• 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: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1 THREAD groupSMT group 2, 3 THREAD groupSMT group 4, 5 THREAD groupSMT group 6, 7 THREAD groupSMT group

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.

Модуль поиска не установлен.

Одноядерный или двухъядерный?

Виктор Куц

Самым значимым событием последнего времени в области микропроцессоров стало появление в широком доступе CPU, оснащенных двумя вычислительными ядрами. Переход на двухъядерную архитектуру обусловлен тем, что традиционные методы по увеличению производительности процессоров полностью исчерпали себя - процесс наращивания их тактовых частот в последнее время застопорился.

К примеру, в последний год перед появлением двухъядерных процессоров компания Intel смогла увеличить частоты своих CPU на 400 МГц, а AMD и того меньше - всего лишь на 200 МГц. Другие же методы повышения производительности, такие как увеличение скорости шины и размера кэш-памяти, также утратили былую эффективность. Таким образом, внедрение двухъядерных процессоров, обладающих двумя процессорными ядрами в одном чипе и разделяющими между собой нагрузку, в настоящее время оказалось наиболее логичным шагом на сложном и тернистом пути наращивания производительности современных компьютеров.

Что же представляет собой двухъядерный процессор? В принципе, двухъядерный процессор представляет собой SMP-систему (Symmetric MultiProcessing - симметричная многопроцессорная обработка; термин, обозначающий систему с несколькими равноправными процессорами) и по сути своей не отличается от обыкновенной двухпроцессорной системы, состоящей из двух независимых процессоров. Таким образом, мы получаем все преимущества двухпроцессорных систем без необходимости использования сложных и очень дорогих двухпроцессорных материнских плат.

До этого компанией Intel уже была произведена попытка распараллелить выполняемые инструкции - речь идет о технологии HyperThreading, обеспечивающей разделение ресурсов одного "физического" процессора (кэш, конвейер, исполнительные устройства) между двумя "виртуальными" процессорами. Прирост производительности (в отдельных, оптимизированных для HyperThreading приложениях) при этом составлял примерно 10-20%. Тогда как полноценный двухъядерный процессор, включающий в себя два "честных" физических ядра, обеспечивает прирост производительности системы на все 80-90% и даже больше (естественно, при полном задействовании возможностей обоих его ядер).

Главным инициатором в продвижении двухъядерных процессоров выступила компания AMD, которая в начале 2005 года выпустила первый серверный двухъядерный процессор Opteron. Что касается настольных процессоров, то здесь инициативу перехватила компания Intel, примерно в это же время анонсировавшая процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Правда, анонс аналогичной линейки процессоров Athlon64 X2 производства AMD запоздал всего лишь на считанные дни.

Двухъядерные процессоры Intel

Первые двухъядерные процессоры Intel Pentium D семейства 8хх были основаны на ядре Smithfield, которое является ничем иным, как двумя ядрами Prescott, объединенными на одном полупроводниковом кристалле. Там же размещается и арбитр, который следит за состоянием системной шины и помогает разделять доступ к ней между ядрами, каждое из которых имеет собственную кэш-память второго уровня объемом по 1 Мбайт. Размер такого кристалла, выполненного по 90-нм техпроцессу, достиг 206 кв. мм, а количество транзисторов приближается к 230 миллионам.

Для продвинутых пользователей и энтузиастов компания Intel предлагает процессоры Pentium Extreme Edition, отличающиеся от Pentium D поддержкой технологии HyperThreading (и разблокированным множителем), благодаря чему они определяются операционной системой как четыре логических процессора. Все остальные функции и технологии обоих процессоров полностью одинаковы. Среди них можно выделить поддержку 64-битного набора команд EM64T (x86-64), технологии энергосбережения EIST (Enhanced Intel SpeedStep), C1E (Enhanced Halt State) и TM2 (Thermal Monitor 2), а также функцию защиты информации NX-bit. Таким образом, немалая ценовая разница между процессорами Pentium D и Pentium EE является по большей части искусственной.

Что касается совместимости, то процессоры на ядре Smithfield потенциально могут быть установлены в любую LGA775 материнскую плату, лишь бы она соответствовала требованиям Intel к модулю питания платы.

Но первый блин, как обычно, вышел комом - во многих приложениях (большинство из которых не оптимизированы под многопоточность) двухъядерные процессоры Pentium D не только не превосходили одноядерные Prescott, работающие на той же тактовой частоте, но иногда и проигрывали им. Очевидно, проблема кроется во взаимодействии ядер через процессорную шину Quad Pumped Bus (при разработке ядра Prescott не было предусмотрено масштабирование его производительности путем увеличения количества ядер).

