…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше.
(Разработчики Intel )
Ещё core , да ещё core , да ещё много, много core !..
…Ещё совсем недавно мы не слышали и не ведали о многоядерных процессорах, а сегодня они агрессивно вытесняют одноядерные. Начался бум многоядерных процессоров, который пока – слегка! – сдерживают их сравнительно высокие цены. Но никто уже не сомневается, что будущее – именно за многоядерными процессорами!..
Что такое ядро процессора
В центре современного центрального микропроцессора (CPU – сокр. от англ. central processing unit – центральное вычислительное устройство) находится ядро (core ) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture ).
Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package ) по технологии «флип-чип» (flip-chip , flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название, потому что обращённая наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps ).
Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.
Первый (естественно, одноядерный!) микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 г. корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил $300.
Требования к вычислительной мощности центрального микропроцессора постоянно росли и продолжают расти. Но если раньше производителям процессоров приходилось постоянно подстраиваться под текущие насущные (вечно растущие!) запросы пользователей , то теперь чипмейкеры идут с бо-о-о-льшим опережением!
Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: сегодня процессоры выпускаются по 45-нм технологии, а размеры атома кремния – приблизительно 0,543 нм):
Во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением тактовой частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и увеличению выброса тепла;
Во-вторых, преимущества более высокой тактовой частоты частично сводятся на нет из-за задержек при обращении к памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам;
В-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с возрастанием тактовой частоты из-за так называемого «фон-неймановского узкого места» – ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений. При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты.
Применение многопроцессорных систем также не получило широкого распространения, так как требует сложных и дорогостоящих многопроцессорных материнских плат. Поэтому было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности , зародившаяся в мире суперкомпьютеров, – это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд.
Так в недрах компании Intel родилась Hyper-Threading Technology (HTT ) – технология сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одноядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно. Hyper-threading значительно повышает эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с аудио- и видеоредактированием, 3D -моделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме.
Процессор Pentium 4 с включенным Hyper-threading имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических , поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного).
Hyper-threading фактически стала трамплином к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле. В 2-ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают бо льшую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций.
Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков (TLP – thread-level parallelism ). Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации (в некоторых случаях она просто бесполезна!).
Основные проблемы создания процессоров
Каждое ядро процессора должно быть независимым, – с независимым энергопотреблением и управляемой мощностью;
Рынок программного обеспечения должен быть обеспечен программами, способными эффективно разбивать алгоритм ветвления команд на четное (для процессоров с четным количеством ядер) или на нечётное (для процессоров с нечётным количеством ядер) количество потоков;
…
По сообщению пресс-службы AMD , на сегодня рынок 4-ядерных процессоров составляет не более 2% от общего объема. Очевидно, что для современного покупателя приобретение 4-ядерного процессора для домашних нужд пока почти не имеет смысла по многим причинам. Во-первых, на сегодня практически нет программ, способных эффективно использовать преимущества 4-х одновременно работающих потоков; во-вторых, производители позиционируют 4-ядерные процессоры, как Hi-End -решения, добавляя к оснастке самые современные видеокарты и объемные жесткие диски, – а это в конечном счете ещё больше увеличивает стоимость и без того недешёвых …
Разработчики Intel говорят: «…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше…».
Что ждёт нас в будущем
В корпорации Intel уже говорят не о «Мультиядерности» (Multi-Core ) процессоров, как это делается в отношении 2-, 4-, 8-, 16- или даже 32-ядерных решений, а о «Многоядерности» (Many-Core ), подразумевая совершенно новую архитектурную макроструктуру чипа, сравнимую (но не схожую) с архитектурой процессора Cell .
Структура такого Many-Core -чипа подразумевает работу с тем же набором инструкций, но с помощью мощного центрального ядра или нескольких мощных CPU , «окруженных» множеством вспомогательных ядер, что поможет более эффективно обрабатывать сложные мультимедийные приложения в многопоточном режиме. Кроме ядер «общего назначения», процессоры Intel будут обладать также специализированными ядрами для выполнения различных классов задач – таких, как графика, алгоритмы распознавания речи, обработка коммуникационных протоколов.
Именно такую архитектуру представил Джастин Раттнер (Justin R. Rattner ), руководитель сектора Corporate Technology Group Intel , на пресс-конференции в Токио. По его словам, таких вспомогательных ядер в новом многоядерном процессоре может насчитываться несколько дюжин. В отличие от ориентации на большие, энергоемкие вычислительные ядра с большой теплоотдачей, многоядерные кристаллы Intel будут активизировать только те ядра, которые необходимы для выполнения текущей задачи, тогда как остальные ядра будут отключены. Это позволит кристаллу потреблять ровно столько электроэнергии, сколько нужно в данный момент времени.
В июле 2008 г. корпорация Intel сообщила, что рассматривает возможность интеграции в один процессор нескольких десятков и даже тысяч вычислительных ядер. Ведущий инженер компании Энвар Галум (Anwar Ghuloum ) написал в своем блоге: «В конечном счете, я рекомендую воспользоваться следующим моим советом… разработчики уже сейчас должны начать думать о десятках, сотнях и тысячах ядер». По его словам, в настоящий момент Intel изучает технологии, которые смогли бы масштабировать вычисления «на то количество ядер, которые мы пока не продаём».
По мнению Галума, в конечном счете успех многоядерных систем будет зависеть от разработчиков, которым, вероятно, придется изменить языки программирования и переписать все существующие библиотеки.
