Многоядерные процессоры что это такое

Многоядерный процессор

Многоя́дерный проце́ссор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Содержание

Архитектура многоядерных систем

Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки когерентности кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без неё.

Способ связи между ядрами:

  • разделяемая шина
  • сеть (Mesh) на каналах точка-точка
  • сеть с коммутатором
  • общая кеш-память

Кеш-память: Во всех существующих на сегодня многоядерных процессорах кеш-памятью 1-го уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кеш-память 2-го уровня существует в нескольких вариантах:

  • разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core.
  • индивидуальная — отдельные кеши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кешей 2-го уровня между ядрами осуществляется через контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался в Pentium D, в дальнейшем Intel отказалась от такого подхода).

Производительность

В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается прирост производительности на многоядерном процессоре. Однако, если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. Это в основном приложения, разработанные до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не использующие многопоточность.

Большинство операционных систем позволяют выполнять несколько приложений одновременно. При этом получается выигрыш в производительности даже если приложения однопоточные.

Наращивание количества ядер

На сегодня основными производителями процессоров — Intel и AMD дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности.

В 2011 году освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров, [1] и 16-ядерных для серверных систем. [2]

Имеются экспериментальные разработки процессоров с большим количеством ядер (более 20). Некоторые из таких процессоров уже нашли применение в специфических устройствах.

История массовых многоядерных процессоров

Двухядерные процессоры различных архитектур существовали ранее, например IBM PowerPC-970MP (G5), но их использование было ограничено узким кругом специализированных применений.

В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64, предназначенный для серверов. В мае 2005 года Intel выпустила процессор Pentium D архитектуры x86-64, ставший первым 2-ядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров.

В марте 2010 года появились первые 12-ядерные серийные процессоры, которыми стали серверные процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x86/x86-64). [3]

В августе 2011 года компанией AMD были выпущены первые 16-ядерные серийные серверные процессоры Opteron серии 6200 (кодовое наименование Interlagos). Процессор Interlagos объединяет в одном корпусе два 8-ядерных (4-модульных) чипа и является полностью совместимым с существующей платформой AMD Opteron серии 6100 (Socket G34). [4]

Сводные данные по истории микропроцессоров и их параметров представлены в обновляющейся английской статье: Хронология микропроцессоров, 2010ые годы. Для получения числа ядер процессора надо умножить поля «Cores per die» и «Dies per module», для получения числа аппаратных потоков — умножить число ядер на число «threads per core». Например, для Xeon E7, Intel: «4, 6, 8, 10» ядер на 1 die на 1-2 аппаратных потоков = максимум 10 ядер и 20 аппаратных потоков, AMD FX «Bulldozer» Interlagos «4-8» на 2 на 1 = максимум 16 ядер и 16 потоков.

История экспериментальных многоядерных процессоров

27 сентября 2006 года Intel представила прототип 80-ядерного процессора. [5] Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс.

20 августа 2007 года компания Tilera, анонсировала чип TILE64 (англ.) с 64 процессорными ядрами и встроенной высокопроизводительной сетью, посредством которой обмен данными между различными ядрами может происходить со скоростью до 32 Тбит/с. [6] [7]

26 октября 2009 года Tilera анонсировала [8] 100-ядерный процессор широкого назначения серии TILE-Gx (англ.). Каждое процессорное ядро представляет собой отдельный процессор с кеш-памятью 1 и 2 уровней. Ядра, память и системная шина связаны посредством топологии mesh network. Процессоры производятся по 40-нм техпроцессу и работают на тактовой частоте 1,5 ГГц. Выпуск 100-ядерных процессоров назначен на начало 2011 года.

2 декабря 2009 года Intel представила одночиповый «облачный» Single-chip Cloud Computer (SCC) компьютер, представляющий собой 48-ядерный чип. «Облачность» процессора состоит в том, что все 48 ядер сообщаются между собой как сетевые узлы. SCC — часть проекта, целью которого является создание 100-ядерного процессора. Ожидается, что некоторые функции SCC появятся в серийных процессорах Intel в 2010 году. [9]

В июне 2011 года Intel раскрыла детали разрабатываемой архитектуры Many Integrated Core (MIC) — эта технология выросла из проекта Larrabee. Микропроцессоры на основе этой архитектуры получат более 50 микроядер архитектуры x86 и начнут производится в 2012 году по 22-нм техпроцессу. Эти микропроцессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора, но из нескольких чипов этой архитектуры будут строиться вычислительные ускорители в виде отдельной карты расширения и конкурировать на рынках GPGPU и высокопроизводительных вычислений с решениями типа Nvidia Tesla и AMD FireStream. [10] По опубликованному в 2012 году описанию архитектуры, возможны чипы с количеством ядер до 60.

