Многоядерные архитектуры

Существуют одно- и многоядерные процессоры с параллельным выполнением некоторых операций, встречаются также системы, в которых несколько процессоров работают над одной задачей параллельно. Рассмотрим сначала одноядерный процессор.

«Процессорное ядро» (как правило, для краткости его называют просто «ядро») — это конкретное воплощение (микро)архитектуры (т.е. архитектуры в «аппаратном» смысле), являющееся стандартом для целой серии процессоров. Например, K10 — это микроархитектура, которая лежит в основе многих сегодняшних процессоров AMD: Athlon II, Phenom, Phenom II, Opteron. Микроархитектура задаёт общие принципы: «средний» по длине конвейер, исполнение до трёх команд за такт, предсказание переходов и внеочередное исполнение, и прочие «глобальные» особенности. Ядро — более конкретное воплощение. Например, процессоры микроархитектуры К10 с двумя ядрами, без поддержки многопроцессорности и кэша L3, с шиной HyperTransport частотой в 2 ГГц — это более-менее полное описание ядра Regor для Athlon II.

Можно сказать что «ядро» — это конкретное воплощение определённой микроархитектуры «в кремнии», обладающее (в отличие от самой микроархитектуры) набором строго обусловленных характеристик. Микроархитектура — аморфна, она описывает общие принципы построения процессора. Ядро — микроархитектура, «обросшая» всевозможными параметрами и характеристиками. Чрезвычайно редки случаи, когда процессоры сменяли микроархитектуру, сохраняя название. И, наоборот, практически любое наименование процессора хотя бы несколько раз за время своего существования «меняло» ядро. Например, общее название серии процессоров AMD — «Athlon 64» — это одна микроархитектура (K8), но целых 13 ядер — от Sledgehammer (2003) до Huron (2009). Разные ядра, построенные на одной микроархитектуре, могут иметь в том числе разное быстродействие.

За последнее десятилетие удельная производительность процессоров в пересчете на число транзисторов упала на один-два порядка. Дальнейшее развитие полупроводниковых технологий не может компенсировать неэффективность современных процессоров. Показатели быстродействия процессоров (в частности, тактовые частоты) достигли практически граничных показателей, плотность энергии увеличивается пропорционально уменьшению размеров транзисторов, и, соответственно, увеличиваются проблемы с теплоотводом.

Если нельзя использовать все возможности на одном ядре из-за исключительной сложности такого ядра, то следует пойти по пути увеличения числа ядер. Именно так поступили в Sun Microsystems, выпустив 8-ядерный процессор. Niagara. Сторонники EPIC-подхода также склонились к многоядерному решению. На форуме IDF осенью 2004 года Пол Отеллини, генеральный директор Intel, заявил: Мы связываем наше будущее с многоядерными продуктами; мы верим, что это ключевая точка перегиба для всей индустрии.

Можно говорить о двух заметно разнящихся между собой тенденциях в процессе увеличения числа ядер.

· Мультиядерность (multi-core). В этом случае предполагается, что ядра являются высокопроизводительными и их относительно немного; сейчас их число — два-четыре. Основных недостатков этого подхода два: первый — высокое энергопотребление, второй — высокая сложность чипа и, как следствие, низкий процент выхода готовой продукции. При производстве 8-ядерного процессора IBM Сell только 20% производимых кристаллов являются годными.

· Другой путь — многоядерность (many-core). В таком случае на кристалле собирается на порядок большее число ядер, но имеющих более простую структуру и потребляющих миливатты мощности. Сейчас количество ядер варьируется от 40 до 200, можно ожидать появления процессоров с тысячами и десятками тысяч ядер.

Многоядерные процессоры, если все сводится к размещению большего числа простых ядер на одной подложке, нельзя воспринимать как решение всех проблем. Многоядерные процессоры чрезвычайно сложно программировать, они могут быть эффективны только на приложениях, обладающих естественной многопоточностью.

IBM предлагает архитектуру Power7, которая приходит на смену Power6, предназначавшейся для Unix-серверов корпорации. Архитектура Power7 является для IBM заметным шагом вперед. От 2 ядерных моделей корпорация переходит к 4, 6 и 8 ядрам, и каждое из них способно выполнять четыре потока команд одновременно. Процессоры Power7 должны выйти в 2010. Они будут изготавливаться по 45-нанометровому технологическому процессу и, как утверждают в IBM, их можно будет устанавливать в нынешних серверах моделей Power 570 и Power 595.

Fujitsu представляет 8 ядерный процессор SPARC64 — новую версию 4-ядерного процессора SPARC64 VII. Процессоры SPARC64 используются в серверах Fujitsu и Sun Microsystems.

AMD применяет в блейд-серверах процессоры Magny-Cours. Это 12-ядерные процессоры, которые объединяют на одной микросхеме два 6 ядерных процессора, соединенных шиной AMD Hyper Transport. Название им взяли у известной гоночной трассы во Франции. Выход Magny-Cours запланирован на 2010.

Intel работает над 8 ядерными двухпоточными процессорами Nehalem-EX, выход которых назначен на 2010. Ожидается появление Tukwila — 4-ядерной версии процессора Itanium.

Но вопрос в том, в какой степени современное программное обеспечение — и, следовательно, конечные пользователи — способно использовать возможности многоядерных процессоров. Приложения должны быть написаны так, чтобы решаемые ими задачи можно было разбивать на подзадачи, выполняемые на нескольких ядрах параллельно.

Дата добавления: 2014-10-17