Основные направления развития микропроцессоров

Современные процессоры AMD и Intel хоть и обеспечивают превосходное быстродействие, а также поддерживают огромное число современных технологий, все еще остаются сильно измененными разработками 10-летней давности. Но обе компании уже объявили о своих намерениях представить ЦП на основе принципиально новых архитектур. У AMD это Bulldozer, у Intel – Nehalem. В этом материале рассматриваются их основные возможности и нововведения, а также дальнейшие перспективы развития рынка микропроцессоров.

Хорошо было 10 лет назад. Компания Intel выпустила процессор Pentium II, в основе которого лежали все идеи, реализованные в Pentium и Pentium Pro, и это было единственное решение для компьютеров из middle-end и high-end сегментов. Для бюджетного сектора предназначались уже морально устаревшие Pentium, а также решения от других компаний, в частности от AMD. Вопроса "Что выбрать: Intel или AMD?" тогда не было. Все знали, что процессоры Intel лучшие и все их рекомендовали к приобретению.

Теперь вопрос выбора стоит немного более остро, хотя число производителей ЦП несколько поубавилось. С одной стороны Intel предлагает более скоростные чипы Core 2 Duo, а с другой каждое их обновление требует смены системной платы, да и их стоимость относительно решений AMD у них повыше. Последние, к слову, обещают быть совместимыми с Socket AM2 платами чуть ли не до 2009 года. Да и на следующей неделе будет представлена обновленная архитектура K8, в народе известная как K10 или K8L.

Тем не менее, все самые современные процессоры AMD и Intel имеют в своей основе наработки 8-10-летней давности. Чипы Core выросли из Pentium M, которые в свою очередь базируются на архитектуре P6, легшей в основу Pentium Pro и последующих разработок. AMD очень преуспела выпустив процессор Athlon, основанный на архитектуре K7. K8 хоть и имеет сильные отличия, однако это всего лишь сильно переработанный K7. Ну а K10 - это эволюционное развитие K8.

Однако и Intel и AMD обещают в ближайшие полтора-два года представить принципиально новые процессорные архитектуры. Междоусобная конкуренция заставила пойти обоих производителей ЦП на этот весьма дорогостоящий шаг. Intel стала говорить об этом еще два года назад, а AMD в этом году объявила о намерении представить новый процессор с высокой интеграцией компонентов. В этой статье мы собрали всю имеющуюся информацию о планах этих компаний касательно готовящегося обновления архитектур.

Развитие микропроцессорной идет по пути постоянного повышения их производительности. Традиционными направлениями являются повышение тактовой частоты работы МП и увеличение количества одновременно выполняемых команд за счет увеличения числа конвейеров (исполнительных устройств) в МП. Однако оба эти направления следует признать экстенсивными, имеющими естественные ограничения.

Повышение тактовой частоты, которое в основном обеспечивается путем увеличения количества ступеней в конвейере, приводит к большим потерям времени при необходимости перезагрузки конвейера вследствие конфликтов по управлению или при переключении на новую задачу. Такое увеличение имеет также и физические ограничения, связанные со схемотехникой кристалла БИС. Ограничения определяются также влиянием накладных расходов при передаче частично обработанной команды на следующую ступень конвейера (значение?t при определении длительности такта). На больших частотах эти расходы становятся соизмеримыми с длительностью обработки на очередном этапе. Во многом это направление исчерпало себя в микропроцессоре Pentium 4, работающем на частотах, близких к 4 ГГц.

Повышение производительности за счет увеличения числа конвейеров в микропроцессоре можно оценить увеличением числа команд, выполняемых программами за такт (IPC - INsTRuctions Per Cycle). Так, для МП Alpha 21264 этот показатель равен 6, столько же микроопераций за такт может выдать Pentium 4. Но это предельные значения, а реальные программные коды, в частности, из-за различных взаимозависимостей, дают гораздо более низкое значение IPC.

В настоящее время для повышения производительности микропроцессоров используется ряд новых подходов, основными из которых являются:

- CMP (Chip Multi ProcessINg) - создание на одном кристалле системы из нескольких микропроцессоров (многоядерность);

- SMT (Simultaneous MultiThreadINg) - многонитевая архитектура;

- EPIC (Explicitly Parallel INsTRuction ComputINg) - вычисления с явным параллелизмом в командах.

Направление CMP обеспечивается возросшими технологическими возможностями, которые позволяют создать на одном кристалле несколько микропроцессоров и организовать их работу по принципу мультипроцессорных систем.

