Министерство  образования и молодежной политики ЧР

Чебоксарский  машиностроительный техникум 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Р Е Ф Е Р  А Т

на  тему:

Многоядерные  Микропроцессоры      

По предмету: Микропроцессоры и микропроцессорные  системы 

                                                    2009-2010 

Содержание:

1.Введение………. 2-3

  2.Основная часть

  2.1. Микропроцессоры….. 3-4

  2.2. Двухядерность процессоров архитектура……6-9

  2.3. Идея построения многоядерных микропроцессоров….9-10

  2.4 Intel……10-12

  2.5 AMD…12

  3.Заключение …….13

4.Список  используемой литературы……..14

Введение

Многоядерность  — история и перспективы

Идея перехода на многоядерные процессоры стала овладевать умами масс специалистов в области  ИТ совсем недавно, примерно начиная с 2005 года, но на самом деле она далеко не так нова. Еще в далекие 60-е годы преимущества нескольких процессорных ядер перед одним обосновал Сеймур Крей, затем он реализовал свой замысел в суперкомпьютере CDC 6600. Но в силу консервативности взглядов проектировщиков, вызванных технологическими ограничениями (например, компьютерные платы собирались навесным монтажом из триодов, конденсаторов, сопротивлений и прочих дискретных компонентов), дальнейшего развития этот подход к проектированию центрального процессорного устройства не получил. 

Существует два  подхода к увеличению производительности процессора. Первый - увеличение тактовой частоты процессора, второй – увеличение

количества инструкций программного кода, выполняемых за один такт процессора. Увеличение тактовой частоты не может быть бесконечным и  

определяется  технологией изготовления процессора. При этом рост производительности не является прямо пропорциональным росту  тактовой  

частоты, то есть наблюдается тенденция насыщаемости, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты становится нерентабельным. 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. Можно сказать, что идея построения многоядерных микропроцессоров это был путь к развитию ЭВМ. 

Если рассматривать  историю развития начиная с самых  первых центральных процессоров (i8086), то, безусловно, то, что повышение производительности достигалось путем повышения тактовой частоты. Но любая технология имеет свой технологический предел. Ведь при повышении рабочей частоты тепловыделение процессоров растет до очень больших значений. В этой ситуации уже не помогает ни активное теплоотведение, ни применение сверх тонких транзисторов.  

Так как процессоростроение не стоит на месте, выход из этой ситуации был конечно же найден –  многоядерность. Многоядерность –  это расположение на одном кристалле  нескольких ядер, т.е. как бы два процессора в одном. Когда появились первые такие процессоры в компьютерных кругах были многочисленные споры о целесообразности такой технологии. Сейчас  

конечно уже  ни кто не спорит, так как стало  очевидно, что будущее именно за многоядерными процессорами.

Микропроцессоры

Сейчас 2-х ядерным  процессором уже никого не удивишь. Другое дело, что у каждого ли в компьютере стоит такой процессор. Кому-то не позволяют  

финансы, а кому-то устойчивые слухи, что многоядерные процессоры это очередная туфта, вроде SLI, предназначенная для вытягивания  денежки из карманов пользователей.

В принципе так  и есть - тактовую частоту процессоров  стало наращивать все труднее  и труднее,(растет число транзисторов, проводников и выделяемое тепло) и, стало быть, надо искать что-то на смену "гонки за мегагерцами". А добавляя ядра, производительность в ряде современных приложений уже  

можно заметно  поднять, не повышая частоты. Да и  пресловутый закон Мура (удвоение числа транзисторов на кристаллах) надо бы чем-то поддержать, а многоядерность - чуть ли не самый простой путь для  этого… 

Однозначно одно, (хотя бы судя по опросу который я  проводил) никто бы не отказался  от C2D(особенно бесплатно).  

Давайте посмотрим  как борются две технологии - две  компании, ну и разберемся нужен  ли дома многоядерник? Надеюсь моя  статья поможет определится тем, кто в ближайшее время планирует апгрейд, и тем кто уже купил многоядерный процессор - разобраться как это работает.

*любителям картинок  здесь будет скучно. 
 