Устранить недостатки первого поколения двухъядерных процессоров Intel были призваны процессоры на 65-нм ядре Presler (два отдельные ядра Cedar Mill, размещенные на одной подложке), появившиеся в самом начале нынешнего года. Более "тонкий" техпроцесс позволил уменьшить площадь ядер и их энергопотребление, а также повысить тактовые частоты. Двухъядерные процессоры на ядре Presler получили наименование Pentium D с индексами 9хх. Если сравнивать процессоры Pentium D 800-й и 900-й серий, то кроме ощутимого снижения энергопотребления новые процессоры получили удвоение кэш-памяти второго уровня (по 2 Мбайт на ядро вместо 1 Мбайт) и поддержку перспективной технологии виртуализации Vanderpool (Intel Virtualization Technology). Кроме того, был выпущен процессор Pentium Extreme Edition 955 с включенной технологией HyperThreading и работающий на частоте системной шины 1066 МГц.

Официально процессоры на ядре Presler с частотой шины 1066 МГц совместимы только с материнскими платами на чипсетах серии i965 и i975X, тогда как 800-мегагерцевые Pentium D в большинстве случаев заработают на всех системных платах, поддерживающих эту шину. Но, опять же, встает вопрос о питании этих процессоров: термопакет Pentium EE и Pentium D, за исключением младшей модели, составляет 130 Вт, что почти на треть больше, чем у Pentium 4. Согласно заявлениям самой Intel, стабильная работа двухъядерной системы возможна лишь при использовании блоков питания мощностью не менее 400 Вт.

Наиболее эффективными современными десктопными двухъядерными процессорами Intel, без сомнения, являются Intel Core 2 Duo и Core 2 eXtreme (ядро Conroe). Их архитектура развивает базовые принципы архитектуры семейства P6, тем не менее, количество принципиальных нововведений столь велико, что впору говорить о новом, 8-м поколении процессорной архитектуры (P8) компании Intel. Несмотря на более низкую тактовую частоту, они заметно превосходят процессоры семейства Р7 (NetBurst) по производительности в подавляющем большинстве применений - в первую очередь за счет увеличения числа операций, выполняемых в каждом такте, а также за счет снижения потерь, обусловленных большой длиной конвейера P7.

Десктопные процессоры линейки Core 2 Duo выпускаются в нескольких вариантах:
- серия E4xxx - FSB 800 МГц, общий для обоих ядер L2-кэш 2 Мбайт;
- серия E6ххх - FSB 1066 МГц, размер кэша 2 или 4 Мбайт;
- серия X6ххх (eXtreme Edition) - FSB 1066 МГц, размер кэша 4 Мбайт.

Буквенный шифр "E" обозначает диапазон энергопотребления от 55 до 75 ватт, "X" - выше 75 ватт. Core 2 eXtreme отличается от Core 2 Duo лишь только повышенной тактовой частотой.

Все процессоры Conroe используют хорошо отработанные процессорную шину Quad Pumped Bus и разъем LGA775. Что, однако, совсем не означает совместимости со старыми материнскими платами. Помимо поддержки тактовой частоты 1067 МГц, материнские платы для новых процессоров должны содержать новый модуль регулирования напряжения (VRM 11). Этим требованиям соответствуют в основном обновленные версии материнских плат, выполненных на базе чипсетов Intel 975 и 965 серий, а также NVIDIA nForce 5xx Intel Edition и ATI Xpress 3200 Intel Edition.

В ближайшие два года процессоры Intel всех классов (мобильные, десктопные и серверные) будут базироваться на архитектуре Intel Core, а основное развитие будет идти в направлении увеличения числа ядер на кристалле и усовершенствования их внешних интерфейсов. В частности, для рынка настольных ПК таким процессором станет Kentsfield - первый четырехъядерный процессор Intel для сегмента высокопроизводительных настольных ПК.

