Многоядерные микропроцессоры

 

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ КИБЕРНЕТИКИ ИНФОРМАТИКИ  И СВЯЗИ

Кафедра кибернетических систем

 

Направление 220200 Автоматизация и  управление, специальность 220400 Управление и информатика в технических системах

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ "МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ"

 

ТЕМА: Многоядерные микропроцессоры

 

 

Выполнил:

Студент группы УИТСз-09-1,

Мендуанов Д.Б.

 

___________

 

 

Проверил:

Кузяков О. Н.

 

___________

 

Тюмень 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. ВВЕДЕНИЕ	3
2. МНОГОЯДЕРНЫЙ ПРОЦЕССОР	4
2.1. АРХИТЕКТУРА МНОГОЯДЕРНЫХ СИСТЕМ	4
2.2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ	5
2.3. НАРАЩИВАНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЯДЕР	6
2.4. ИСТОРИЯ МАССОВЫХ МНОГОЯДЕРНЫХ  ПРОЦЕССОРОВ	6
2.5. ИСТОРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ	7
3. СПИСОК ИСТОЧНИКОВ	11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

На протяжении многих лет для  повышения производительности процессора использовался единственный путь - повышение его тактовой частоты. За эти годы укоренилось мнение, что именно тактовая частота процессора является основным показателем его производительности.

Наращивание тактовых частот на современном  этапе не простая задача. Конец  гонке тактовых частот микропроцессоров был положен благодаря нерешенной проблеме токов утечки и неприемлемому росту тепловыделения микросхем. Это привело к поиску новых технологий увеличения производительности процессоров. Производительность процессора (Performance) — это отношение общего числа выполненных инструкций программного кода ко времени их выполнения.

Разработка более совершенных  архитектур процессоров, содержащих большее  число функциональных исполнительных устройств, с целью повышения  количества команд, одновременно исполняемых за один такт, — традиционный альтернативный росту тактовой частоты путь повышения производительности. Но такие разработки очень сложны и дороги. Сложность разработки возрастает с ростом сложности логики экспоненциально.

    Архитектура процессоров достигла достаточно высокой сложности, поэтому переход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышения производительности вычислительных систем.

 

 

2. МНОГОЯДЕРНЫЙ ПРОЦЕССОР

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

Ядром процессора можно назвать  его систему исполнительных устройств (набор арифметико-логических устройств), предназначенных для обработки  данных. Операционная система рассматривает каждое из исполнительных ядер, как дискретный процессор со всеми необходимыми вычислительными ресурсами. Поэтому многоядерная архитектура процессора, при поддержке соответствующего программного обеспечения, осуществляет полностью параллельное выполнение нескольких программных потоков.

 

2.1. АРХИТЕКТУРА МНОГОЯДЕРНЫХ СИСТЕМ  Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки когерентности (общей) кэш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без неё.

Кеш-память: Во всех существующих на сегодня  многоядерных процессорах кэш-памятью 1-го уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кэш-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  кэши равного объёма, интегрированные  в каждое из ядер. Обмен данными  из кэшей 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).

Так же, в наше время существует кэш-память 3-го уровня. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.

 

2.2. 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.

2.3. НАРАЩИВАНИЕ КОЛИЧЕСТВА ЯДЕР

На сегодня многими производителями  процессоров, в частности Intel, AMD, IBM, ARM дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности. В 2011 году освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров, и 16-ядерных для серверных систем.

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

 

2.4. ИСТОРИЯ МАССОВЫХ МНОГОЯДЕРНЫХ ПРОЦЕССОРОВ

Двухъядерные 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).

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).

 

2.5. ИСТОРИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПРОЦЕССОРОВ в

27 сентября 2006 года Intel представила  прототип 80-ядерного процессора. 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.

26 октября 2009 года Tilera анонсировала 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.

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. 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.

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

В настоящее время самым производительным многоядерным процессором для настольных ПК, из доступных простому пользователю, считается Core i7-3970X Extreme Edition с разблокированным множителем. Он имеет шесть вычислительных ядер с тактовой частотой 3,5 ГГц; в режиме Turbo Boost показатель поднимается до 4,0 ГГц. Новый процессор в исполнении LGA 2011 производится по 32-нанометровой технологии. Разблокированный множитель, при хорошем охлаждении, позволяет поднять частоту ещё выше.

 Поддерживается система Hyper-Threading, позволяющая одновременно обрабатывать до 12 потоков инструкций. Процессор оснащён контроллером памяти DDR3-1600 и 15 Мб кеша 3-го уровня.

 Модель Core i7-3970X Extreme Edition относится  к поколению Sandy Bridge-E: чип рассчитан  на энтузиастов, требовательных пользователей и любителей игр.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. http://www.ferra.ru/
2. http://www.ru.wikipedia.org/.
3. http://www.osp.ru/.
4. http://paralichka85.px6.ru.
5. http://www.intuit.ru/.
6. http://www.my-system.ru/.
7. http://www.3dnews.ru/.
8. http://ark.intel.com.
9. http://www.amd.com