 

Многоядерность  по сути похожа на использование в одном ПК нескольких процессоров. Отличие только в том, что при расположении на одном кристалле они не являются полностью независимыми. При работе на обычном программном обеспечении плюсом многоядерного процессора  

будет возможность  одновременного запуска двух ресурсоемких приложений без потери производительности. А вот сделать одну и туже задачу, но значительно быстрее не получится. Т.е. получается что многоядерный  

процессор на обычном  ПО будет работать практически как  обычный процессор, только сможет выполнять  одновременно несколько «тяжелых» приложений.  

Выход из этой ситуации напрашивается сам – разработать  новое программное обеспечение  специально для многоядерных процессоров. Такой 

процесс называется распараллеливание процессов. Как  оказалось на практике некоторые  задачи легко распараллелить. Это задачи кодирования видео и

аудио данных. В  процессе кодирования такой информации лежит набор однотипных потоков, и сделать так, чтобы они выполнялись  одновременно довольно просто. В задачах  кодирования выигрыш многоядерных процессоров перед одноядерными по производительности зависит от количества ядер: два ядра – в два раза быстрее, четыре – в четыре раза и т.д. Но к сожаленью большую часть других задач распараллелить намного сложнее. В подавляющем большинстве случаев необходима полная переработка программного кода.  

Intel сегодня предпочитает  создавать SMP-системы; AMD, IBM и Sun - те  или иные варианты NUMA. Основная "область  применения" кластеров - суперкомпьютеры. 

Идея многоядерного  процессора выглядит на первый взгляд совершенно простой: просто упаковываем два-три (ну или сколько там влезет)  

процессора в  один корпус - и компьютер получает возможность исполнять несколько  программных потоков одновременно. Вроде бы бесхитростная  

стратегия…  но конкретные её реализации в недавно  вышедших настольных процессорах AMD и Intel заметно различаются. Различаются настолько, что  

сугубо "количественные" мелочи в конечном итоге переходят  в качественные различия между процессорами этих двух компаний.  

Двухядерность процессоров включает такие понятия, как наличие логических и физических ядер: например двухядерный процессор Intel Core Duo состоит из одного физического ядра, которое в свою очередь разделено на два логических. Процессор Intel Core 2 Quad состоит из четырёх физических ядер, что существенно влияет на скорость его работы. 

10 сентября 2007 года  были выпущены в продажу нативные (в виде одного кристалла) четырёхьядерные  процессоры для серверов AMD Quad-Core Opteron, имевшие в процессе разработки  кодовое название AMD Opteron Barcelona.[1] 19 ноября  2007 года вышел в продажу четырёхьядерный процессор для домашних компьютеров AMD Quad-Core Phenom.[2] Эти процессоры реализуют новую микроархитектуру K8L (K10). 

27 сентября 2006 года Intel продемонстрировала прототип 80-ядерного  процессора. Предполагается, что массовое производство подобных процессоров станет возможно не раньше перехода на 32-нанометровый техпроцесс, а это в свою очередь ожидается к 2010 году. 

На данный момент массово доступны двух- и четырехядерные процессоры, в частности Intel Core 2 Duo на 65-нм ядре Conroe (позднее на 45-нм ядре  

Wolfdale) и Athlon 64 X2 на базе микроархитектуры K8. В  ноябре 2006 года вышел первый четырёхъядерный  процессор Intel Core 2 Quad на ядре Kentsfield, представляющий собой сборку  из двух кристаллов Conroe в одном

корпусе. Потомком этого процессора стал Intel Core 2 Quad на ядре Yorkfield (45 нм), архитектурно схожем с Kentsfield но имеющем больший обьем  кэша и рабочие частоты. 

Архитектура процессоров  достигла достаточно высокой сложности, поэтому

переход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышения   производительности вычислительных систем. 

Компания AMD пошла  по собственному пути, изготовляя четырехядерные процессоры единым кристаллом (в отличие  от Intel, процессоры которой представляют собой фактически склейку двух двухядерных кристаллов). Несмотря на всю прогрессивность подобного подхода первый «четырёхядерник» фирмы, получивший название AMD Phenom X4, получился не слишком удачным. Его отставание от современных ему процессоров конкурента составляло от 5 до 30 и более процентов в зависимости от модели и конкретных задач. 

