Многоядерные процессоры

Третий класс составляют процессоры, выпускаемые такими промышленными гигантами, как AMD, Intel, Sun.

Среди вышеперечисленных к асимметричным можно отнести процессоры AsAP, Cell, МС-∗, NVCom-01. Остальные процессоры имеют однотипные ядра.

Классификация многоядерных процессоров Архитектуры MIMD SIMD (потоковые) SMP SEAforth, Tile, Larrabee, Opteron, Nehalem, Ultra Sparc, 1891ВМ3, ARM MPCore G80, CSX700 AMP Cell, AsAP, МС-∗, NVCom-01 Произведем сравнение их характеристик по следующим показателям: разрядность, производительность, потребляемая мощность, стоимость, размеры, классы задач, на которые рассчитаны. Безусловно, данное сравнение не вполне корректно, так как даст только абсолютные или пиковые показатели процессоров, безотносительно к задачам или тестам, однако оно даст общую картину — своего рода срез.

Сравнительные характеристики производительности процессоров, потребляемой мощности и скоростей обмена данными представлены в следующих таблицах.

Производительность многоядерных процессоров Процессор Количество ядер Млн. операций в сек. (общ.) МФлопс (общее) Кол-во потоков на ядро Потребляемая мощность, Вт SEAforth40 40 26 000 — 1 0,5 Tile64pro 64 443 000 — 1 20 Tile-Gx100 100 750 000 1 10−50 AsAP 167 10 824−196 800 770 1 0,01−10 CSX700 192 48 000 96 000 1 9 Larrabee ∼32 2000 4 G80 128 518 000 96 150 Mips32 1004k 4 3200 90 2 0,4 xlp832 8 4000−16 000 4 15−50 ARM11 PCore 4 1200−2400 1 ARM Cortex-A9 MPCore 4 ∼8000 1 ARM Cortex-A5 MPCore 4 ∼2000 1 Cell Broadband 9 17 000 250 000 2 80 AMD Opteron 4/6/12 21 600−46 800 28 800−41 600/ 2 40−75 43 200−62 400/ 86 400−124 800 2 40−75 Sun Ultra Spark T2 4/6/8 7200−22 400 11 000 8 46/57/91 Intel Core i7 4/8 38 400−105 600 60 000−70 000 2 90−130 МС-24 2 640 480 1 1,5 МС-0226 3 1600 1200 1 NVCom-01 3 4800 3600 1 0,28−1,0 МС-0428 5 >8000

Скорости передачи данных и топология связей Процессор Топология Скорость передачи данных между ядрами Скорость обмена с памятью SEAforth40 решетка 3,6 Гб/с 0,9 Гб/с Tile64pro сеть (толстое дерево) 27 Тб/с 25,6 Гб/с Tile-Gx100 сеть (толстое дерево) 200 Тб/с 500 Гб/с AsAP ячеистая сеть 1200

Мб/с CSX700 линейка 4 Гб/с 2×4 Гб/с Larrabee двойное кольцо G80 шина в памяти 76 Гб/с xlp832 сеть передачи сообщений 51,2 Гб/с ARM11 MPCore шина 1,3 Гб/с 1,3 Гб/с ARM Cortex-A9 MPCore шина 1,3 Гб/с 1,3 Гб/с ARM Cortex-A5 MPCore шина 1,3 Гб/с 1,3 Гб/с Cell Broadband два двойных кольца 25,6 Гб/с 25,6 Гб/с AMD Opteron перекрестный коммутатор 3,2 Гб/с / 9,6 Гб/с 5,3 Гб/с Sun Ultra Spark T2 перекрестный коммутатор 60 Гб/с 50 Гб/с Intel Core i7 перекрестный коммутатор 12,8 Гб/с 32 Гб/с 1891ВМ3 точка-точка 2,664 Гб/с МС-12(1892ВМ3Т) шина МС-24 шина МС-0226 звезда NVCom-01 звезда МС-0428 звезда Можно также сравнить характеристики отдельных ядер многоядерных процессоров — по производительности, количеству поддерживаемых потоков выполнения, потребляемой мощности.

Производительность отдельных ядер Процессор Разрядность Млн. операций в сек. Кол-во потоков на ядро Потреб. ядром мощность, Вт Удельная потр. ядром мощность, мВт/МIPS Ватт/

