R5000

El R5000 es un microprocesador de 64 bits, bi-endian , superescalar , de ejecución en orden y diseño de 2 emisiones que implementa la arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA) MIPS IV desarrollada por Quantum Effect Design (QED) en 1996. El proyecto fue financiado por MIPS Technologies, Inc. (MTI), que también fue el licenciante. MTI luego licenció el diseño a Integrated Device Technology (IDT), NEC , NKK y Toshiba . El R5000 sucedió a los QED R4600 y R4700 como su microprocesador embebido insignia de gama alta. IDT comercializó su versión del R5000 como el 79RV5000, NEC como VR5000, NKK como el NR5000 y Toshiba como el TX5000. El R5000 fue vendido a PMC-Sierra cuando la compañía adquirió QED. Actualmente, todavía se fabrican versiones derivadas del R5000 para sistemas embebidos.

Los usuarios del R5000 en estaciones de trabajo y servidores fueron Silicon Graphics, Inc. (SGI) y Siemens-Nixdorf . SGI utilizó el R5000 en sus estaciones de trabajo de gama baja O2 e Indy . El R5000 también se utilizó en sistemas embebidos como enrutadores de red e impresoras de gama alta. El R5000 llegó a la industria de los videojuegos arcade; Atari ^{[ 1 ]} y Midway ^{[ 2 ]} utilizaron placas base con R5000. Inicialmente, el Cobalt Qube y el Cobalt RaQ utilizaron un modelo derivado, el RM5230 y el RM5231. El Qube 2700 utilizó el microprocesador RM5230, mientras que el Qube 2 utilizó el RM5231. Los sistemas RaQ originales estaban equipados con CPU RM5230 o RM5231, pero los modelos posteriores utilizaron chips AMD K6-2 y, finalmente, CPU Intel Pentium III para los modelos finales.

La hoja de ruta original preveía  un funcionamiento a 200 MHz a principios de 1996, a 250  MHz a finales de 1996, y fue sucedida en 1997 por el R5000A. El R5000 se presentó en enero de 1996 y no logró alcanzar los 200  MHz, llegando a un máximo de 180  MHz. Cuando se posicionó como un microprocesador de gama baja para estaciones de trabajo, la competencia incluía el IBM y el Motorola PowerPC 604 , el HP PA-7300LC y el Intel Pentium Pro .

El R5000 es un diseño superescalar bidireccional que ejecuta instrucciones en orden . Podía emitir simultáneamente instrucciones de enteros y de punto flotante. Contaba con una tubería simple para instrucciones de enteros y otra para instrucciones de punto flotante, lo que permitía ahorrar transistores y espacio en el chip, reduciendo así el costo. Por motivos de costo, el R5000 no realizaba predicción dinámica de bifurcaciones . En su lugar, utilizaba un enfoque estático, aprovechando las sugerencias codificadas por el compilador en las instrucciones de bifurcación probables, introducidas por primera vez en la arquitectura MIPS II, para determinar la probabilidad de que se tomara una bifurcación.

El R5000 tenía grandes cachés L1 , una característica distintiva de QED, cuyos diseñadores favorecían diseños simples con grandes cachés. El R5000 tenía dos cachés L1, una para instrucciones y otra para datos. Ambas tienen una capacidad de 32 KB. Las cachés son asociativas  por conjuntos bidireccionales , tienen un tamaño de línea de 32 bytes y están indexadas virtualmente y etiquetadas físicamente . Las instrucciones se predecodificaban al entrar en la caché de instrucciones añadiendo cuatro bits a cada una. Estos cuatro bits especifican si se pueden emitir juntas y qué unidad de ejecución las ejecuta. Esto facilitó la emisión de instrucciones superescalares al trasladar parte de la comprobación de dependencias y conflictos fuera de la ruta crítica.

La unidad de enteros ejecuta la mayoría de las instrucciones con una latencia y un rendimiento de un ciclo, excepto la multiplicación y la división. Las multiplicaciones de 32 bits tienen una latencia de cinco ciclos y un rendimiento de cuatro ciclos. Las multiplicaciones de 64 bits tienen cuatro ciclos adicionales de latencia y la mitad del rendimiento. Las divisiones tienen una latencia y un rendimiento de 36 ciclos para enteros de 32 bits , y para enteros de 64 bits , aumentan a 68 ciclos.