На настоящий  момент (1-2 квартал 2009 года) обе компании обновили свои линейки четырёхядерных процессоров. Intel представила семейство Core i7, состоящее из трех моделей, работающих на разных частотах. Основными изюминками данного процессора является использование трехканального контроллера памяти (типа DDR-3) и технологии эмулирования восьми ядер  

(полезно для  некоторых специфических задач). Кроме того, благодаря общей оптимизации  архитектуры удалось значительно  повысить  

производительность  процессора во многих типах задач. Слабой стороной платформы, использующей Core i7 является её чрезмерная стоимость, так как для установки данного процессора необходима дорогая материнская плата на чипсете Intel-X58 и трехканальный набор памяти типа DDR3, также имеющий на данный момент высокую стоимость. 

Компания AMD в  свою очередь представила линейку процессоров Phenom II X4. При её разработке компания учла свои ошибки: был увеличен объем кэша (явно недостаточный у первого «Фенома»), а производство процессора было переведено на 45 нм техпроцесс, позволивший снизить тепловыделение и значительно повысить рабочие частоты. В целом AMD Phenom II X4 по производительности стоит вровень с процессорами Intel предыдущего поколения (ядро Yorkfield) и весьма значительно отстает от Intel Core i7.  

Однако, принимая во внимание умеренную стоимость платформы на базе этого процессора, его рыночные перспективы выглядят куда более радужно чем у предшественника.  

Существует два  подхода к увеличению производительности

процессора. Первый - увеличение тактовой частоты процессора, второй – увеличение   количества инструкций программного кода, выполняемых за один такт процессора.   Увеличение тактовой частоты не может быть бесконечным и определяется технологией   изготовления процессора. При этом рост производительности не является прямо   пропорциональным росту тактовой частоты, то есть наблюдается тенденция    
 

насыщаемости,     когда     дальнейшее     увеличение         тактовой    частоты     становится     нерентабельным.      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.

  Идея построения многоядерных микропроцессоров.

      Можно сказать, что идея построения  многоядерных микропроцессоров является  развитием идеи кластеров, но в данном случае дублируется целиком процессорное   ядро. Другим предшественником многоядерного подхода можно считать технологию    Intel - HyperThreading, где также есть небольшое дублирование аппаратуры и   использование двух потоков инструкций, использующих общее ядро.

      Многоядерный процессор имеет  два или больше "исполнительных  ядер".

Операционная  система рассматривает к аждое 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.   
 

       К 2006 году все ведущие разработчики  микропроцессоров создали двуядерные  процессоры.       Переход     к   многоядерным       процессорам      
 

становится     основным     направлением повышения производительности вычислительных систем. В связи с этим, знание основ функционирования  

вычислительных  систем на многоядерных   процессорах является актуальным.

Intel.

Первые  процессоры фирмы Intel. 

        За 20-летнюю историю развития  микропроцессорной техники  ве-

дущие позиции  в  этой  области  занимает  американская  фирма  Intel

(INTegral ELectronics). До  того как  фирма  Intel  начала  выпускать

микрокомпьютеры, она разрабатывала и производила  другие виды  интег-

ральных микросхем. Главной ее продукцией были микросхемы для кальку-

ляторов. В 1971 г. она разработала и выпустила  первый в мире  4-бит-

ный микропроцессор 4004. Фирма первоначально продавала  его в  качес-

тве встроенного  контроллера (что-то вроде средства управления  улич-

ным светофором или микроволновой печью).  4004  был  четырехбитовым,

т.е. он мог хранить, обрабатывать и записывать в память  или  считы-

вать из нее  четырехбитовые числа. После чипа 4004 появился 4040,  но

4040 поддерживал   внешние прерывания. Оба чипа  имели  фиксированное

число внутренних индексных регистров. Это означало, что  выполняемые

программы были ограничены числом вложений подпрограмм  до 7.