QX
| 22 июля 2015, 14:45
Не только частота, техпроцесс тоже. Современные 2-ядерные процессоры по 3 ГГц не сравнить с первыми 2-ядерниками, из тех что тоже по 3 ГГц. Частота одинаковая, но старые просто жуткие тормоза в сравнении с новыми. В итоге современный 2-ядерный i3 намного лучше, чем 4-ядерник Quad Q6600. Даже Pentium G посвежее лучше старого Quadа.
QX
| 11 июля 2015, 12:18
Здесь разница в частоте не велика, 3,5 против 3 ГГц. Потому интересны 4 ядра. Но конечно если остальные характеристики тоже не отстают. Много ядер нужно для архивации, кодирования видео и т.п. Взяв 2 ядерник ещё и сэкономить можно, слегка. Ещё вопрос, как много будете работать на нём. Ну и лучше бы Вы всё-таки обе модели конкретно назвали. А так, я бы Вам посоветовал Core i3 помощнее и посвежее.
MaKos007
| 30 марта 2015, 16:00
Я тут буду растекаться мысью по древу. потому сразу скажу - ваш выбор двухъядерный процессор с более высокой частотой. Если теория не интересна, то дальше можно не читать.
Частота процессора представляет собой, фактически, количество операций, выполняемых им в единицу времени. Таким образом, чем выше частота, тем больше действий выполняется за секунду, например.
Что же у нас с количеством ядер... При наличии более чем одного ядра процессор может обсчитывать более одной задачи. Это как ленты конвейера. Одна лента конвейера работает быстро, но две параллельные ленты, на которых идут операции, выдают в два раза больше результата. Так что в теории двухъядерные решения будут работать вдвое быстрее одноядерного.
Это теория, но как и с конвейерами, эти два потока надо чем-то нагрузить. при этом нагрузить правильно, чтобы каждая лента работала с полной отдачей. В случае с процессорами это зависит от архитектуры программ и игр, которые используют эту самую многоядерность. Если приложение умеет разделять задачи на несколько потоков (читай - использовать многоядерность процессора), то многоядерность может дать значимый прирост в скорости исполнения команд. А ежели не умеет или задачи такие, что разделить невозможно, тогда совершенно неважно много ядер в CPU или нет.
На самом деле, вопрос оптимального количества ядер - сложный. Здесь еще важна архитектура самих ядер и связей между ними. Так первые многоядерные процессоры имели значительно менее функциональное устройство, чем современные. Кроме того, следует учитывать, что современные ОС Windows 7 и Windows 8 (я не рассматриваю здесь *nix системы и их поддержку многоядерных процессоров - отдельная и очень интересная тема) найчились очень хорошо распараллеливать многие задачи. Таким образом, многоядерность помогает не тормозить основные процессы (используемые пользователем приложения и игры) из-за выполнения фоновых задач. Таким образом, антивирусная защита и фаервол не станут тормозить (точнее, в меньшей степени будут тормозить) запущенную игру или работу в Фотошопе.
Для каких программ важна многоядерность. Проведя некоторое время в интернете, можно выяснить, что она ускоряет конвертацию видео и аудио; рендеринг 3D-моделей, шифрование сигнала и т.п. Вам для работы в Photoshop и видеомонтажа не нужно 4 ядра. Вполне достаточно, как я уже говорил, двух, но с более высоким быстродействием каждого из них.
teleport
| 21 апреля 2013, 01:30
Простой подсчет производительности показывает: для 2-х ядерного общая производительность 2 x 3.5 = 7, для 4-х ядерного - 4 x 3 = 12. Так что 4-х ядерный почти в 2 раза мощнее. Кроме того он наверняка современнее, а значит экономичнее и производительнее. А если используется только одно ядро - меньше греется, поскольку частота одного ядра немного ниже, но для нагрева это существенно.
Для видеомонтажа процессор скорее всего не критичен там в основном задействуются ресурсы видеокарты или специальной платы видеомонтажа. Но процессор в этом тоже учавствует и если 2-х ядерный отдаст под эту задачу одно ядро, то остальные задачи (разные антивири) будут бороться за оставшееся ядро, что приведет к жуткой тупизне. Короче многоядерность лучше.
yang
| 11 апреля 2013, 20:22
В данном случае эффективнее и экономичнее во всех отношениях будет двухъядерный процессор.
Одним из этапов совершенствования архитектуры фон Неймана является распараллеливание потоков (Thread Level Parallelism , TLP ). Различают одновременную многопоточность (Simultaneous Multithreading , SMT ) и многопоточность на уровне кристалла (Chip - level Multithreading , CMT ). Эти два подхода в основном различаются представлением о том, что такое поток. Типичным представителем SMT является так называемая технология HTT (Hyper - Threading Technology ).
П
ервыми
представителями архитектурыCMP
стали процессоры, предназначенные для
использования в серверах. Это был простой
тандем, в таких приборах на одной подложке
размещались два, по сути, независимых
ядра (Рис.8,). Развитием этой схемы сначала
стала структура с общей кэш – памятью
рис. 9, а затем структура с многпоточностью
в каждом ядре.
Преимущества многоядерных процессоров состоят в следующем.
Простота (естественно относительная) проектирования и производства. Разработав одно эффективное ядро, его можно тиражировать в кристалле, дополняя архитектуру нужными системными компонентами.
Заметно уменьшается энергопотребление. Если, к примеру, на кристалле разместить два ядра и заставить их работать на тактовой частоте, обеспечивающей производительность равную производительности, одноядерного «собрата», а потом сравнить энергопотребление обоих, то обнаружится, что энергопотребление уменьшается в несколько раз, поскольку оно растет почти пропорционально квадрату частоты.