В октябре 2011 года компания Adapteva представила 64-ядерные микропроцессоры Epiphany IV, которые показывают производительность до 70 гигафлопс, при этом потребляя менее 1 Вт электроэнергии. Микропроцессоры спроектированы с использованием RISC-архитектуры и начнут массово производится в начале 2012 года по 28-нм техпроцессу. Данные процессоры не могут быть использованы в качестве центрального процессора, но компания Adapteva предлагает использовать их в качестве сопроцессора для таких сложных задач, как распознавание лиц или жестов пользователя. Компания Adapteva утверждает, что в дальнейшем число ядер данного микропроцессора может быть доведено до 4096 [11] .

Читайте также:  Частота ядер процессора как узнать

В январе 2012 года компания ZiiLabs (дочернее предприятие Creative Technology) анонсировала 100-ядерную систему на чипе ZMS-40. Эта система, объединяющая 4-ядерный процессор ARM Cortex-A9 1,5 ГГц (с мультимедийными блоками Neon) и массив из 96 более простых и менее универсальных вычислительных ядер StemCell. Ядра StemCell — это энергоэффективная архитектура SIMD, пиковая производительность при вычислениях с плавающей запятой (32 бит) — 50 гигафлопс, ядра которой работают скорее как GPU в других системах на чипе, и могут быть использованы для обработки видео, изображений и аудио, для ускорения 3D- и 2D-графики и других мультимедийных задач (поддерживается OpenGL ES 2.0 и OpenCL 1.1) [12] .

Многоядерные контроллеры

Существует также тенденция внедрения многоядерных микроконтроллеров в мобильные устройства.

Источник



Нужна ли многоядерность?

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 обращенная 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.

Что такое многоядерный процессор

Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Для чего нужна многоядерность

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 ПК, 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 большую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций.

Архитектура многоядерных систем

Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки когерентности (общей) кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без неё.

Способ связи между ядрами: разделяемая шина сеть (Mesh) на каналах точка-точка сеть с коммутатором общая Кеш-память

Читайте также:  8 ядерный Core i9 11900K достигает пиковых значений 400 Вт энергопотребления в некоторых задачах

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 многоядерных 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 нечетное (для процессоров с нечетным количеством ядер) количество потоков;

Преимущества многоядерных процессоров

• возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;

• увеличение скорости работы программ;

• процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;

• более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видеоредакторов);

• работа пользователя ПК становится более комфортной;

Недостатки многоядерных процессоров

• возросшая себестоимость производства многоядерных процессоров (по сравнению с одноядерными) заставляет чипмейкеров увеличивать их стоимость, а это отчасти сдерживает спрос;

• так как с оперативной памятью одновременно работают сразу два и более ядра, необходимо «научить» их работать без конфликтов;

• возросшее энергопотребление требует применения мощных схем питания;

• требуется более мощная система охлаждения;

• количество оптимизированного под многоядерность программного обеспечения ничтожно мало (большинство программ рассчитаны на работу в классическом одноядерном режиме, поэтому они просто не могут задействовать вычислительную мощь дополнительных ядер);

• операционные системы, поддерживающие многоядерные процессоры (например, Windows XP SP2 и выше) используют вычислительные ресурсы дополнительных ядер для собственных системных нужд;

Следует признать, что в настоящее время многоядерные процессоры используются крайне неэффективно. Кроме того, на практике n-ядерные процессоры не производят вычисления в n раз быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он во многом зависит от типа приложения. У программ, которые не рассчитаны на работу с многоядерными процессорами, быстродействие увеличивается всего на 5%. А вот оптимизированные под многоядерные процессоры программы работают быстрее уже на 50%.

Источник

Многоядерные процессоры: принципы работы

Многоядерные процессоры: принципы работы

Многоядерные процессоры представляют собой центральные процессоры, в которых содержится более двух вычислительных ядер. Такие ядра могут находиться как в одном корпусе, так и на одном процессорном кристалле.

Что такое многоядерный процессор?

Чаще всего под многоядерными процессорами понимают центральные процессоры, в которых несколько вычислительных ядер интегрированы в одну микросхему (то есть они расположены на одном кристалле кремния).

Обычно тактовая частота в многоядерных процессорах намеренно занижается. Это делают для того, чтобы сократить энергопотребление, сохранив при этом требуемую производительность процессора. Каждое ядро при этом представляет собой полноценный микропроцессор, для которого характерны черты всех современных процессоров — он использует многоуровневый кэш, поддерживает внеочередное исполнение кода и векторные команды.

Hyper-threading

Ядра в многоядерных процессорах могут поддерживать технологию SMT, позволяющую исполнять несколько потоков вычислений и создавать на основе каждого ядра несколько логических процессоров. На процессорах, которые выпускает компания Intel, такая технология называется «Hyper-threading». Благодаря ей можно удваивать число логических процессоров по сравнению с числом физических чипов. В микропроцессорах, поддерживающих эту технологию, каждый физический процессор способен сохранять состояние двух потоков одновременно. Для операционной системы это будет выглядеть, как наличие двух логических процессоров. Если в работе одного из них возникает пауза (например, он ждет получения данных из памяти), другой логический процессор приступает к выполнению собственного потока.