        В 1972 г., т.е. спустя год после  появления 4004,  Intel  вы-   

пустила очередной  процессор  8008,  но  подлинный  успех  ей  принес

8-битный микропроцессор 8080, который был объявлен в  1973  г.  Этот 

микропроцессор  получил очень широкое распространение  во  всем  мире.

Сейчас в нашей  стране его аналог - микропроцессор  KP580ИК80  приме- 
 

няется во многих бытовых персональных  компьютерах  и  разнообразных

контроллерах. С  чипом 8080 также связано появление  стека внешней па-

мяти, что позволило  использовать программы любой вложенности. 

        Процессор 8080 был основной частью  первого  небольшого  ком-

пьютера, который  получил широкое  распространение  в  деловом  мире.

Операционная  система для него была создана  фирмой Digital Research и

называлась Control Program for Microcomputers (CP/M). 
 

При создании многоядерных процессоров для настольных ПК микропроцессорный гигант предпочел пойти на первых порах по пути "наименьшего сопротивления", продолжив традиции создания привычных для себя SMP-систем с общей шиной. Выглядит подобная MP-система чрезвычайно просто: один чипсет, к которому подключается вся оперативная память, и одна процессорная шина, к которой подключены все процессоры. Никакой общей схемотехники у этих ядер нет.

Короче говоря Pentium'ы - простейшие "двухпроцессорные процессоры" - язык даже не поворачивается говорить о "ядрах". Всё скучно до невозможности (впрочем, далеко не всегда двигает прогресс то, что "весело"  

Несмотря на все свои "подводные камни" такая реализация, в конечном счёте, позволила этой корпорации довольно быстро "завалить" прилавки дешевыми и доступными каждому двухъядерниками.  

Централизованный" подход Intel, во-первых, отличается относительной  простотой, а во-вторых, удобен тем, что в нём каждый компонент  
 
 

компьютера получается узкоспециализированным, и поддающимся  модернизации независимо от других компонентов. То есть с одним и тем же Northbridge можно использовать, например, совершенно различные по своей производительности и наоборот - меняя Northbridge, можно, например,

использовать  с одним и тем же процессором  совершенно разные типы оперативной памяти.

AMD.

Архитектура AMD K8 не просто отличается от "интеловской": она концептуально иная, поскольку в ней нет какого-то выделенного центра. Каждый из процессоров архитектуры AMD64 является независимой и "самодостаточной" единицей. С чисто технической стороны AMD попросту интегрировала практически всю функциональность северного моста в центральный процессор.

Но "небольшая" технологическая уловка приводит к  совсем иной архитектуре компьютера - SUMA, в отличие от традиционной SMP. SUMA - это название AMD, обозначающее, что  архитектура вроде относится к NUMA, но не столь "тормознутая". 

У технического прогресса есть и обратная сторона - начало распространения многоядерных процессоров и ориентация на них как на основной путь развития привела также к разработке и появлению игр с полноценной поддержкой мультипроцессорных систем. Как считают в Nvidia, такие игры не почувствуют столь же существенного прироста от использования многопоточных драйверов. 
 
 

Заключение

   С появлением  многоядерных процессоров открывается  новая эра "настольных    вычислений". Новые технологии позволяют работать в многозадачных средах с    одновременным выполнением нескольких активных и фоновых приложений, повысить    эффективность и снизить энергопотребление при одновременном запуске множества   приложений, увеличить количество пользователей, работающих одновременно на

одном     ПК.      Многоядерные    процессоры   обеспечивают   более   высокую   производительность для потоковых приложений.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Список используемой  литературы

1) Василий Леонов. Двухъядерные процессоры Intel: выбираем лучший     http://www.citforum.ru/hardware/microcon/intel_choice/index.shtml

2) Сергей Орлов.  Многоядерность, параллелизм, виртуализация.  Журнал «LAN»,05, 2006 год // Издательство  «Открытые системы»

3) Сетевые решения: Многоядерные процессора Intel для серверов и рабочих

     станций. http://www.nestor.minsk.by/sr/news/2006/10/2401.html

4) Алексей Борзенко. Многоядерные процессоры. Платформы и технологии |

     №5/2005