Двухъядерные процессоры AMD

В линейке двухъядерных процессоров AMD Athlon 64 X2 используются два ядра (Toledo и Manchester) внутри одного кристалла, произведенные по 90-нм техпроцессу с использованием технологии SOI. Каждое из ядер Athlon 64 X2 обладает собственным набором исполнительных устройств и выделенной кэш-памятью второго уровня, контроллер памяти и контроллер шины HyperTransport у них общие. Различия между ядрами - в размере кэша второго уровня: у Toledo кэш L2 имеет объем 1 Мбайт на каждое ядро, а у Manchester этот показатель вдвое меньше (по 512 Кбайт). Все процессоры имеют кэш-память первого уровня 128 Кбайт, их максимальное тепловыделение не превышает 110 Вт. Ядро Toledo состоит примерно из 233,2 млн. транзисторов и имеет площадь около 199 кв. мм. Площадь ядра Manchester заметно меньше - 147 кв. мм., количество транзисторов составляет 157 млн.

Двухъядерные процессоры Athlon64 X2 унаследовали от Athlon64 поддержку технологии энергосбережения Cool`n`Quiet, набор 64-битных расширений AMD64, SSE - SSE3, функцию защиты информации NX-bit.

В отличие от двухъядерных процессоров Intel, работающих только с памятью DDR2, Athlon64 Х2 способны работать как с памятью типа DDR400 (Socket 939), обеспечивающей предельную пропускную способность в 6,4 Гбайт/с, так и с DDR2-800 (Socket AM2), пиковая пропускная способность которой составляет 12,8 Гбайт/с.

На всех достаточно современных материнских платах процессоры Athlon64 X2 работают без каких-либо проблем - в отличие от Intel Pentium D они не предъявляют каких-либо специфических требований к дизайну модуля питания материнской платы.

До самого последнего времени наиболее производительными среди десктопных процессоров считались AMD Athlon64 X2, однако с выходом Intel Core 2 Duo ситуация в корне изменилась - последние стали безусловными лидерами, особенно в игровых и мультимедийных применениях. Кроме того, новые процессоры Intel имеют пониженное энергопотребление и гораздо более эффективные механизмы управления питанием.

Такое положение дел компанию AMD не устроило, и в качестве ответного хода она анонсировала выпуск в середине 2007 года нового 4-ядерного процессора с улучшенной микроархитектурой, известного под названием K8L. Все его ядра будут иметь раздельные L2-кэши по 512 Кбайт и один общий кэш 3-го уровня размером 2 Мбайта (в последующих версиях процессора L3-кэш может быть увеличен). Более подробно перспективная архитектура AMD K8L будет рассмотрена в одном из ближайших номеров нашего журнала.

Одно ядро или два?

Даже беглый взгляд на сегодняшнее состояние рынка десктопных процессоров свидетельствует о том, что эпоха одноядерных процессоров постепенно уходит в прошлое - оба ведущих мировых производителя перешли на выпуск в основном мультиядерных процессоров. Однако программное обеспечение, как это не раз случалось и раньше, пока что отстает от уровня развития "железа". Ведь для того чтобы полностью задействовать возможности несколько процессорных ядер, программное обеспечение должно уметь "разбиваться" на несколько параллельных потоков, обрабатываемых одновременно. Только при таком подходе появляется возможность распределить нагрузки по всем доступным вычислительным ядрам, снижая время вычислений сильнее, чем это можно было сделать путем повышения тактовой частоты. Тогда как подавляющее большинство современных программ не способны использовать все возможности, предоставляемые двухъядерными или, тем более, многоядерными процессорами.

Какие же типы пользовательских приложений наиболее эффективно поддаются распараллеливанию, то есть без особой переработки кода программ позволяют выделить несколько задач (программных потоков), способных исполняться параллельно и, таким образом, загрузить работой сразу несколько процессорных ядер? Ведь только такие приложения обеспечивают сколь-нибудь заметное увеличение производительности от внедрения многоядерных процессоров.

Наибольший выигрыш от мультипроцессорности получают приложения, изначально допускающие естественную паралеллизацию вычислений с разделением данных, например, пакеты реалистичного компьютерного рендеринга - 3DMax и ему подобные. Также можно ожидать хорошего прироста производительности от многопроцессорности в приложениях по кодированию мультимедийных файлов (аудио и видео) из одного формата в другой. Кроме того, хорошо поддаются распараллеливанию задачи редактирования двумерных изображений в графических редакторах вроде популярного Photoshop"а.

Недаром приложения всех перечисленных выше категорий широко используются в тестах, когда хотят показать преимущества виртуальной многопроцессорности Hyper-Threading. А уж о реальной многопроцессорности и говорить нечего.