В целом же, если внимательно посмотреть на рисунки 8 и 9, можно увидеть, что принципиальной разницы между, скажем, 2-х процессорной системой и ЭВМ на 2-х ядерном процессоре нет. Проблемы одинаковые. И одна из первых – соответствующая операционная система.
Способы организации работы процессоров
Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ является повышение производительности. Один из способов повышения производительности ЭВМ - специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализированных вычислительных систем).
Специализация процессоров началась с 60-х годов, когда центральный процессор больших ЭВМ был освобожден от выполнения рутинной операции по вводу-выводу информации. Эта функция была передана процессору ввода-вывода, осуществляющему связь с периферийными устройствами.
Другой путь повышения производительности – отход от последовательной архитектуры фон Неймана, ориентация на параллелизм. М. Флин обратил внимание на то, что существует всего две причины, порождающие вычислительный параллелизм - независимость потоков команд, одновременно существующих в системе, и несвязанность данных, обрабатываемых в одном потоке команд. Если первая причина параллелизма вычислительного процесса достаточно известна (это прост мультипроцессирование), то на параллелизме данных остановимся более подробно, поскольку в большинстве случаев он существует скрыто от программистов и используется ограниченным кругом профессионалов.
Простейшим примером параллелизма данных является последовательность из двух команд: А=В+С; D=E*F;
Если строго следовать принципу фон Неймана, то вторая операция может быть запущена на исполнение только после завершения первой операции. Однако очевидно, что порядок выполнения этих команд не имеет никакого значения - операнды А, В и С первой команды никак не связаны с операндами D, Е и F второй команды. Другими словами, обе операции являются параллельными именно потому, что операнды этих команд не связаны между собой. Можно привести множество примеров последовательности из трех и более команд с несвязанными данными, которые приведут к однозначному выводу: практически любая программа содержит группы операций над параллельными данными.
Д
ругой
вид параллелизма данных, как правило,
возникает в циклических программах
обработки массивов данных. Например,
при сложении элементов двух массивов
одна команда может обрабатывать большой
массив (множественный поток) данных.
Подобные команды называются векторными,
а процессор, реализующий такой режим –
векторным. Можно дать такое определение:
«Векторный
процессор
- процессор, обеспечивающий параллельное
выполнение операции над массивами
данных (векторами). Он характеризуется
специальной архитектурой, построенной
на группе параллельно работающих
процессорных элементов, и предназначен
для обработки изображений, матриц и
массивов данных».
Существует несколько достаточно близких по смыслу классификаций программного параллелизма, из которых наиболее признанной считается классификация по шести уровням (Рис.10). Три верхних уровня параллелизма занимают крупные программные объекты - независимые задания, программы и процедуры программы. Несвязанные операторы, циклы и операции образуют нижние уровни параллелизма. Если совместить такое ранжирование с категориями М. Флина «параллельные потоки команд» и «параллельные потоки данных», то видно, что параллелизм верхнего уровня в основном достигается за счет множества независимых потоков команд, а параллелизм нижнего уровня обязан своим существованием главным образом несвязанным потокам данных.
Конвейерная обработка и конвейерные структуры
О
дним
из эффективных способов повышения
производительности ЭВМ является
конвейеризация. На рис. 11а)
показана обработка в одиночном
универсальном блоке, а на рис.11 б)
и в)
– в конвейере. Идея конвейерной обработки
заключается в разбиении функции,
реализуемой универсальным функциональным
блоком (ФБ), между несколькими,
специализированными. Все функциональные
блоки конвейера должны работать с
одинаковой скоростью (хотя бы в среднем).
На практике последнего добиться удается
редко и, как следствие, производительность
конвейера снижается, поскольку период
поступления входных данных определяется
максимальным временем их обработки в
каждом функциональном блоке. Для
компенсации флуктуаций времени работы
ФБ между ними включают буферные регистры.
Более универсальным приёмом является
включение буферных запоминающих
устройств типа FIFO
(рис 11 в
).
Следует обратить внимание на ещё одно
различие между рисунками б)
и в)
.
В структуре в)
отсутствует линия синхронизации СИ.
Это не значит, что её не может быть в
подобной структуре, просто существует
два типа конвейеров: синхронные
с общей линией синхронизации и асинхронные
,
без таковой. Первые ещё называют с
управлением командами
,
а вторые – с
управлением данными
.
Примером асинхронных конвейеров могут
служить систолические массивы.
К
онвейер
не всегда представляет собой линейную
цепочку блоков. Иногда оказывается
выгодным, функциональные блоки соединят
между собой не последовательно, а по
более сложной схеме в соответствии с
логикой обработки, при
этом одни блоки
в цепочке могут пропускаться, а другие
– образовывать циклические структуры.
Структура нелинейного конвейера,
способного вычислять две функции X и Y,
и диаграммы, в которой функциями X и Y
востребуются те или иные функциональные
блоки приведена на рис. 12
- Tutorial
В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.
Цель статьи - показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).
Предупреждение о знаках ®, ™, в статье
Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.
Процессор
Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин - это «процессор».В современном мире процессор - это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.
Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.
Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает , что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.
Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память - RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.
К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS
Ядро
Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах - как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент - схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер , во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.
Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.
В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.
Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.
Гиперпоток
До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология - гипертреды или гиперпотоки, - Intel® HyperThreading (далее HT).Ничто не ново под луной. HT - это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния - регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня - это зависит от конкретной системы.
Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии . Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.
Ограничения потоков
В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это - частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение - здесь нужны «честные» ядра.Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.
Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре - уникальная для IA-32 конфигурация.
Логический процессор
Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x , y , z ), где x - это число процессоров, y - число ядер в каждом процессоре, а z - число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией - устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.
Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) - ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая - два ядра, а третья - всего лишь два потока.
Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?
Linux top показывает 4 логических процессора.
Это довольно удобно для создателей прикладных приложений - им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.
Программное определение топологии
Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи :
Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к , в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».
APIC ID
Local APIC (advanced programmable interrupt controller) - это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) - для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше - только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.
Выяснение родственных связей
Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два - внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня - гиперпоток, ядро или процессор, - в ECX.
У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, - все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.
Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.
Отмечу, что CPUID.0xB - не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI .
Операционные системы и топология
Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:
Скрытый текст
ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid"
processor: 0
physical id: 0
siblings: 4
core id: 0
cpu cores: 2
apicid: 0
initial apicid: 0
processor: 1
physical id: 0
siblings: 4
core id: 0
cpu cores: 2
apicid: 1
initial apicid: 1
processor: 2
physical id: 0
siblings: 4
core id: 1
cpu cores: 2
apicid: 2
initial apicid: 2
processor: 3
physical id: 0
siblings: 4
core id: 1
cpu cores: 2
apicid: 3
initial apicid: 3
В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:
Скрытый текст
user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec
kern.sched.topology_spec:
В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.
…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше.
(Разработчики Intel )
Краткая хроника «ядерной» гонки чипмейкеров, или Как процессор становился
1999 г. – анонсирован первый в мире 2-ядерный CPU – серверный RISC -процессор IBM Power 4 .
Стартовала эпоха многоядерных процессоров!
2001 г. – начались продажи 2-ядерных процессоров IBM Power 4 .
2002 г. – о перспективах использования двух ядер в своих процессорах архитектуры K8 заявила компания AMD . Практически одновременно с аналогичным заявлением выступила Intel .
Декабрь 2002 г. – вышли первые десктопные Intel Pentium 4 , поддерживающие «виртуальную» 2-ядерность – технологию Hyper-Threading .
2004 г. – IBM выпустила второе поколение своих 2-ядерных процессоров – IBM Power 5 . Каждое из ядер Power 5 поддерживает одновременное выполнение двух программных потоков (то есть снабжено аналогом Hyper-Threading ).
18 апреля 2005 г. – Intel выпустила первый в мире настольный 2-ядерный процессор Pentium Extreme Edition 840 (кодовое название – Smithfield ). Выполнен с использованием 90-нм технологии.
21 апреля 2005 г. – AMD Athlon 64 X2 (кодовое название – Toledo ) с тактовой частотой от 2,0 до 2,4 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии.
1 августа 2005 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Manchester ) с тактовой частотой от 2,0 до 2,4 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии.
В течение второго полугодия 2005 г. Intel выпускает:
Pentium D 8** (кодовое название – Smithfield ) с тактовой частотой от 2,8 до 3,2 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии. 2-ядерные процессоры Pentium D – это два независимых ядра, объединенных на одной кремниевой пластине. Ядра процессоров базируются на архитектуре NetBurst процессоров Pentium 4 ;
– линейку 2-ядерных процессоров Pentium D 9** (кодовое название – Presler ) с тактовой частотой от 2,8 до 3,4 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологии (следует отметить, что инженеры Intel воспользовались преимуществом 65-нм технологического процесса, который позволяет либо уменьшить площадь кристалла, либо увеличить количество транзисторов).
23 мая 2006 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Windsor ) с тактовой частотой от 2,0 до 3,2 ГГц. Выполнены с использованием 90-нм технологии.
27 июля 2006 г. – компания Intel Intel Core 2 Duo (кодовое название – Conroe ) с тактовой частотой 1,8 – 3,0 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологического процесса.
27 сентября 2006 г. – Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс (предположительно, в 2010 г.).
Ноябрь 2006 г. – Intel выпустила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core 2 Quad Q6*** (кодовое название – Kentsfield ) с тактовой частотой 2,4 – 2,6 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологии. Фактически представляют собой сборку из двух кристаллов Conroe в одном корпусе.
5 декабря 2006 г. – AMD представила линейку 2-ядерных процессоров Athlon 64 X2 (кодовое название – Brisbane ) с тактовой частотой от 1,9 до 2,8 ГГц. Выполнены с использованием 65-нм технологии.
10 сентября 2007 г. – AMD выпустила нативные (в виде одного кристалла) 4-ядерные процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron (кодовое название – Barcelona ). Выполнены с использованием 65-нм технологии.
19 ноября 2007 г. – AMD выпустила 4-ядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom . Выполнен с использованием 65-нм технологии.
Ноябрь 2007 г. – компания Intel представила линейку 2-ядерных процессоров Penryn с тактовой частотой от 2,1 до 3,3 ГГц. Выполнены с использованием 45-нм технологии.
6 января 2008 г. – компания Intel выпустила (под марками Core 2 Duo и Core 2 Extreme ) первые партии 2-ядерных процессоров Penryn , выполненных с использованием 45-нм технологии.
Февраль 2008 г. – всемирно известный производитель коммуникационного оборудования, компания Cisco Systems , разработала QuantumFlow – 40- ядерный процессор, предназначенный для установки в сетевое оборудование. Процессор, на разработку которого ушло более 5 лет, способен выполнять до 160 параллельных вычислений. Чип будет использоваться в новых сетевых устройствах.
