Сравнительные характеристики процессоров

Интегральные характеристики

Среди многоядерных процессоров к данному моменту можно выделить процессоры, предназначенные в основном для встраиваемых и мобильных приложений, в которых большое внимание разработчиков было уделено средствам и методам снижения энергопотребления, процессоры для вычислительных или графических станций, где вопросы энергопотребления не столь критичны, процессоры т .н. мейнстрима — предназначенные для серверных, рабочих станций и персональных компьютеров.

К первому классу можно отнести процессоры семейств SEAforth (SEAforth24, seaforth40), Tile (Tile36, Tile64, Tile64pro), AsAP-II, CSX700. Во второй класс попадают прежде всего графические процессоры, например, процессоры серии g80 от NVIDIA, проект Larrabee от Intel, отчасти сюда можно отнести и процессор Cell от IBM, хотя количество вычислительных ядер у него относительно невысоко. 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 ( таблица 15.1).

Таблица 15.1. Классификация многоядерных процессоров, представленных на современном рынке

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 таблицах 15.2 и 15.3.

Таблица 15.2. Производительность многоядерных процессоров

Процессор	Количество ядер	Миллионов операций в секунду (общее)	МФлопс (общее)	Количество 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 MPCore	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

Производительность отдельных ядер

Достаточно интересно также сравнить характеристики отдельных ядер многоядерных процессоров — производительность, количество поддерживаемых потоков выполнения, потребляемая мощность ( таблица 15.4).

Немалый вклад в общую производительность процессора и эффективность его работы вкладывает и структура межъядерных связей и организация подсистемы памяти, в частности кэш-памяти ( таблица 15.5).

Таблица 15.5. Кэш-память

Процессор	Количество ядер	Размер кэша, байт
		L1		L2	L3
		L1-I	L1-D
SEAforth40	40	641локальная оперативная память
Tile64pro	64	16 К	64 К	5 М2распределенный по ядрам процессора
Tile-Gx100	100	32 К	32 К	256 К	32 М3распределенный по ядрам процессора
AsAP	167	1284локальная оперативная память	1285локальная оперативная память
CSX700	192	6 К
Larrabee	32	64 К	256 К
G80	128	5 К	32 К66 разделяемых блоков
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 К7имеется только у PPE, SPE-ядра имеют локальную память
AMD Opteron	4/6/12	64К/64К/128К		512К/512К/512К	2М (4М)/6М8разделяемый всеми ядрами
Sun Ultra Spark T2	4/6/8	16 К	8 К	4 М9разделяемый всеми ядрами
Intel Core i7	4/8	32 К	32 К	256 К	8 М10разделяемый всеми ядрами
1891ВМ3	2	16 К	32 К	512 М11распределенный по ядрам процессора
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.

Первое: 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. На сегодняшний день наиболее яркие представители этого направления — процессоры семейств SEAforth, AsAP.

Второе направление: 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. Ко второму направлению можно отнести процессоры семейств Tile и CSX.

Общим для многоядерных процессоров пока остается поддержка их ядрами одного потока выполнения (хотя в процессорах Tile и присутствует параллелизм на уровне инструкций).

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

Первое — 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. Пока к данному направлению можно отнести процессоры Cell, процессоры серии "Мультикор".

Второе направление включает в себя процессоры для мобильных устройств. Процессоры этого направления имеют развитую шинную систему, низкое энергопотребление. Наиболее яркие представители — ARM Cortex-A MPCore, MIPS32 1004K.

Третье направление — 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. К третьему направлению можно отнести графические процессоры, процессоры фирм AMD, Intel, Sun (Oracle), процессоры серии XLP.

Краткие итоги

В развитии многоядерных процессоров (many-core) можно выделить два направления:

• специализированные многоядерные процессоры — процессоры с относительно простыми ядрами небольшой разрядности, с эффективной системой управления энергопотреблением;
• многоядерные процессоры общего назначения — их ядра по сложности приближаются к ядрам процессоров общего назначения, имеют развитую систему кэш-памяти, высокопроизводительную систему связей между ядрами.

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

• асимметричные процессоры со специализированными ядрами;
• процессоры для мобильных устройств;
• многопотоковые (в некоторых источниках — мультитредовые) мультиядерные процессоры, представляющие по сути высокоин-тегрированные процессорные системы — "системы (серверы) на кристалле".

Основные схемы управления энергопотреблением многоядерных процессоров, реализуемые 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).

Контрольные вопросы

1. Каковы основные направления развития процессоров?
2. Ядра каких процессоров имеют аппаратную поддержку нескольких потоков исполнения?
3. Какие методы управления энергопотреблением наиболее часто применяются в современных процессорах?

Упражнения

1. Оцените эффективность различных схем управления энергопотреблением процессоров.
2. Сравните показатели производительности многоядерных и мультиядерных процессоров.