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 26000 – 1 0,5 Tile64pro 64 443000 – 1 20 Tile-Gx100 100 750000 1 10-50 AsAP 167 10824-196800 770 1 0,01-10 CSX700 192 48000 96000 1 9 Larrabee ∼32 2000 4 G80 128 518000 96 150 Mips32 1004k 4 3200 90 2 0,4 xlp832 8 4000-16000 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 17000 250000 2 80 AMD Opteron 4/6/12 21600-46800 28800-41600/ 2 40-75 43200-62400/ 86400-124800 2 40-75 Sun Ultra Spark T2 4/6/8 7200-22400 11000 8 46/57/91 Intel Core i7 4/8 38400-105600 60000-70000 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 2х4 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 Cortex -A9 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 13200 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 1/2 0,7/0,8 0,009/0,0016 0,7/0,5 МС-0226 (1892ВМ5Я) 32/64 100/800 1/2 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 2М(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/2007_08_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.













2