Март 2008 г. – одноядерные процессоры семейства Pentium 4 (661, 641 и 631) и 2-ядерные семейства Pentium D (945, 935, 925 и 915) сняты с производства.
Март 2008 г. – компания AMD выпустила 3-ядерные процессоры Phenom X3 8400, 8600, 8450, 8650 и 8750 с тактовой частотой от 2,1 до 2,4 ГГц. Выполнены по 65-нм технологии. Фактически эти процессоры представляют собой 4-ядерные Phenom с одним отключенным ядром. Анонсированы эти процессоры были в сентябре 2007 г. По словам разработчика, подобные чипы рассчитаны на тех, «кому двух ядер мало, но за четыре он платить не готов».
Основное достоинство 3-ядерных процессоров заключается в том, что они имеют более низкую по сравнению с 4-ядерными чипами стоимость, но работают быстрее 2-ядерных, таким образом, заполняя ассортиментное пространство между теми и другими. Главный конкурент AMD – корпорация Intel – такие процессоры не выпускает. Впервые о намерении приступить к производству подобных чипов AMD объявила в 2007 г.
Март 2008 г. – компания AMD на выставке 2008 в Ганновере представила свои первые процессоры, изготовленные на базе 45-нм технологического процесса. 4-ядерные чипы под кодовым названием Shanghai для серверов и Deneb для настольных систем были изготовлены на фабрике Fab 36 в Дрездене, Германия. Для их производства использовались 300-мм подложки. Техпроцесс с топологическим уровнем 45 нм был разработан компанией AMD совместно с ее партнером, корпорацией IBM . Новые процессоры Shanghai и Deneb , как и Phenom X4 , являются «по-настоящему» 4-ядерными, так как все четыре ядра размещены на одной кремниевой подложке.
Апрель 2008 г. – компания AMD выпустила 4-ядерные процессоры Phenom X4 – 9550, 9650, 9750 и 9850 – с тактовой частотой 2,2–2,5 ГГц. Выполнены по 65-нм технологии.
Май 2008 г. – выпущен 8-ядерный процессор Cell от IBM . Используется в PlayStation .
Сентябрь 2008 г. – компания Intel Intel Core 2 Quad Q8*** (кодовое название – Yorkfield ) с тактовой частотой 2,3 – 2,5 ГГц. Выполнены с использованием 45-нм технологии.
Сентябрь 2008 г. – компания Intel выпустила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core 2 Quad Q9*** (кодовое название – Yorkfield ) с тактовой частотой 2,5 – 3,0 ГГц. Выполнены с использованием 45-нм технологии.
15 сентября 2008 г. – на конференции VMworld , организованной компанией VMware , корпорация Intel официально сообщила о выходе первого в отрасли массового 6-ядерного серверного процессора Xeon 7400 (кодовое название чипов – Dunnington ). Фактически представляет собой три 2-ядерных кристалла, объединенных в одном корпусе. Создан по 45-нм технологии, работает на частоте 2,66 ГГц. Может работать с несколькими операционными системами одновременно. Имеет аппаратную поддержку технологии виртуализации (Intel Virtualization Technology ).
Октябрь 2008 г. – компания Intel разработала 80-ядерный процессор. Изготовлен он по 65-нм технологии, что позволило уменьшить его размеры, но, тем не менее, он остается еще слишком большим для коммерческого использования. Скорее всего, в ближайшие 7 лет процессор будет находиться в стадии доработки. На данный момент существующие технологии не позволяют снизить его энергопотребление и размеры. По мнению специалистов, массовое производство станет возможно только после 2012 г., когда Intel освоит 10-нм техпроцесс. На данный момент известно, что компания планирует введение 32-нм технологии производства процессоров в конце 2009 г., а 22-нм – в 2011 г.
Сейчас процессор не способен даже запустить операционную систему, но это не смущает разработчиков. Происходит масштабная «обкатка» новых функций, которые будут применяться в будущем в процессорах, одной из которых станет smart -функция по отключению неиспользуемых ядер, что положительно скажется на потреблении электроэнергии и тепловыделении.
17 ноября 2008 г. – Intel представила линейку 4-ядерных процессоров Intel Core i7 , в основу которых положена микроархитектура нового поколения Nehalem . Процессоры работают на тактовой частоте 2,6 – 3,2 ГГц. Выполнены по 45-нм техпроцессу. Их главной особенностью является то, что контроллер памяти стал составной частью процессора. Это позволило увеличить скорость работы чипа с модулями оперативной памяти и сделало ненужной фронтальную системную шину FSB .
Декабрь 2008 г. – начались поставки 4-ядерного процессора AMD Phenom II 940 (кодовое название – Deneb ). Работает на частоте 3 ГГц, выпускается по техпроцессу 45-нм.
Февраль 2009 г. – компания AMD продемонстрировала первый 6-ядерный серверный процессор. Выполнен с использованием 45-нм технологии. Кодовое название процессора – Istanbul , он придет на смену серверным процессорам Opteron с кодовым названием Shanghai , которые имеют только 4 ядра.
Февраль 2009 г. – компания AMD объявила о начале поставок новых моделей:
– 3-ядерный Phenom II X3 (кодовое название чипа – Toliman ) с тактовой частотой 2,8 ГГц. Выполнен по 45-нм технологии;
– 4-ядерный Phenom II X4 810 (кодовое название чипа – Dragon ) с тактовой частотой 2,6 ГГц. Выполнен по 45-нм технологии.