Виды многоядерных процессоров

Многоядерные процессоры подразделяются на несколько видов. Они могут поддерживать использование общей кэш-памяти, а могут не поддерживать. Связь между ядрами реализуется на принципах использования разделяемой шины, сети на каналах точка-точка, сети с коммутатором или использования общего кэша.

Принцип работы

Большинство современных многоядерных процессоров работает по следующей схеме. Если запущенное приложение поддерживает многопоточность, оно может заставлять процессор выполнять несколько заданий одновременно. Например, если в компьютере используется 4-ядерный процессор с тактовой частотой 1.8 ГГц, программа может «загрузить» работой сразу все четыре ядра, при этом суммарная частота процессора будет составлять 7.2 ГГц. Если запущено сразу несколько программ, каждая из них может использовать часть ядер процессора, что тоже приводит к росту производительности компьютера.

Многие операционные системы поддерживают многопоточность, поэтому использование многоядерных процессоров позволяет ускорить работу компьютера даже в случае приложений, которые многопоточность не поддерживают. Если рассматривать работу только одного приложения, то использование многоядерных процессоров будет оправданным лишь в том случае, если это приложение оптимизировано под многопоточность. В противном случае, скорость работы многоядерного процессора не будет отличаться от скорости работы обычного процессора, а иногда он будет работать даже медленнее.

Источник

Многоядерность процессора или характеристика количества ядер

На первых порах развития процессоров, все старания по повышению производительности процессоров были направлены в сторону наращивания тактовой частоты , но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.

Многоядерные процессоры

Ещё буквально 6-7 лет назад, о многоядерности процессоров практически не было слышно. Нет, многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее, но появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров , состоялось лишь в 2005 году, и назывался данный процессор Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерник Opteron от AMD, но для серверных систем.

Читайте также:  Радиаторы для системы питания процессора

В данной статье, мы не будем подробно вникать в исторические факты, а будем обсуждать современные многоядерные процессоры как одну из характеристик CPU. А главное – нам нужно разобраться с тем, что же даёт эта многоядерность в плане производительности для процессора и для нас с вами.

Увеличение производительности за счёт многоядерности

Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный у вас в системе, имеет несколько потоков.

Сразу оговорюсь, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).

Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (мы всё очень упростили, дабы понять общую концепцию).

И рассмотрим, что же будет в двух разных случаях:

а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант.

б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.

Нужны ли многоядерные процессоры? Повседневная резонность

При выборе процессора для компьютера (а именно при размышлении о количестве ядер), следует определить основные виды задач, которые он будет выполнять.

Для улучшения знаний в сфере компьютерного железа, можете ознакомится с материалом про сокеты процессоров .

Точкой старта можно назвать двухъядерные процессоры, так как нет смысла возвращаться к одноядерным решениям. Но и двухъядерные процессоры бывают разные. Это может быть не «самый» свежий Celeron, а может быть Core i3 на Ivy Bridge, точно так же и у АМД – Sempron или Phenom II. Естественно, за счёт других показателей производительность у них будет очень отличаться, поэтому нужно смотреть на всё комплексно и сопоставлять многоядерность с другими характеристиками процессоров .

К примеру, у Core i3 на Ivy Bridge, в наличии имеется технология Hyper-Treading, что позволяет обрабатывать 4 потока одновременно (операционная система видит 4 логических ядра, вместо 2-ух физических). А тот же Celeron таким не похвастается.

Но вернемся непосредственно к размышлениям относительно требуемых задач. Если компьютер необходим для офисной работы и серфинга в интернете, то ему с головой хватит двухъядерного процессора.

Когда речь заходит об игровой производительности, то здесь, чтобы комфортно чувствовать себя в большинстве игр необходимо 4 ядра и более. Но тут всплывает та самая загвоздочка: далеко не все игры обладают оптимизированным кодом под 4-ех ядерные процессоры, а если и оптимизированы, то не так эффективно, как бы этого хотелось. Но, в принципе, для игр сейчас оптимальным решением является именно 4-ых ядерный процессор.

8-ми ядерные процессоры

На сегодняшний день, те же 8-ми ядерные процессоры AMD , для игр избыточны, избыточно именно количество ядер, а вот производительность не дотягивает, но у них есть другие преимущества. Эти самые 8 ядер, очень сильно помогут в задачах, где необходима мощная работа с качественной многопоточной нагрузкой. К таковой можно отнести, например рендеринг (просчёт) видео, или же серверные вычисления. Поэтому для таких задач необходимы 6, 8 и более ядер. Да и в скором времени игры смогут качественно грузить 8 и больше ядер, так что в перспективе, всё очень радужно.

Не стоит забывать о том, что остается масса задач, создающих однопоточную нагрузку. И стоит задать себе вопрос: нужен мне этот 8-ми ядерник или нет?

Подводя небольшие итоги, еще раз отмечу, что преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла ( какой процессор лучше для игр? ).

Источник