поток SEAforth40 18 700 1 0,0125 0,018 0,0125 Tile64pro 32 700 1 0,3125 0,446 0,3125 32 866 1 0,3125 0,361 0,3125 Tile-Gx100 64 3000−4500 1 0,1−0,5 0,033−0,11 0,1−0,5 AsAP 16 66 1 0,0001 0,001 0,0001 16 1000 1 0,0599 0,060 0,0599 CSX700 32 250 1 0,0469 0,188 0,0469 Larrabee 32/512 4 G80 32 1350 96 1,1719 0,868 0,0122 Mips32 1004k 32 800 2 0,1000 0,125 0,0500 xlp832 32 500 4 1,8750 3,750 0,4688 32 2000 4 6,2500 3,125 1,5625 ARM11 MPCore 32 320−620 1 0,075−0,260 0,23−0,43 0,075−0,260 ARM CortexA9 MPCore 32 1000−2000 1 ARM Cortex-A5 MPCore 32 480 1 0,06 0,12 0,06 Cell Broadband 64/128 4000 2 8,8889 2,222 4,4444 AMD Opteron 64 5400 2 10,0000 1,852 5,0000 64 7800 12,5000 1,603 6,2500 Sun Ultra Spark T2 64 1800 8 11,5000 6,389 1,4375 64 2200 8 9,5000 4,318 1,1875 64 2800 8 11,3750 4,063 1,4219 Intel Core i7 64 9600 2 22,5000 2,344 11,2500 64 13 200 2 16,2500 1,231 8,1250 1891ВМ3 64 500 1 2,5 0,005 2,5 МС-12 (1892ВМ3Т) 32/64 80/320 1 0,7/0,5 0,009/0,0016 0,7/0,5 МС-24 (1892ВМ2Я) 32/64 80/320 ½ 0,7/0,8 0,009/0,0016 0,7/0,5 МС-0226 (1892ВМ5Я) 32/64 100/800 ½ 0,7/0,8 0,009/0,0016 0,7/0,5 NVCom-01 32/64 1 МС-0428 32/64 1 Немалый вклад в общую производительность процессора и эффективность его работы вкладывает и структура межъядерных связей и организация подсистемы памяти, в частности кэш-памяти.

Кэш-память Процессор Кол-во ядер Размер кэша, байт L1 L2 L3 L1-I L1-D SEAforth40 40 64 Tile64pro 64 16 К 64 К 5 М Tile-Gx100 100 32 К 32 К 256 К 32 М AsAP 167 128 128 CSX700 192 6 К Larrabee ∼32 64 К 256 К G80 128 5 К 32 К Mips32 1004k 4 8−64 К 8−64 К xlp832 8 64 К 32 К 512 К 8 М (5) ARM11 MPCore 4 16 К 16 К ARM Cortex-A9 MPCore 4 16 К 16 К ARM Cortex-A5 MPCore 4 16 К 16 К Cell Broadband 9 16 К 16 К 512 К AMD Opteron 4/6/12 64К/64К/128К 512К/512К/512К 2 М (4М)/6М Sun Ultra Spark T2 4/6/8 16 К 8 К 4 М Intel Core i7 4/8 32 К 32 К 256 К 8 М 1891ВМ3 2 16 К 32 К 512 М МС-12 (1892ВМ3Т) 2 16 К МС-24 2 16 К МС-0226) 3 16 К NVCom-01 3 16 К МС-0428 5 В плане управления энергопотреблением процессора интересны разработки компании Intel, направленные на реализацию метода динамического регулирования интенсивности выполнения инструкций (Energy Per Instruction — EPI) в зависимости от степени параллелизма программы. Была показана эффективность регулирования тактовой частоты в асимметричной мультипроцессорной системе в зависимости от уровня активности вычислительных ядер.

Можно выделить несколько схем управления энергопотреблением многоядерных процессоров, реализуемых на данный момент:

перевод неактивных ядер в состояние низкого энергопотребления;

изменение тактовой частоты ядер в зависимости от их активности;

изменение напряжения питания процессора или отдельных ядер;

изменение тактовой частоты процессора;

изменение и напряжения, и тактовой частоты ядер процессора.

Основной подход к организации многопоточности ядер — параллелизм на уровне потоков (уменьшение времени простоя из-за ожидания данных из памяти или загрузка различных исполнительных блоков процессора) в сочетании с параллелизмом на уровне инструкций (параллельное исполнение нескольких команд за цикл).

Рассматривая многоядерные процессоры (many-core), в итоге можно выделить два направления, по которым на данный момент идет развитие многоядерных процессоров:

— специализированные многоядерные процессоры — процессоры с относительно простыми ядрами небольшой разрядности, с эффективной системой управления энергопотреблением. Как правило, они нацелены на применение в качестве контроллеров в сенсорных системах, мобильных устройствах и устройствах с автономным питанием, для первичной цифровой обработки сигналов. Ключевые свойства процессоров этого направления — низкое удельное энергопотребление ядер; возможности полного останова ядер; небольшое количество инструкций, поддерживаемых ядром; отсутствие кэш-памяти.

— многоядерные процессоры общего назначения — их ядра по сложности приближаются к ядрам процессоров общего назначения, имеют развитую систему кэш-памяти, высокопроизводительную систему связей между ядрами. Круг применений данных процессоров шире — бортовые вычислительные системы, системы, обслуживающие сетевые приложения, обработка мультимедийных данных и сигналов, высокопроизводительные кластеры.