Апрель 2009 г. – компания Intel начала поставки 32-нм центральных процессоров Westmere производителям , как мобильных систем, так и десктопов. Пока речь не идет о готовых коммерческих решениях, а лишь о первых тестовых экземплярах, основное предназначение устройств – их тестирование для выявления некоторых особенностей работы, чтобы производители смогли отладить конструкцию своих систем, и выпустить в продажу полностью совместимые с новым поколением процессоров компьютеры.
По своей сути, процессоры Westmere представляют собой изготовленную по 32-нм техпроцессу архитектуру Nehalem . Семейство включает в себя две категории микрочипов: решения для настольных компьютеров (кодовое обозначение – Clarkdale ), и устройства для мобильных систем (кодовое обозначение – Arrandale ).
«Мобильные» процессоры Arrandale включают не только само процессорное ядро, но и интегрированную графику. Согласно заверениям разработчиков, такая архитектура позволяет существенно снизить энергопотребление связки процессор–системная логика с интегрированной графикой. Помимо этого, за счет перехода на более прецизионный технологический процесс, снизится стоимость изготовления самих микрочипов, а за счет интеграции большего количества элементов на одном «кристалле» снижается и стоимость готовых мобильных компьютеров.
Поставки серийных экземпляров процессоров Westmere должны стартовать к концу 2009 г.
Апрель 2009 г. – компания AMD выпустила две новые модели 4-ядерных центральных процессоров для ПК – Phenom II X4 955 Black Edition и Phenom II X4 945 . Выполнены по 45-нм технологии.
14 мая 2009 г. – компания Fujitsu объявила о создании самого производительного в мире процессора, способного выполнять до 128 млрд. операций с плавающей запятой в секунду. Процессор SPARC64 VIIIfx (кодовое название Venus ) работает примерно в 2,5 раза быстрее, чем самый мощный чип крупнейшего в мире поставщика микросхем корпорации Intel .
Увеличение скорости работы стало возможным за счет более плотной интеграции схем процессора и перехода на 45-нм технологию. Ученые смогли расположить на кремниевой пластинке площадью 2 см 2 8 вычислительных ядер, вместо 4-х в предыдущих разработках. Снижение уровня топологии также привело к сокращению потребления электроэнергии. В Fujitsu заявляют, что их чип потребляет в 3 раза меньше энергии, чем современные процессоры Intel . Помимо 8 ядер, чип включает в себя контроллер оперативной памяти.
Процессор SPARC64 VIIIfx планируется использовать в новом суперкомпьютере, который будет построен в институте естественных наук RIKEN в Японии. В него войдут 10 тыс. таких чипов. Суперкомпьютер планируется использовать для прогнозирования землетрясений, исследований медицинских препаратов, ракетных двигателей и прочих научных работ. Запустить компьютер планируется до весны 2010 г.
Май 2009 г. – компания AMD представила разогнанную версию графического процессора ATI Radeon HD 4890 с тактовой частотой ядра, увеличенной с 850 МГц до 1 ГГц. Это первый графический процессор, работающий на частоте 1 ГГц. Вычислительная мощность чипа, благодаря увеличению частоты, выросла с 1,36 до 1,6 терафлоп (следует заметить, что видеокарты на базе разогнанной версии Radeon HD 4890 не нуждаются в жидкостном охлаждении – достаточно вентилятора).
Процессор содержит 800 вычислительных ядер, поддерживает видеопамять GDDR5 , , ATI CrossFireX и все другие технологии, присущие современным моделям видеокарт. Чип изготовлен на базе 55-нм технологии.
27 мая 2009 г. – корпорация Intel официально представила новый процессор Xeon под кодовым названием Nehalem-EX . Процессор будет содержать до 8 вычислительных ядер, поддерживая обработку до 16 потоков одновременно. Объем кэш-памяти составит 24МБ .
В Nehalem-EX реализованы новые средства повышения надежности и облегчения технического обслуживания. Процессор унаследовал некоторые функции, которыми обладали чипы Intel Itanium , например, Machine Check Architecture (MCA) Recovery . Также в 8-ядерном процессоре реализованы технологии Turbo Mode и QuickPath Interconnect . Первая технология отвечает за то, чтобы остановленные ядра можно было привести в «боевое состояние» почти мгновенно (что повышает производительность процессора), а вторая технология позволяет ядрам процессора напрямую обращаться к контроллерами ввода/вывода на скорости до 25,5 Гб/сек.
Nehalem-EX способен обеспечить в 9 раз более высокую скорость работы оперативной памяти по сравнению с Intel Xeon 7400 предыдущего поколения.
Новый чип подходит для объединения серверных ресурсов, виртуализации, запуска приложений с интенсивной обработкой данных и для проведения научных исследований. Его массовое производство планируется начать во второй половине 2009 г. Чип будет изготовлен на базе 45-нм технологии с применением формулы транзисторов hi-k . Число транзисторов – 2,3 млрд. Первые системы на базе Nehalem-EX ожидаются в начале 2010 г.
1 июня 2009 г. – компания AMD объявила о начале поставок 6-ядерных серверных процессоров Opteron (кодовое название Istanbul ) для систем с двумя, четырьмя и восемью процессорными гнездами. По данным AMD , 6-ядерные процессоры примерно на 50% быстрее по сравнению с серверными процессорами с четырьмя ядрами. Istanbul будет конкурировать с 6-ядерными процессорами Intel Xeon под кодовым названием Dunnington , появившимися в продаже в сентябре 2008 г. Процессор изготавливается с использованием 45-нм технологии, работает на частоте 2,6 ГГц и обладать 6МБ кэш-памяти третьего уровня.