А вот в современных трехмерных игровых приложениях какого-либо серьезного прироста скорости от нескольких процессоров ожидать не следует. Почему? Потому, что типичную компьютерную игру так просто не распараллелить на два или более процессов. Поэтому второй логический процессор в лучшем случае будет заниматься выполнением лишь вспомогательных задач, что не даст практически никакого прироста производительности. А разработка многопоточной версии игры с самого начала достаточно сложна и требует немалых трудозатрат - порой гораздо больших, чем для создания однопоточной версии. Трудозатраты эти, кстати, могут еще и не окупиться с экономической точки зрения. Ведь производители компьютерных игр традиционно ориентируются на наиболее массовую часть пользователей и начинают использовать новые возможности компьютерного "железа" только в случае его широкой распространенности. Это хорошо заметно на примере использования разработчиками игр возможностей видеокарт. Например, после того как появилась новые видеочипы с поддержкой шейдерных технологий, разработчики игр еще долгое время игнорировали их, ориентируясь на возможности урезанных массовых решений. Так что даже продвинутые игроки, купившие самые "навороченные" видеокарты тех лет, так и не дождались нормальных игр, использующих все их возможности. Примерно аналогичная ситуация с двухъядерными процессорами наблюдается сегодня. Сегодня не так много игр, толком задействующих даже технологию HyperThreading, несмотря на то, что уже не один год вовсю выпускаются массовые процессоры с ее поддержкой.

В офисных приложениях ситуация не столь однозначная. Прежде всего, программы такого класса редко работают в одиночку - гораздо чаще встречается ситуация, когда на компьютере запущено нескольких работающих параллельно офисных приложений. Например, пользователь работает с текстовым редактором, и одновременно происходит загрузка web-сайта в браузер, а также в фоновом режиме осуществляется сканирование на вирусы. Очевидно, что несколько работающих приложений позволяют без особого труда задействовать несколько процессоров и получить прирост производительности. Тем более что все версии Windows XP, включая Home Edition (которой изначально было отказано в поддержке мультиядерных процессоров), уже сейчас способны использовать преимущества двухъядерных процессоров, распределяя программные потоки между ними. Обеспечивая тем самым высокую эффективность исполнения многочисленных фоновых программ.

Таким образом, можно ожидать некоторого эффекта даже от неоптимизированных офисных приложений, если они запускаются параллельно, но вот стоит ли такой прирост производительности существенного увеличения стоимости двухъядерного процессора, понять сложно. Кроме того, определенным недостатком двухъядерных процессоров (особенно это касается процессоров Intel Pentium D) является то, что приложения, производительность которых ограничена не вычислительной способностью самого процессора, а скоростью доступа к памяти, могут не так сильно выиграть от наличия нескольких ядер.

Заключение

Несомненно, что будущее определенно за многоядерными процессорами, однако сегодня, когда большая часть существующего программного обеспечения не оптимизирована под новые процессоры, достоинства их не столь очевидны, как пытаются показать производители в своих рекламных материалах. Да, чуть позже, когда произойдет резкое увеличение количества приложений, поддерживающих многоядерные процессоры (в первую очередь это касается 3D-игр, в которых CPU нового поколения помогут существенно разгрузить графическую систему), приобретение их будет целесообразно, но сейчас... Давно известно, что покупка процессоров "на вырост" - далеко не самое эффективное вложение средств.

С другой стороны, прогресс стремителен, а для нормального человека ежегодная смена компьютера - это, пожалуй, перебор. Таким образом, всем обладателям достаточно современных систем на базе одноядерных процессоров в ближайшее время волноваться особо не стоит - ваши системы еще какое-то время будут "на уровне", тогда как тем, кто собирается приобрести новый компьютер, мы бы все-таки порекомендовали обратить свое внимание на относительно недорогие младшие модели двухъядерных процессоров.

Наверное, каждый пользователь мало знакомый с компьютером сталкивался с кучей непонятных ему характеристик при выборе центрального процессора: техпроцесс, кэш, сокет; обращался за советом к друзьям и знакомым, компетентным в вопросе компьютерного железа. Давайте разберемся в многообразии всевозможных параметров, потому как процессор – это важнейшая часть вашего ПК, а понимание его характеристик подарит вам уверенность при покупке и дальнейшем использовании.