Общим для многоядерных процессоров пока остается поддержка их ядрами одного потока выполнения, хотя в некоторых процессорах присутствует параллелизм на уровне инструкций.

Среди мультиядерных процессоров (multi-core) стоит выделить следующие направления:

— асимметричные процессоры со специализированными ядрами. Сочетают в себе ядро общего назначения и ядра сигнальных процессоров. Вполне возможно, в будущем к сигнальным ядрам могут добавиться и криптографические модули — для аппаратной поддержки коммуникационных функций.

— процессоры для мобильных устройств. Процессоры этого направления имеют развитую шинную систему, низкое энергопотребление.

— многопотоковые (в некоторых источниках — мультитредовые) мультиядерные процессоры. Высокоинтегрированные процессорные системы — «системы (серверы) на кристалле»). В развитии данного направления, скорее всего, следует ожидать сближения «обычных» мультиядерных и графических процессоров, расширения поддержки виртуализации процессоров, увеличения количества одновременно поддерживаемых потоков.

Заключение

Перспективы многоядерных процессоров.

Эволюция технологий, не только информационных, неизбежно связана с количественными и качественными переходами на новый уровень. Каждый такой переход сопровождается созданием новых инженерно-технических и научных школ. То же явление можно наблюдать и с переходом от одноядерных процессоров к многоядерным. Это революционный переход, который еще не завершен.

Многоядерные процессоры являются одной из наиболее активно развивающихся областей электроники на данный момент. В среднем примерно раз в полтора-два месяца какая-либо из компаний-производителей заявляет о разработке или выпуске нового процессора или архитектуры. Совершенствуются способы взаимодействия процессорных ядер на кристалле между собой. В многоядерных процессорах преобладают сложные сетевые структуры. Мультиядерные процессоры используют шинные решения или соединения «точка-точка». Также в качестве одной из тенденций можно отметить стремление интеграции на кристалле процессора, кроме процессорных элементов контроллеров памяти, таймеров, периферийных интерфейсов, — так называемые «системы на кристалле». Одной из основных проблем остается высокая латентность основной памяти. Общее энергопотребление процессоров за последние годы практически не возросло, а для некоторых классов процессоров имеет явные тенденции к снижению.

Тем не менее, судить о состоявшейся революции мы можем пока только на интуитивном уровне, хотя, несмотря на ее незавершенность, можно сказать о том, что будущее все-таки стоит за многоядерными процессорами и системами.

Список литературы

Калачев А. В. Многоядерные процессоры. Издательство: Интернет-университет информационных технологий — ИНТУИТ.ру, БИНОМ. Лаборатория знаний. Серия: Основы информационных технологий. 2010 г.

Леонид Черняк. Многоядерные процессоры и грядущая параллельная революция. «Открытые системы», № 04, 2007 г.

Александр Шаронов. Многоядерные процессоры. Ferra.ru

http://www.kit-e.ru/articles/industrial/2007₀₈_145.php

http://netler.ru/pc/multi-core.htm

С.А. Немнюгин. Модели и средства программирования для многопроцессорных вычислительных систем. Интернет-Университет информационных технологий. 2010 г.

А.В. Богданов, Е. Н. Станкова, В. В. Мареев, В. В. Корхов. Курс лекций по архитектуре и топологии многопроцессорных вычислительных систем. Интернет-Университет информационных технологий. 2006 г.

Леонид Черняк. Многоядерные процессоры и грядущая параллельная революция. Издание «Открытые системы», № 04, 2007 г.

А.В. Богданов, Е. Н. Станкова, В. В. Мареев, В. В. Корхов. Курс лекций по архитектуре и топологии многопроцессорных вычислительных систем. Интернет-Университет информационных технологий. 2006 г.

Калачев А. В. Многоядерные процессоры. Издательство: Интернет-университет информационных технологий. БИНОМ. Лаборатория знаний. Серия: Основы информационных технологий. 2010 г.

Калачев А. В. Многоядерные процессоры. Издательство: Интернет-университет информационных технологий. БИНОМ. Лаборатория знаний. Серия: Основы информационных технологий. 2010 г.

Калачев А. В. Многоядерные процессоры. Издательство: Интернет-университет информационных технологий. БИНОМ. Лаборатория знаний. Серия: Основы информационных технологий. 2010 г.

Калачев А. В. Многоядерные процессоры. Издательство: Интернет-университет информационных технологий. БИНОМ. Лаборатория знаний. Серия: Основы информационных технологий. 2010 г.

Калачев А. В. Многоядерные процессоры. Издательство: Интернет-университет информационных технологий. БИНОМ. Лаборатория знаний. Серия: Основы информационных технологий. 2010 г.