Август 2009 г. – корпорация IBM представила 8-ядерные процессоры Power7 (каждое ядро способно обрабатывать до 4 потоков команд одновременно).
9 сентября 2009 г. – Intel представила новые процессоры – Core i7-860 ( 2,8 ГГц) и Core i7-870 (2,93 ГГц) с возможностью повышения тактовой частоты до 3,46 и 3,6 ГГц соответственно (технология Intel Turbo Boost ). Чипы обладают кэш-памятью объемом 8МБ и интегрированным 2-канальным контроллером оперативной памяти DDR3-1333 . Каждый из представленных 4-ядерных процессоров Core i7 может распознаваться системой как 8-ядерный благодаря технологии Hyper-Threading . Кодовое название чипов – Bloomfield , архитектура – Nehalem , техпроцесс – 45 нм.
22 сентября 2009 г. – компания AMD заявила о намерении выпустить первые 6-ядерные центральные процессоры для ПК. Новинки будут базироваться на 6-ядерной архитектуре серверных процессоров AMD Opteron Istanbul , их кодовое обозначение – Thuban . Как и серверные процессоры Istanbul , Thuban будут представлять собой устройства на основе единого кристалла, при этом изготовление интегральных микросхем будет осуществляться по 45-нм техпроцессу. 6-ядерные процессоры, как и их серверные аналоги, будут состоять из 904 млн. транзисторов, при этом площадь микросхемы составит 346 кв. мм. Предположительно, на рынке процессоры появятся под AMD Phenom II X6 .
22 сентября 2009 г. – Intel запускает в производство первые в мире процессоры на базе 32-нм технологии (кодовое название чипов –Westmere ). Новые процессоры будут поддерживать технологии Intel Turbo Boost (увеличение тактовой частоты по требованию) и Hyper-Threading (многопоточная обработка), а также новый набор команд Advanced Encryption Standard (AES ) для ускоренного шифрования и дешифровки. Кроме того, Westmere – первые высокопроизводительные процессоры с графическим ядром, интегрированным на одну кремниевую подложку с вычислительными ядрами.
2 декабря 2009 г. – компания Intel представила экспериментальный 48-ядерный процессор (под предварительным названием «одночиповый облачный компьютер»), представляющий собой миниатюрный дата-центр, умещающийся на кремниевом кристалле площадью не больше почтовой марки. Прототип будет использоваться в дальнейших исследованиях многоядерных систем. Благодаря новейшим технологиям управления электропитанием, включая возможность индивидуального отключения ядер и ограничения скорости их работы, в режиме ожидания чип потребляет всего 25 Вт. В режиме максимальной производительности чип расходует 125 Вт.
23 февраля 2010 г. – компания AMD приступила к поставкам 8- и 12-ядерных серверных процессоров Opteron серии 6100 под кодовым названием Magny-Cours . Эти процессоры рассчитаны на установку в сокет G34 . Уровень их TDP варьируется от 85 до 140 Ватт, что, в свою очередь, зависит от частоты каждого из 12-ти ядер (от 1,7 до 2,4 ГГц в зависимости от модели).
Конец февраля 2010 г. – Intel начала реализацию 6-ядерных процессоров Core i7-980 Extreme Edition (кодовое название Gulftown ). Выпускается на базе 32-нм технологии. Тактовая частота составляет 3,33 ГГц (в режиме Turbo скорость работы достигает в 3,60 ГГц).
16 марта 2010 г. – Intel представила 32-нм 6-ядерные процессоры Xeon 5600 для серверов и настольных систем (могут работать на максимальной частоте 2,93 ГГц при TDP 95 Вт). Процессоры этого семейства обладают функциями безопасности Intel Advanced Encryption Standard New Instruction (AES-NI ) и Intel Trusted Execution Technology (Intel TXT ), предлагающими ускоренное шифрование и дешифровку данных и аппаратную защиту от вредоносного ПО, а также поддерживают технологии Intel Turbo Boost и Hyper-Threading .
28 марта 2010 г. – AMD начала поставки первых 8- и 12-ядерных серверных процессоров на архитектуре x86 . Вошедшие в семейство AMD Opteron 6100 и ранее известные как Magny-Cours , новые чипы предназначены для 2- и 4-сокетных систем с интенсивной обработкой данных. В компании утверждают, что новые процессоры позволяют сократить расходы на электроэнергию, теплоотвод и программное обеспечение, стоимость лицензии на которое зависит от числа процессоров в системе. Новые чипы производятся на базе 45-нм техпроцесса. Процессоры состоят из двух кристаллов, каждый из которых содержит по 4 или 6 ядер соответственно. Стоимость чипов варьируется от $266 за 8-ядерный Opteron 6128 с тактовой частотой 1,5 ГГц и энергопотреблением 65 Вт до $1386 за 12-ядерный Opteron 6176 SE с тактовой частотой 2,4 ГГц и потреблением 105 Вт.
31 марта 2010 г. – Intel анонсировала 4-, 6- и 8-ядерные серверные чипы Nehalem-EX – Xeon 6500 и Xeon 7500 . Среди прочего, новые чипы впервые поддерживают технологию Machine Check Architecture (MCA ) Recovery , позволяющую восстанавливать систему после фатальной системной ошибки, вовлекая в процесс восстановления полупроводниковые компоненты, операционную систему и менеджер .
