Многоядерный процессор

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

Терминология

В английском языке существует два часто употребляемых термина для процессоров, имеющих несколько ядер: multi-core и many-core.

Термин мультиядерный (

 multi-chip module, MCM).

Термином многопроцессорный обозначают компьютеры, имеющие несколько физически раздельных процессоров (например, серверные материнские платы часто имеют 2 или 4 сокета для подключения нескольких чипов), но управляемые одним экземпляром операционной системы (ОС).

Понятие многоядерный

.

Мультипроцессор на кристалле (single-chip multiprocessor, on-chip multiprocessor, chip multiprocessing, CMP) — так ранние исследователи называли свои проекты размещения нескольких процессоров на одной подложке[4]^[5][6].

Архитектура многоядерных систем

) только в меньших масштабах и со своими особенностями.

Первые многоядерные процессоры (first generation CMP) представляли собой самые простые схемы: два процессорных ядра, размещенные на одном кристалле без разделения каких-либо ресурсов, кроме шины памяти (например, Sun UltraSPARC IV и Intel Pentium D). «Настоящим многоядерным» (second generation CMP) процессор считается, когда его вычислительные ядра совместно используют кэш третьего или второго уровня: например, Sun UltraSPARC IV+, Intel Core Duo и все современные многоядерные процессоры.

В многоядерных процессорах тактовая частота, как правило, намеренно снижена. Это позволяет уменьшить энергопотребление процессора без потери производительности: энергопотребление растёт как куб от роста частоты процессора. Удвоив количество ядер процессора и снизив вдвое их тактовую частоту, можно получить практически ту же производительность, при этом энергопотребление такого процессора снизится в 4 раза.

В некоторых процессорах тактовая частота каждого ядра может меняться в зависимости от его индивидуальной нагрузки. Ядро является полноценным микропроцессором, использующим все достижения микропроцессорной техники: конвейеры, внеочередное исполнение кода, многоуровневый кэш, поддержка векторных команд.

Суперскалярность в ядре присутствует не всегда, если, например, производитель процессора стремится максимально упростить ядро.

Каждое ядро может использовать технологию

(2007 г.) такое увеличение может достигать 8 потоков на ядро.

Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки

кэш-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
  кэш-память
  .

Кэш-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).

Многоядерные процессоры также имеют гомогенную или гетерогенную архитектуру:

• гомогенная архитектура — все ядра процессора одинаковы и выполняют одни и те же задачи. Типичные примеры: Intel
  Core Duo, Sun SPARC T3, AMD Opteron
  ;
• гетерогенная архитектура — ядра процессора выполняют разные задачи. Типичный пример: процессор
  Sony PlayStation 3
  .

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

. 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 достигается выигрыш в производительности, даже если приложения однопоточные.

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.

История массовых многоядерных процессоров

POWER

Первым процессором, предназначенным для массового использования, а не для

в 2001 году.

2-ядерный IBM PowerPC-970MP (G5) был представлен в 2005 году. Этим процессором оснащались последние Power Mac G5.

SPARC

В марте 2004 года компания

(середина 2005 года), где два ядра процессора совместно использовали off-chip кэш 3-го уровня и on-chip кэш 2-го уровня.

Компания Fujitsu в своей линейке SPARC64 представила 2-ядерный процессор SPARC64 VI только в 2007 году.

x86

В апреле 2005 года

.

В мае 2005 года

Core

был выпущен компанией Intel в январе 2006 года.

В марте 2010 года появились первые 12-ядерные серийные процессоры, которыми стали серверные процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x86/x86-64).^[7]

В 2011 году компанией AMD освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеров^[8] и 16-ядерных для серверных систем^[9].

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).^[10]

По состоянию на 2016 год Intel выпускает процессоры для серверов Xeon E7 — с количеством ядер от 4 до 24.^[11][12] (E5 — до 22 ядер).

