةً لذلك، جاءت بتصميم شريحة واحدة مُغلفة في مصفوفة شبكية كروية خزفية (CBGA) ذات 474 نقطة اتصال، بدلًا من التغليف المتعدد. ^{[ 15 ]} وقد استُخدمت لاحقًا في تطبيقات حساسة للتكلفة، مثل محطات العمل للمبتدئين ( سلسلة محطات العمل الشخصية الرقمية a ) واللوحات الأم مثل AlphaPC 164LX و164SX. عند طرحها، كان سعر شريحة 21174 هو 142 دولارًا أمريكيًا للكميات التي تبلغ 1000 وحدة. ^{[ 16 ]}

تحتوي وحدة التحكم 21174 على وحدة تحكم بالذاكرة ووحدة تحكم PCI. تدعم وحدة التحكم بالذاكرة ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية متزامنة (SDRAM) بسعة تصل إلى 512 ميجابايت، وتصل إليها عبر ناقل ذاكرة 128 بت . يمكن أن تكون الذاكرة محمية بتقنية تصحيح الأخطاء (ECC) أو بتقنية الحماية من التكافؤ. توفر وحدة تحكم PCI ناقل PCI أو PCI-X .

بولاريس هو وحدة تحكم نظام طورتها شركة VLSI Technology لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، ويدعم المعالجات الدقيقة 21164A و21164PC. أُعلن عن بولاريس في 16 يونيو 1997. ^{[ 17 ]} يدعم ما يصل إلى 768  ميجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية EDO أو ما يصل إلى 512  ميجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية SDRAM. يتم الوصول إلى الذاكرة عبر ناقل بيانات 128 بت. كما يوفر ناقل بيانات PCI  32 بت بتردد 33 ميجاهرتز للإدخال والإخراج.

ومن بين مستخدمي Polaris شركة Digital، وذلك للوحة الأم AlphaPC 164RX الخاصة بها.