Центральный процессор

Процессор персонального компьютера представляет собой микросхему, которая отвечает за выполнение любых операций с данными и управляет периферийными устройствами. Он содержится в специальном кремниевом корпусе, называемом кристаллом. Для краткого обозначения используют аббревиатуру — ЦП (центральный процессор) или CPU (от англ. Central Processing Unit – центральное обрабатывающее устройство). На современном рынке компьютерных комплектующих присутствуют две конкурирующие корпорации, Intel и AMD , которые беспрестанно участвуют в гонке за производительность новых процессоров, постоянно совершенствуя технологический процесс.

Техпроцесс

Техпроцесс — это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь, составляют внутреннюю основу ЦП. Суть заключается в том, что постоянное совершенствование методики изготовления позволяет уменьшать размер этих компонентов. В результате на кристалле процессора их размещается гораздо больше. Это способствует улучшению характеристик CPU, поэтому в его параметрах всегда указывают используемый техпроцесс. Например, Intel Core i5-760 выполнен по техпроцессу 45 нм, а Intel Core i5-2500K по 32 нм, исходя из этой информации, можно судить о том, насколько процессор современен и превосходит по производительности своего предшественника, но при выборе необходимо учитывать и ряд других параметров.

Архитектура

Также процессорам свойственно такая характеристика, как архитектура - набор свойств, присущий целому семейству процессоров, как правило, выпускаемому в течение многих лет. Говоря другими словами, архитектура – это их организация или внутренняя конструкция ЦП.

Количество ядер

Ядро – самый главный элемент центрального процессора. Оно представляет собой часть процессора, способное выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им новые имена (к примеру, ядро процессора AMD – Zambezi, а Intel – Lynnfield). С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных видеоигр и т.д. Например, линейки процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad от Intel, в которых используются двухъядерные и четырехъядерные ЦП, соответственно. На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю ПК.

Частота

Помимо количества ядер на производительность влияет тактовая частота . Значение этой характеристики отражает производительность CPU в количестве тактов (операций) в секунду. Еще одной немаловажной характеристикой является частота шины (FSB – Front Side Bus) демонстрирующая скорость, с которой происходит обмен данных между процессором и периферией компьютера. Тактовая частота пропорциональна частоте шины.

Сокет

Чтобы будущий процессор при апгрейде был совместим с имеющейся материнской платой, необходимо знать его сокет. Сокетом называют разъем , в который устанавливается ЦП на материнскую плату компьютера. Тип сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора. Различные сокеты соответствуют определенным типам CPU, таким образом, каждый разъём допускает установку процессора определённого типа. Компания Intel использует сокет LGA1156, LGA1366 и LGA1155, а AMD — AM2+ и AM3.

Кэш

Кэш - объем памяти с очень большой скоростью доступа, необходимый для ускорения обращения к данным, постоянно находящимся в памяти с меньшей скоростью доступа (оперативной памяти). При выборе процессора, помните, что увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность большинства приложений. Кэш центрального процессора различается тремя уровнями (L1, L2 и L3 ), располагаясь непосредственно на ядре процессора. В него попадают данные из оперативной памяти для более высокой скорости обработки. Стоит также учесть, что для многоядерных CPU указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного ядра. Кэш второго уровня выполняет аналогичные функции, отличаясь более низкой скоростью и большим объемом. Если вы предполагаете использовать процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша второго уровня будет предпочтительнее, учитывая что для многоядерных процессоров указывается суммарный объем кэша L2. Кэшем L3 комплектуются самые производительные процессоры, такие как AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может достигать 30 Мб.

Энергопотребление

Энергопотребление процессора тесно связано с технологией его производства. С уменьшением нанометров техпроцесса, увеличением количества транзисторов и повышением тактовой частоты процессоров происходит рост потребления электроэнергии CPU. Например, процессоры линейки Core i7 от Intel требуют до 130 и более ватт. Напряжение подающееся на ядро ярко характеризует энергопотребление процессора. Этот параметр особенно важен при выборе ЦП для использования в качестве мультимедиа центра. В современных моделях процессоров используются различные технологии, которые помогают бороться с излишним энергопотреблением: встраиваемые температурные датчики, системы автоматического контроля напряжения и частоты ядер процессора, энергосберегающие режимы при слабой нагрузке на ЦП.

