Двоядерні наступають - Комп’ютерні мережі

Багаторівнева архітектура Інтернету

Двоядерні наступають

Двоядерні наступають Епохаодноядерних процесорів йде в минуле. CPU, оснащені двома обчислювальними ядрами, розпочали активний наступ на сегмент ринку настільних комп'ютерів. А там, дивишся, і багатоядерні підтягнуться.

Перехідна двоядерну архітектуру зумовлений тим, що традиційні методи збільшення продуктивності практично вичерпали себе. Через низку технологічних проблем темпи нарощування тактових частот останнім часом помітно сповільнилися. Наприклад, в останній рік перед появою двоядерних процесорів компанія Intel змогла наростити частоти своїх CPU лише на 400 МГц, а конкуренти від AMD прискорилися лише на 200 МГц. Як бачимо, зростання тактових частот дається нелегко. А інші методи, такі як збільшення швидкості шини та розміру кеш-пам'яті, відчутного приросту продуктивності не дають.

Тому зрозуміло, чому саме впровадження двоядерних процесорів виявилося найбільш логічним кроком на шляху до нових вершин швидкодії і ознаменувало початок нової ери у розвитку процесорного ринку.

Що ж є двоядерний процесор? На перший погляд це просто два процесори, об'єднані в загальному корпусі. Але не все так просто. По-перше, потрібно розрізняти терміни «процесор» та «процесорне ядро». По-друге, існує проблема загальних ресурсів, доступ до яких потрібно розподіляти між двома ядрами.

Якщо ж подивитися сточки зору програмного забезпечення, то двоядерний процесор система розглядає як два незалежні. Зрозуміло, що двоядерний процесор здатний одночасно виконувати два потоки інструкцій, в той час як звичайний CPU здійснює обчислення строго по черзі.

До цього вже була зроблена спробарозділити виконувані інструкції - йдеться про технологію Intel Hyper-Threading. Ось тільки в ній два «віртуальні» процесори багато в чому поділяють між собою ресурси одного «фізичного» процесора (кеші, конвеєр, виконавчі пристрої). Практично всі ресурси загальні - і якщо вони вже зайняті одним із потоків, що виконуються, то другий буде змушений очікувати і визволення.

По суті, принцип роботи процесора з Hyper-Threading схожий на принцип роботи багатозадачної операційної системи, тільки відбувається це не на програмному, а на апаратному рівні. Поділ потоку на дві частини, як правило, дозволяє ефективніше завантажити виконавчі пристрої процесора. І при цьому трохи полегшити операційній системі завдання імітації безлічі незалежних комп'ютерів на одному існуючому процесорі.

Повноцінний двоядерний процесор — зовсім інша річ. У цьому випадку система визначає дійсно два «чесні» процесорні ядра. І приріст продуктивності при цьому становить уже не 10-20% (середній показник для процесора з технологією Hyper-Threading), а всі 80-90% і навіть більше (природно, при використанні обох ядер). У принципі, двоядерний процесор є SMP-систему (SMP - SymmetricMultiProcessing, симетрична багатопроцесорна обробка; термін, що означає систему з кількома рівноправними процесорами). По суті він не відрізняється від звичайної двопроцесорної системи, в якій встановлено два незалежні процесори. В результаті ми отримуємо всі переваги двопроцесорних систем без необхідності використання складних і дорогих двопроцесорних материнських плат.

Intel Pentium D

Для корпорації Intel випуск процесорів з двоядерною архітектурою був фактично неминучим, оскільки ядро Prescott на сьогодніпрактично цілком вичерпало свій запас за тактовою частотою, обмежений 4 ГГц. Ці цифри дуже переконливо показують, наскільки серйозні надії покладає Intel на нову архітектуру.

Перші двоядерні процесори Intel для настільних систем виготовлені на основі ядра Smithfield. Фактично воно складається з двох ядер Prescott, виконаних на одному напівпровідниковому кристалі. Туди ж поміщається арбітр, який стежить за станом системної шини і допомагає розділяти доступ до неї між двома CPU. У кожного ядра - власна кеш-пам'ять другого рівня обсягом 1 Мб. Вся взаємодія між ядрами в Smithfield відбувається через системну шину.