В феврале 2020 года компания AMD выпустила в продажу первый 64-ядерный процессор для домашних компьютеров AMD Ryzen Threadripper 3990X^[13].

Сводные данные по истории микропроцессоров и их параметров представлены в обновляющейся английской статье: Хронология микропроцессоров, 2010-е 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 на форуме разработчиков «IDF Fall» Intel продемонстрировал экспериментальный 80 ядерный чип с производительностью до 1 TFLOPS. Каждое ядро работало с тактовой частотой 3,16 ГГц, энергопотребление чипа достигало около 100 Вт^[14].

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.^[15][16]

26 октября 2009 года

. 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^[18].

В июне

По опубликованному в 2012 году описанию архитектуры, возможны чипы с количеством ядер до 60.

В октябре

или жестов пользователя. Компания Adapteva утверждает, что в дальнейшем число ядер данного микропроцессора может быть доведено до 4096 Планируется, что 4096-ядерный процессор в основной версии (700 МГц), по оценкам, позволит получить 5,6 TFLOPS, потребляя всего 80 Ватт.

[20]^[21].

В январе

.

В августе 2019 года компания Cerebras Systems^[англ.] представила самый большой в мире многоядерный суперпроцессор Cerebras Wafer Scale Engine; он имеет более 1,2 триллиона транзисторов на 400 000 ядрах и занимает почти всю площадь полупроводниковой пластины диаметром 300 мм.^[23]. В 2020 г. они же создали самый большой процессор в истории вычислительной техники; в испытаниях он обошёл по производительности суперкомпьютер из первой сотни общемирового рейтинга^[24].

Многоядерные контроллеры

Существует также тенденция внедрения многоядерных

.

Например:

• seaForth-24^[25] — новая разработка многоядерной MISC-архитектуры Чака Мура: 1 ГГц 24-ядерный асинхронный контроллер.
• Контроллер от Parallax^{[англ.][26]} имеет восемь 32-разрядных процессоров (COG) в одном кристалле P8X32A.
• Kilocore PowerPC-процессор с 1024 8-битными ядрами, работающими на частоте 125 МГц. На данный момент существует 256-ядерный процессор.

См. также

	«Интел» выпускает процессор с четырьмя ядрами в Викиновостях

• Ядро микропроцессора
• Многопроцессорность
• Многопоточность
• Hyper-threading
  )
• Tilera Corporation
• Intel Larrabee
  — проект новой архитектуры Intel Many Integrated Core
• MALT (Mucosa-associated lymphoid tissue^[англ.])

Примечания

Литература

• (1999) Processor Architecture — From Dataflow to Superscalar and Beyond (ISBN 3540647988) (англ.)

• Кунле Олукотун. Chip Multiprocessor Architecture: Techniques to Improve Throughput and Latency. — Morgan and Claypool Publishers, 2007. — 154 p. — ISBN 159829122X. (англ.)

• (2008) OpenSPARC Internals (ISBN 0557019745) (англ.)

• (2009) Microprocessor Architecture — From Simple Pipelines to Chip Multiprocessors (ISBN 0521769922) (англ.)

• Многоядерные процессоры. Учебный курс. А. В. Калачев ISBN 978-5-9963-0349-6

• Mario Nemirovsky, Dean M. Tullsen. Multithreading Architecture. — Morgan and Claypool Publishers, 2013. — 1608458555 p. — ISBN 1608458555. (англ.)

Ссылки

• Двухъядерные процессоры Intel и AMD: теория: часть 1 Архивная копия от 20 августа 2010 на Wayback Machine, часть 2 Архивная копия от 25 августа 2010 на Wayback Machine // Ferra.ru,й июнь 2005
• Вячеслав Любченко, Юрий Тяжлов Осторожно: многоядерный процессор //
  Osp.ru
  , июнь 2007
• Многоядерные процессоры /ретроспектива с 2005 года/ : Шестиядерные процессоры Intel Core i5 и Core i7 (Coffee Lake) // IXBT.com, окт 2017