Эра многоядерных энергоэффективных процессоров

Технология Hyper-Threading

При использовании технологии Hyper-Threading в компьютере появляется два логических процессора, хотя реально имеется только один. Теперь процессор в теории может выполнять одновременно сразу две команды или обрабатывать две порции данных, но, правда, с определенными ограничениями. Технология Hyper-Threading использует тот факт, что в современном процессоре существует 7-9 отдельных блоков, которые обрабатывают определенный тип данных или команд. Если один блок занят работой, то остальные ничего не делают, пока не закончится текущая работа. Соответственно, если программа написана с учетом возможности использования технологии Hyper-Threading, то процессор может одновременно выполнять сразу два дела. Но так, увы, обстоит не всегда, поэтому серьезный выигрыш от использования этой технологии получается в отдельных задачах, а вот проигрыш от лишних операций бывает куда чаще, т.к. процессору приходится постоянно решать: можно ли выполнить команды параллельно или они должны идти последовательно.

Рис. Технология Hyper-Threading.

Если в двухъядерном процессоре присутствует еще и технология Hyper-Threading, то пользователь увидит 4 логических процессора, которые, в идеале, могут обрабатывать сразу четыре команды.

Производительность процессора прямо пропорциональна как тактовой частоте, так и количеству инструкций, выполняемых за один такт (Instruction Per Clock, IPC). Из этой формулы также следует, что существует два принципиально разных подхода к увеличению производительности процессора. Первый из них заключается в увеличении тактовой частоты, а второй — в увеличении IPC.

На практике, как правило, реализуются оба подхода одновременно, то есть производительность процессора увеличивается за счет как масштабирования тактовой частоты, так и увеличения IPC. Вопрос лишь в том, какой из двух подходов является доминирующим. Кроме того, забегая вперед, отметим, что IPC и максимально возможная тактовая частота процессора взаимосвязаны.

Из истории развития десктопных процессоров Intel понятно, что до недавнего времени доминирующим средством увеличения производительности процессора являлось масштабирование тактовой частоты. Производительность процессоров буквально отождествлялась с их тактовой частотой, а микроархитектура создавалась именно с расчетом обеспечения ее максимально возможного масштабирования. Примером этого может служить микроархитектура Intel NetBurst, положенная в основу процессоров семейства Pentium 4, особенностью которой является супердлинный конвейер, что позволяет наращивать тактовую частоту. Дабы не рассматривать микроархитектуру Intel NetBurst детально, поясним это на ассоциативном примере. Предположим, что необходимо собрать несколько ПК, что может выполнить один человек, затратив определенное время. Однако эту же работу можно поручить нескольким людям, организовав их труд по схеме конвейера, когда каждый из них выполняет определенную операцию на конвейере, а собираемые системные блоки движутся по ленте транспортера от одного сборщика к другому. Понятно, что чем больше человек занято на конвейере (число ступеней конвейера), тем меньший объем работы выполняет каждый из них, а следовательно, тем быстрее сможет двигаться конвейер.

По аналогичной схеме работает и процессор. При этом скорость работы конвейера можно ассоциировать с тактовой частотой процессора, а время, отводимое на совершение операций на каждой ступени конвейера, — с тактом процессора.

Если вспомнить наш ассоциативный пример с конвейерной сборкой ПК, становится понятно, что чем больше ступеней у конвейера, тем меньше работы выполняется на каждой ступени и, следовательно, тем меньше времени требуется для прохождения командой данной ступени. А поскольку каждая ступень выполняется за один такт, длинные конвейеры позволяют повышать тактовую частоту процессора, что невозможно в случае коротких конвейеров. Из этого следует, что длина конвейера тесно связана с максимальной тактовой частотой, на которой может работать процессор. В то же время длина конвейера является одним из параметров, определяющих IPC, — чем больше ступеней в конвейере (при прочих равных условиях), тем меньше инструкций выполняется процессором на каждом такте. Таким образом, мы приходим к еще одному важному выводу: длина конвейера связана и с тактовой частотой процессора, и с IPC, следовательно, максимальная тактовая частота связана с IPC, причем чем выше IPC, тем ниже максимально возможная тактовая частота и наоборот.

Всякий процессор в конечном счете должен быть сконструирован таким образом, чтобы за минимальное время выполнять максимальное количество инструкций. Ведь именно скорость выполнения процессором инструкций и определяет его производительность.

Дата добавления: 2014-01-06