25 апреля 2010 г. – компания AMD приступила к поставкам 6-ядерных процессоров AMD Phenom II X6 ( кодовое название Thuban ). Тактовая частота модели составляет 2,8 ГГц. Процессоры выполнены по 45-нм техпроцессу, оснащены технологией Turbo Core . Данная технология выбирает, какое число ядер стоит задействовать. В случае если нагрузка небольшая или средняя, задействуется до 3 ядер, частота которых может повышаться (при этом оставшиеся ядра переводятся в режим ожидания). При запуске многопоточных приложений с интенсивным использованием вычислительных ресурсов, процессор открывает доступ к тем ядрам, которые находятся в резерве.
20 июля 2010 г. – компания Intel выпустила новый 6-ядерный процессор Core i7-970 , предназначенный для настольных игровых и рабочих станций. Чип выполнен с использованием 32-нм технологии. Тактовая частота составляет 3,2 ГГц (множитель частоты заблокирован, чтобы запретить разгон процессора).
Сентябрь 2010 г. – компания Oracle официально представила новейшие серверные процессоры с 16-ю ядрами, принадлежащие семейству микрочипов SPARC – SPARC T3 . Изготавливаются интегральные микросхемы по 40-нм технологическому процессу, каждое ядро функционирует на частоте 1,65 ГГц.
Декабрь 2010 г. – группа ученых из Университета Глазго и Массачусетского университета в Лоуэлле во главе с Вандербауведе ( Vanderbauwhede ) создала процессор, способный обрабатывать данные со скоростью в 20 раз превышающей скорость работы современных процессоров для настольных систем. Взяв за основу FPGA (программируемую интегральную схему, или так называемую вентильную матрицу), ученые создали процессор с 1000 ядрами, каждое из которых вычисляло отдельный набор команд. Для этого в чипе FPGA предварительно было создано более 1000 логических цепей. Для того чтобы ускорить работу чипа, инженеры оснастили каждое из ядер выделенной памятью.
Возможности процессора были опробованы на обработке файла с применением алгоритма, используемого в MPEG . Процессор справился с этим на скорости 5 ГБ в секунду, что примерно в 20 раз больше в сравнении со скоростью обработки аналогичного файла самыми мощными настольными процессорами.
По словам Вандербауведе, некоторые производители уже начали выпускать гибридные решения, состоящие из центрального процессора и программируемой матрицы. Такой продукт, например, недавно представила Intel . Ученый считает, что в течение нескольких следующих лет FPGA -решения будут встречаться в потребительской электронике чаще, так как они предлагают высокую производительность и обладают низким потреблением энергии.
«Очевидно, что создание процессоров с тысячами ядер
возможно, пишет автор статьи в ZDNet
Кларк (
Clark
). – В теории даже нет границ по числу ядер. Однако перед созданием
таких процессоров нам предстоит ответить на множество вопросов и, прежде всего,
на вопрос, нужно ли нам такое число ядер, каким приложениям может потребоваться
такая вычислительная мощность…».
Примечания
1. Кодовое название (обозначение, наименование) – это название ядра процессора.
2. Линейка – это модельный ряд процессоров одной серии. В рамках одной линейки процессоры могут значительно отличаться друг от друга по целому ряду параметров.
3. Чип (англ. chip ) – кристалл; микросхема.
4. Под технологическим процессом (техпроцесс, технология, технология производства микропроцессоров) подразумевается размер затвора транзистора. Например, когда мы говорим – 32-нм технологический процесс , – это означает, что размер затвора транзистора составляет 32 нанометра.
5. Канал – это область транзистора, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда.
Исток – это электрод транзистора, из которого в канал входят основные носители заряда.
Сток – это электрод транзистора, через который из канала уходят основные носители заряда.
Затвор – это электрод транзистора, служащий для регулирования поперечного сечения канала.
6. Фактически, транзисторы – это миниатюрные переключатели, с помощью которых реализуются те самые «нули» и «единицы», составляющие основу . Затвор предназначен для включения и выключения транзистора. Во включенном состоянии транзистор пропускает ток, а в выключенном – нет. Диэлектрик затвора расположен под электродом затвора. Он предназначен для изоляции затвора, когда ток проходит через транзистор.
Более 40 лет для изготовления диэлектриков затвора транзистора использовался диоксид кремния (благодаря легкости его применения в массовом производстве и возможности постоянного повышения производительности транзисторов за счет уменьшения толщины слоя диэлектрика). Специалистам Intel удалось уменьшить толщину слоя диэлектрика до 1,2 нм (что равнозначно всего 5 атомарным слоям!) – такой показатель был достигнут в 65-нанометровой технологии производства.
Однако дальнейшее уменьшение толщины слоя диэлектрика приводит к усилению тока утечки через диэлектрик, в результате чего растут потери тока и тепловыделение. Рост тока утечки через затвор транзистора по мере уменьшения толщины слоя диэлектрика из диоксида кремния является одним из самых труднопреодолимых технических препятствий на пути следования . Для решения этой принципиальной проблемы корпорация Intel заменила диоксид кремния в диэлектрике затвора на тонкий слой из материала high-k на основе гафния. Это позволило уменьшить ток утечки более чем в 10 раз по сравнению с диоксидом кремния. Материал high-k диэлектрика затвора несовместим с традиционными кремниевыми электродами затвора, поэтому в качестве второй составляющей «рецепта» Intel для ее новых транзисторов, создаваемых на основе 45-нанометрового техпроцесса, стала разработка электродов с применением новых металлических материалов. Для изготовления электродов затвора транзистора применяется комбинация различных металлических материалов.
7. Приведенная в статье хронология создания не претендует на всеобъемлющий охват.