La unidad de punto flotante (FPU) era un diseño rápido de precisión simple ( 32 bits ), para reducir costos y beneficiar a SGI, cuyas estaciones de trabajo de gráficos 3D de gama media dependían principalmente de matemáticas de precisión simple para aplicaciones de gráficos 3D. Estaba completamente segmentada, lo que la hacía significativamente mejor que la del R4700 . El R5000 implementa la instrucción de multiplicación-suma de la ISA MIPS IV. Las sumas, multiplicaciones y multiplicaciones-sumas de precisión simple tienen una latencia de cuatro ciclos y un rendimiento de un ciclo. Las divisiones, recíprocos y raíces cuadradas de precisión simple tienen una latencia de 21 ciclos y un rendimiento de 19 ciclos, mientras que las raíces cuadradas recíprocas tienen una latencia de 38 ciclos y un rendimiento de 36 ciclos (ninguna de estas está segmentada). Las instrucciones que operan con números de doble precisión tienen una latencia significativamente mayor y un rendimiento menor, excepto la suma, que tiene la misma latencia y rendimiento que la suma de precisión simple. La multiplicación y la suma de multiplicaciones tienen una latencia de cinco ciclos y un rendimiento de dos ciclos. La división tiene una latencia de 36 ciclos y un rendimiento de 34 ciclos. La raíz cuadrada recíproca tiene una latencia de 68 ciclos y un rendimiento de 66 ciclos.

El R5000 contaba con un controlador de caché L2 integrado que admitía capacidades de 512  KB, 1  MB y 2  MB. La caché L2 compartía el bus SysAD con la interfaz externa. La caché se construyó con memorias SRAM síncronas (SSRAM) personalizadas. El microprocesador utiliza el bus SysAD , que también emplean otros microprocesadores MIPS. El bus está multiplexado (la dirección y los datos comparten el mismo conjunto de cables) y puede operar a frecuencias de reloj de hasta 100  MHz. El R5000 inicial no admitía multiprocesamiento , pero el encapsulado reservaba ocho pines para la futura incorporación de esta función.

QED era una empresa sin fábrica propia y no fabricaba sus propios diseños. El R5000 fue fabricado por IDT, NEC y NKK. Las tres empresas fabricaron el R5000 en un proceso de semiconductor complementario de óxido metálico ( CMOS )  de 0,35 μm , pero con diferentes características de proceso. IDT fabricó el R5000 en un proceso con dos niveles de polisilicio y tres niveles de interconexión de aluminio . Los dos niveles de polisilicio permitieron a IDT utilizar una celda SRAM de cuatro transistores, lo que resultó en un recuento de transistores de 3,6 millones y un chip que medía 8,7 mm por 9,7 mm (84,39 mm² ⁾ . NEC y NKK fabricaron el R5000 en un proceso con un nivel de polisilicio y tres niveles de interconexión de aluminio. Sin una capa adicional de polisilicio, ambas compañías tuvieron que usar una celda SRAM de seis transistores, lo que resultó en un total de 5 millones de transistores y un chip más grande con un área de aproximadamente 87 mm² . MTI afirmó que los tamaños de los chips estaban en el rango de 80 a 90 ^{mm² . 0,8 millones de los transistores en ambas versiones se destinaron a la lógica, y el resto se contuvo en las cachés. Se encapsuló en un encapsulado BGA (} matriz de rejilla de bolas de plástico) de 272 pines o en un encapsulado PGA ( matriz de rejilla de pines de cerámica) de 223 pines . No era compatible a nivel de pines con ningún microprocesador MIPS anterior.     

A finales de la década de 1990, Quantum Effect Design adquirió una licencia de MTI para fabricar y vender microprocesadores MIPS y se convirtió en un proveedor de microprocesadores, cambiando su nombre a Quantum Effect Devices para reflejar su nuevo modelo de negocio. Los primeros productos de la compañía fueron miembros de la familia RM52xx, que inicialmente constaba de dos modelos, el RM5230 y el RM5260. Estos se anunciaron el 24 de marzo de 1997. El RM5230 estaba disponible inicialmente a 100 y 133  MHz, y el RM5260 a 133 y 150  MHz. El 29 de septiembre de 1997,  se presentaron nuevos RM5230 de 150 y 175 MHz, así como  RM5260 de 175 y 200 MHz.