Дополнительные возможности

Современные процессоры приобрели возможности работы в 2-х и 3-х канальных режимах с оперативной памятью, что значительно сказывается на ее производительности, а также поддерживают больший набор инструкций, поднимающий их функциональность на новый уровень. Графические процессоры обрабатывают видео своими силами, тем самым разгружая ЦП, благодаря технологии DXVA (от англ. DirectX Video Acceleration – ускорение видео компонентом DirectX). Компания Intel использует вышеупомянутую технологию Turbo Boost для динамического изменения тактовой частоты центрального процессора. Технология Speed Step управляет энергопотреблением CPU в зависимости от активности процессора, а Intel Virtualization Technology аппаратно создает виртуальную среду для использования нескольких операционных систем. Также современные процессоры могут делиться на виртуальные ядра с помощью технологии Hyper Threading . Например, двухъядерный процессор способен делить тактовую частоту одного ядра на два, что способствует высокой производительности обработки данных с помощью четырех виртуальных ядер.

Размышляя о конфигурации вашего будущего ПК, не забывайте про видеокарту и ее GPU (от англ. Graphics Processing Unit – графическое обрабатывающее устройство) – процессор вашей видеокарты, который отвечает за рендеринг (арифметические операции с геометрическими, физическими объектами и т.п.). Чем больше частота его ядра и частота памяти, тем меньше будет нагрузки на центральный процессор. Особенное внимание к графическому процессору должны проявить геймеры.

В чем преимущество двухъядерных процессоров?

При покупке ноутбука вы наверняка заметили, что на некоторых из них есть ярлыки: "Intel Core 2 Duo " или "AMD Turion 64 x2". Эти ярлыки указывают на то, что ноутбуки созданы на основе двухъядерной технологии обработки данных.

Двухъядерные процессоры

Двухъядерные процессоры относятся к типу систем, состоящих из двух независимых процессорных ядер, объединенных в одной интегральной схеме (ИС) или, как говорят профессионалы, в единый кристалл. Такие системы совмещают два ядра в одном процессоре. Аналогичная технология впервые была применена к персональному компьютеру и к домашней игровой консоли, но очень скоро ее приспособили к мобильной компьютерной среде. Ноутбуки с подобной технологией есть у компаний AMD и Intel.

Двухъядерные процессоры имеют другую структуру, в отличие от сдвоенных одноядерных. Они относятся к системе, где два процессора объединены в одной интегральной схеме. А сдвоенные одноядерные процессоры, в свою очередь, относятся к системе, где два независимых процессора (у каждого имеется собственная матрица) напрямую подключены к материнской плате.

Каждый из процессоров в двухъядерной системе имеет встроенную кэш-память (первичная кэш-память), что дает им собственный потенциал для быстрого и эффективного восстановления и обработки часто используемых команд. Кроме этого, на той же интегральной схеме находится кэш-память второго уровня. Вторичная кэш-память на чипсете Intel"s Mobile Core 2 Duo делится между собой двумя процессорами. В чипсете Turion AMD 64x2 каждый из двух процессоров имеет выделенную кэш-память - по 512 КБ на каждое ядро. Кэш-память второго уровня - это резерв на случай, если первичной окажется недостаточно.

Преимущества двухъядерной технологии

Самые важные преимущества подобных процессоров - скорость и эффективность. Обработка команд и поиск данных осуществляются двумя процессорами; таким образом, достигается большая производительность без нагревания процессоров. То, что эти два процессора имеют свою собственную легко доступную первичную кэш-память, также гарантирует быструю работоспособность. Кроме того, особенно в случае с Intel Core 2 Duo, где вторичный кэш разделен, вся вторичная кэш-память может быть использована или одним, или обоими процессорами одновременно, если в этом возникнет необходимость.

В двух словах, ноутбук, имеющий двухъядерный процессор, быстрее работает и меньше нагревается и при этом имеет улучшенный многозадачный режим. Двухъядерные процессоры потребляют меньше электроэнергии, чем сдвоенные одноядерные.

Еще одно преимущество использования двухъядерных процессоров в ноутбуках – меньший вес и размер, что делает портативный компьютер более удобным, одновременно обеспечивая производительность, как у ПК.

Важно отметить, что при использовании старых программ, если будете запускать лишь одну программу одновременно, вы не почувствуете никаких преимуществ от двухъядерных процессоров. Старые программы не были разработаны для подобной технологии, таким образом, они в состоянии использовать лишь одно ядро. Однако в этом случае все равно остается преимущество многозадачного режима. Если вы одновременно открываете несколько программ, то процессор с двумя ядрами обеспечит более быструю производительность, чем одноядерный.

Время идет, и все больше разработчиков программного обеспечения создают свои программы с учетом двухъядерных процессоров; таким образом, пользователи в ближайшем будущем смогут ощутить все преимущества подобных процессоров.