Обзор архитектуры современных многоядерных процессоров

Многоядерность – два, четыре, восемь – кто больше?

Дополним теперь общее рассмотрение многоядерного направления развития компьютерной техники характеристикой ряда конкретных широко применяемых в настоящее время многоядерных процессоров основных ком-паний-разработчиков – Intel, AMD, IBM, Sun (Oracle).

Процессоры Intel ® Core ™ и Intel ® Xeon ®

Как просто было когда-то сравнивать процессоры компании Intel между собой. Все знали: есть Pentium, есть его "урезанный" вариант Celeron, а в остальном чем выше частота, тем лучше. Эта простота была следствием того факта, что в формуле, определяющей производительность вы-числительной системы, – "тактовая частота процессора ? число инструкций, выполняемых за один такт (Instructions Per Cycle, IPC)", – переменной величиной была только частота. Необходимо, конечно, отметить, что получаемая по этой формуле величина дает только так называемую "пико-вую производительность", приблизиться к которой на практике можно лишь на отдельных специально подобранных задачах. Именно поэтому сравнение вычислительных систем, в том числе из списка Top500 и аналогичных им, выполняется на основе производительности, показанной на стандартном тесте, в качестве которого повсеместно используется LINPACK [110]. Как только наращивание тактовой частоты прекратилось, компании Intel понадобился другой способ описания и градации выпускаемых про-цессоров. Сегодня все процессоры производства Intel делятся прежде всего по назначению: для настольных систем, ноутбуков, серверов и рабочих станций и т.д. Затем в каждом классе выделяют серии процессоров, отличающиеся между собой по некоторым ключевым характеристикам.

В сентябре 2006 г. Intel анонсировала новую стратегию развития микропроцессоров "Tick-Tock", состоящую их двух стадий. На первой стадии "Tick" происходит уменьшение техпроцесса и незначительное усовершенствование архитектуры. На стадии "Tock" происходит выпуск новой микроархитектуры на существующем техпроцессе.

увеличить изображение
Рис. 1.5. Стратегия Tick-Tock

На данный момент широко распространены процессоры Intel с микроархитектурой Sandy Bridge, основанной на 32-нм технологии, и Ivy Bridge, которая является развитием предыдущей и основана на 22-нм технологии с использованием транзисторов с трехмерной структурой затвора (3D Tri-Gate Transistor). В классе настольных и мобильных систем сегодня "царствуют" представители семейства Intel ® Core ™ 3-го поколения, в серверном сегменте – процессоры Intel ® Xeon ®.

Особенностям микроархитектуры Intel ® Core ™, позволившей компании Intel существенно потеснить своего основного конкурента – компанию AMD, посвящено множество материалов и публикаций. Не ставя перед собой задачу подробного ее обсуждения, кратко отметим лишь ключевые моменты, выделяемые самими разработчиками.

• В процессор интегрирован северный мост набора системной логики (2-канальный контроллер памяти DDR3 и контроллер шины PCI-Express 3.0).
• Smart Cache. Динамически распределяет кэш-память 3-го уровня между ядрами процессора в зависимости от нагрузки.
• Turbo Boost 2.0. В случае загрузки не всех процессорных ядер, эта технология обеспечивает автоматическое увеличение тактовой частоты работы тех, которые остаются активными.
• Hyper-Threading (см. одновременная многопотоковость). Эта технология позволяет удвоить число ядер, доступных операционной системе, за счёт обработки нескольких потоков команд на каждом ядре. У четырехъядерных процессоров с технологией Hyper-Threading операционной системе будет доступно восемь ядер.
• Advanced Vector Extension (AVX) Technology. Набор новых команд для векторных вычислений (каждый регистр имеет размер 256 бит). Команды предназначены для повышения производительности приложений с большими объемами вычислений с плавающей запятой.
• Встроенная графическая система Intel HD Graphics.
• Advanced Encryption Standard New Instructions (AES-NI). Набор инструкций процессора, которые обеспечивают быстрое и надежное шифрование данных по стандарту AES.

Приведем технические данные текущих лидеров в классе настольных и серверных процессоров (оба процессора поддерживают технологию Hyper-Threading).

Процессор Intel® Core™ i7-3770

Тактовая частота: 3,4 ГГц (максимальная 3,9 ГГц).

Число ядер: 4.

Кэш второго уровня: 1 МБ (по 256 КБ на каждое ядро).

Кэш третьего уровня: 8 МБ.

Технологический процесс: 22 нанометров.

Процессор Intel® Xeon® Processor E7-8830

Тактовая частота: 2,13 ГГц (максимальная 2,4 ГГц).

Число ядер: 8.

Кэш второго уровня: 16 МБ (по 2 МБ на каждое ядро).

Кэш третьего уровня: 24 МБ.

Технологический процесс: 32 нанометров.

В заключение отметим еще один весьма важный факт – помимо пиковой производительности той или иной архитектуры и соответственно процессоров, построенных на ее основе, значимым обстоятельством для конечного потребителя является процент мощности, который можно получить от пика. Для систем в Top500, построенных на процессорах компании Intel, этот показатель составляет в 40-м списке 64,7%, при этом "удельная мощность" в расчете на один процессор/ядро равна 16,5 гигафлопс (необходимо заметить, что значительная часть этих систем введена в строй уже несколько лет назад и построена не на новейших процессорах, а часть систем содержит ускорители и сопроцессоры, что значительно повышает их производительность).