Tanto el RM5230 como el RM5260 son derivados del R5000 y se diferencian en el tamaño de sus cachés primarias (16  KB cada una en lugar de 32  KB), el ancho de sus interfaces de sistema (el RM5230 tiene un bus SysAD de 32 bits y 67  MHz, y el RM5260 un bus SysAD de 64 bits y 75  MHz), y la adición de instrucciones de multiplicación-suma y multiplicación de tres operandos para aplicaciones de procesamiento de señales digitales . Estos microprocesadores fueron fabricados por Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) con su proceso de 0,35  μm y tres niveles de interconexión. Fueron empaquetados por Amkor Technology en sus paquetes Power-Quad 4, el RM5230 en una versión de 128 pines y el RM5260 en una versión de 208 pines.

La familia RM52xx se amplió posteriormente con el RM5270, presentado en la Conferencia de Sistemas Embebidos el 29 de septiembre de 1997. Diseñado para aplicaciones embebidas de alta gama, el RM5270 estaba disponible a 150 y 200  MHz. Entre las mejoras se incluía la incorporación de un controlador de caché secundaria integrado que admitía hasta 2  MB de caché. El bus SysAD tenía un ancho de 64 bits y podía operar a 100  MHz. Se encapsulaba en un Super-BGA (SBGA) de 304 pines, compatible con el RM7000 , y se ofrecía como una vía de migración a este último.

El 20 de julio de 1998 se anunció la familia RM52x1. Esta familia estaba compuesta por los microprocesadores RM5231, RM5261 y RM5271. Estos microprocesadores eran derivados de los dispositivos correspondientes de la familia RM52x0, fabricados con un  proceso de 0,25 μm y cuatro capas de metal. El RM5231 estaba disponible inicialmente a 150, 200 y 250  MHz; mientras que el RM5261 y el RM5271 estaban disponibles a 250 y 266  MHz. El 6 de julio de 1999  se presentó el RM5271 a 300 MHz, con un precio de 140 dólares estadounidenses para pedidos de 10 000 unidades. El RM52x1 mejoró la familia anterior con  cachés primarias más grandes de 32 KB y un bus SysAD más rápido que admitía frecuencias de reloj de hasta 125  MHz.

Tras la adquisición de QED por parte de PMC-Sierra , las familias RM52xx y RM52x1 continuaron siendo productos de PMC-Sierra. El 4 de abril de 2001, PMC-Sierra presentó dos derivados del RM52x1: el RM5231A y el RM5261A. Estos microprocesadores fueron fabricados por TSMC con su  proceso de 0,18 μm y se diferencian de los dispositivos anteriores por ofrecer frecuencias de reloj más altas y un menor consumo de energía. El RM5231A estaba disponible con frecuencias de reloj de 250 a 350  MHz, y el RM5261A de 250 a 400  MHz.

El R5900 utilizado en la PlayStation 2 de Sony es una versión modificada de la CPU R5000, denominada Emotion Engine , con una configuración personalizada de caché de instrucciones/datos y las extensiones multimedia SIMD (MMI) de 107 vectores, propiedad de Sony. Su unidad de punto flotante (FPU) personalizada no cumple con el estándar IEEE 754, a diferencia de las FPU utilizadas por el R5000. También cuenta con un segundo núcleo MIPS que actuaba como controlador de sincronización para coprocesadores vectoriales especializados, importantes para las operaciones matemáticas 3D, que en aquel entonces se realizaban principalmente en la CPU.

• Computergram (8 de enero de 1996). "MIPS listo con el R5000, sucesor del 4600/4700". Computer Business Review .
• Gwennap, Linley (22 de enero de 1996). "R5000 mejora el FP para MIPS Midrange". Microprocessor Report , 10 (1).
• Halfhill, Tom R. (abril de 1996). "R5000 reduce el costo de 3-D". Byte .
• Halfhill, Tom R. (mayo de 1996). "Mips R5000: 3-D rápido y asequible". Byte , 161-162 .
• MIPS Technologies, Inc. Documento técnico sobre el microprocesador MIPS R5000 .
• PMC-Sierra, Inc. (4 de abril de 2001). "PMC-Sierra lanza al mercado los microprocesadores MIPS R5200A de tercera generación". Comunicado de prensa.
• Quantum Effect Devices (24 de marzo de 1997). "QED presenta la familia de microprocesadores RM52xx". Comunicado de prensa.
• Quantum Effect Devices (29 de septiembre de 1997). "QED presenta el microprocesador superescalar de 64 bits RM5270". Comunicado de prensa.
• Quantum Effect Devices (20 de julio de 1998). "QED presenta la familia de microprocesadores RM52x1". Comunicado de prensa.
• Quantum Effect Devices (6 de julio de 1999). "El RM5271 de QED ya está disponible a 300 MHz". Comunicado de prensa.