Производители чипов уже не гонятся за частотой, сместив акцент на многоядерную архитектуру, которая позволяет наращивать производительность, сохраняя в приемлемых границах энергопотребление и тепловыделение.

Многоядерные процессоры хорошо приспособлены для требовательных мультимедийных задач, таких как обработка видеозаписей, работы с большими базами данных, одновременное выполнение нескольких ресурсоемких заданий, например, компьютерной игры, записи DVD и загрузки файлов из Интернета.

При таком подходе задача повышения производительности работы отдельных приложений требует распараллеливания последних, то есть проблема перемещается с аппаратного на программный уровень. На данный момент сложности заключаются в том, что большая часть существующего программного обеспечения создавалась без расчета на использование в многоядерных и многопроцессорных конфигурациях. Другими словами, прогресс в области аппаратных средств на какое-то время опередил прогресс в области программного обеспечения.

Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП. Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10 % площади кристалла.

Некоторые микропроцессоры для максимального повышения своей производительности используют оба вышеназванных подхода. Так, компания Sun Microsystems представила новый процессор ULTRaSPARC T2.

Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) - очень длинного командного слова.

Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле.

Использование технологии Hyper Threading в современных микропроцессорах

Hyper-threading (HTT) — это торговая марка компании Intel для реализации технологии «одновременной мультипоточности» на микроархитектуре Pentium 4. Расширенная форма суперпоточности, впервые появившаяся в процессорах Intel Xeon и позднее добавленная в процессоры Pentium 4. Эта технология увеличивает производительность процессора при определённых рабочих нагрузках путём предоставления «полезной работы» исполнительным устройствам (англ. execution units), которые иначе будут бездействовать; к примеру, в случаях кэш-промаха. Процессоры Pentium 4 с включённым Hyper-threading операционная система определяет как два разных процессора вместо одного.

Преимущества Hyper-threading представлены как:

- улучшенная поддержка многопоточного кода, позволяя запускать потоки одновременно;

- улучшена реакция и время отклика; увеличено количество пользователей, которое может поддерживать сервер.

Уже на данный момент виден прогресс в производстве микропроцессоров, тактовые частоты уже дошли до своего максимума и стал совершенствоваться параллелизм, повышается качество техпроцесса и, тем самым, понижается стоимость, потребляемая мощность и повышается производительность. Предполагается что и в дальнейшем прогресс в производстве и совершенствовании не будет стоять на месте и через 3-4 года мы увидим 50-100 ядерные микропроцессоры со встроенными многими аппаратными функциями, интеллектуальным использованием ядер и меньшим энергопотреблением. Также в ближайшем будущем (1-2 года) увидят свет гибридные микропроцессоры со встроенным видеоядром, что позволит существенно повысить производительность (видеоядро будет участвовать в процессе обработки данных самим микропроцессором а также будет более быстрым обмен данный между видеоядром и самим микропроцессорам, так как они будут на одном кристалле) и сэкономить на модернизации системы (вместо того чтобы покупать и микропроцессор и видеокарту, достаточно лишь будет купить более современный гибридный микропроцессор).

Но нельзя оставлять без внимания и сам прогресс. Каждый день ученые выдвигают совершенно новые теории и совершают прорывы в производстве микропроцессоров и ЭВМ. Невозможно точно предугадать куда в дальнейшем пойдет прогресс, какие новые технологии будут изобретены и применены. Возможно свет увидят технологии, о которых не было слышно до сегодняшнего дня. Также IT гиганты и более мелкие фирмы ведут свои, засекреченные разработки, которые не освящаются в средствах массовой информации. Таким образом можно выдвигать лишь догадки и теории о том в какую сторону пойдет индустрия и что можно будет ждать нас дальше. Что же будет в реальности сможет показать лишь время.

Современная полупроводниковая промышленность вплотную приблизилась к своим физическим пределам, и дальнейшее соблюдение закона Мура становится невозможным. Вызвано это не только атомарной природой вещества и, соответственно, невозможностью дальнейшего «утончения» технологического процесса производства интегральных схем, но и принципом Ландауэра, согласно которому с ростом вычислительной мощи логической схемы пропорционально увеличивается количество выделяемого тепла.

В ближайшие 10-20 лет, скорее всего, изменится материальная часть процессоров ввиду того, что технологический процесс достигнет физических пределов производства.

Дата добавления: 2014-12-27