Smithfield має приблизно вдвічі більшу площу в порівнянні з процесорним ядром Prescott - 206 мм2. Числотранзисторів у нових процесорах становить 230 млн.

На базі Smithfield на даний момент випускається два типи процесорів для настільних комп'ютерів: просто двоядерні Pentium D і CPU для ентузіастів - Pentium Extreme Edition. Двоядерні процесори упаковуються в корпус LGA775 і працюють із частотою системної шини 800МГц.

Лінійка CPU Pentium D представлена трьома моделями: 820, 830 та 840 з частотами, відповідно, 2.8, 3.0 та 3.2 ГГц. В елітарному секторі є модель Pentium Extreme Edition 840, процесорні ядра якої працюють на частоті 3,2 ГГц. Відмінність екстремального двоядерника від інших полягає в розблокованому коефіцієнті множення і в присутності технології Hyper-Threading, яка відключена в моделях лінійки Pentium D. Таким чином Pentium Extreme Edition визначатиметьсяопераційною системою як чотири логічні процесори.

Основні характеристики нових CPU наведено у таблиці нижче.

Як бачимо, максимальна частота двоядерного процесора дорівнює 3,2 ГГц, тоді як одноядерні моделі досягли позначки 3,8 ГГц. Це пояснюється обмеженнями з тепловиділення та енергоспоживання процесорів. Prescott і так досить сильно гріється і багато «їсть», а об'єднання двох ядер на одному кристалі призводить до значного зростання згаданих характеристик. Тому двоядерні процесори і характеризуються такою відносно низькою тактовою частотою.

Зауважимо також, що нове процесорне ядро успадковує від Prescott весь набір сучасних технологій: підтримку 64-бітових розширень EM64T, технологію безпеки Execute Disable Bit, а також повний набір засобів Demand Based Switching для управління тепловиділенням і енергоспоживанням, що включає технології C1E (Enhanced Halt) Monitor 2) та EIST (Enhanced Intel SpeedStep). Три останні технології не підтримуються молодшою двоядерною моделлю Pentium D 820, оскільки для їх роботи потрібні динамічні зміни множника процесора, а коефіцієнт множення цього чіпа (14x) є мінімальним для CPU на основі Prescott та його похідних.

AMD Athlon 64 X2

Двоядерні процесори виробництва AMD називаються Athlon 64 X2. З назви видно, що нові CPU мають архітектуру AMD 64, а індекс X2 вказує на присутність двох обчислювальних ядер.

На сьогоднішній день модельний ряд Athlon 64 X2 включає п'ять процесорів з рейтингами 3800 +, 4200 +, 4400 +, 4600 + і 4800 + - їх основні характеристики наведені в таблиці внизу.

В основі цих процесорів – ядра з кодовими іменами Toledo та Manchester. Відмінності між ними – у розмірі кеша другого рівня: у Toledoкеш L2 має об'єм 1 Мб на кожне ядро, а у Manchester цей показник удвічі менший (по 512 Кб на кожне ядро).

Процесори з рейтингами 4400+ та 4800+ побудовані на основі ядра Toledo і працюють на частотах 2,2 ГГц і 2,4 ГГц відповідно. А CPU з рейтингами 3800+, 4200+ та 4600+ мають ядро Manchester та характеризуються тактовими частотами 2,0 ГГц, 2,2 ГГци 2,4 ГГц. Існують також варіанти трьох останніх процесорів на основі ядра Toledo, але з відключеною половиною кешу.

Ядро Toledo складається приблизно з 233,2 млн транзисторів і має площу близько 199мм2. Площа ядра Manchester помітно менше – 147 мм2; кількість транзисторів становить 157 млн.

На відміну від конкурента, AMD не стала зменшувати частоту нових CPU. Як бачимо, тактова частота найшвидшого двоядерного процесора відповідає частоті старшої моделі в лінійці Athlon 64 (правда, існує і швидший геймерський FX).

Слід зазначити, що підхід до реалізації двоядерності в процесорах AMD дещо відрізняється від запропонованого Intel, хоча Athlon 64 X2, як і Pentium D, по суті являє собою два процесори, об'єднані на одному кристалі. Справа в тому, що ядра в Smithfield взаємодіють за допомогою системної шини - а в Athlon 64 X2 реалізовано інший підхід. Ще на етапі розробки архітектури AMD 64 була передбачена можливість створення багатоядерних процесорів. Кожне з ядер Athlon 64 X2 володіє власним набором виконавчих пристроїв та виділеної кеш-пам'яттю другого рівня; контролер пам'яті та контролер шини HyperTransportзагальні. А ось взаємодія кожного ядра з ресурсами, що розділяються, відбувається за допомогоюспеціального комутатора (Crossbar Switch) інтерфейсу системних запитів (System Request Interface), в якому формується черга системних запитів (System Request Queue). І, що найголовніше, на цьому ж рівні організовано і взаємодію ядер, завдяки чому питання когерентності кешів вирішуються без додаткового навантаження на системну шину та шину пам'яті.

Двоядерні процесори AMD, на відміну від представників Intel, не працюють з DDR2. Відсутність підтримки сучасних типів пам'яті з високою пропускною здатністю пояснюється тим, що компанія в першу чергу прагнула зберегти сумісність Athlon 64 X2 з існуючими платформами. Зате, на відміну двоядерних процесорів Intel, котрим потрібен новий чіпсет, ці CPU можуть встановлюватися ті самі материнські плати, як і звичайні Athlon 64.

У результаті Athlon 64 X2 мають корпус Socket 939, двоканальний контролер пам'яті з підтримкою DDR400 SDRAM і працюють з шиною HyperTransport з частотою до 1 ГГц. Завдяки цьому двоядерні процесори AMD не потребують нових чіпсетів і материн — достатньо оновити BIOS на вже існуючих платах під Socket 939. Варто також відзначити, що енергоспоживання Athlon 64 X2 вдалося вписати в раніше встановлені рамки для Athlon 64.

Новий процесор підтримує технології AMD64 (підтримка 64-бітових розширень), Enhanced VirusProtection (захист від деяких типів вірусів), а також Cool'n'Quiet (зниження тепловиділення та енергоспоживання процесора).

Досліджувалося зміна продуктивності в різних популярних додатках при використанні систем на основі двоядерного процесора замість одноядерного. Як тестові програми застосовувалися програми, що входять до складу пакету WorldBench 5. Результатом тестів є час, витрачений навиконання програми (див. таблиці).

Однак найкраще двоядерні процесори проявили себе при виконанні багатозадачного тесту, коли одночасно запускалося дві програми - Mozilla і Windows Media Encoder. Причому відрив Athlon 64 X2 4800+ від одноядерного предка становив 82,2%, а різниця між процесорами Intel у цьому тесті склала 47,1%. На перший погляд двоядерність AMD ефективніша, ніж Intel. Але не будемо забувати, що у Pentium 4 вже була реалізована "псевдодвоядерність" (Hyper-Threading) - не виключено, що саме тому приріст вийшов не таким солідним.

Дивлячись менш видатні результати, показані в інших додатках, можна припустити, що ці програми просто не оптимізовані під багатопоточність. Але ж розвиток апаратних і програмних засобів ніколи не йшов паралельним курсом — хтось когось постійно обганяв, і, як правило, саме «залізо» виривалося вперед, а «софт» надолужував. Тому природно припустити, що вже незабаром виробники ПЗ постараються оптимізувати під багатопоточність якомога більше своїх продуктів. Ось тоді двоядерні процесори і розкрити свій потенціал зможуть повною мірою.

Мій блог знаходять за такими фразами

Відповідальність за всі зміни, внесені в систему за порадами цієї статті, Ви берете на себе.