Processador multinúcleo

Erro al crear miniatura:

Diagrama d'un processador de doble núcleu genèric en cachés de nivell 1 local de CPU i un caché de nivell 2 en matriu compartit

Erro al crear miniatura:

Un processador Intel Core 2 Duo E6750 de doble núcleu

Erro al crear miniatura:

Un processador AMD Athlon X2 6400+ de doble núcleu

Un processador multinúcleo és un microprocessador en un sol circuit integrat en dos o més unitats de processament separades, cridades núcleus, cada una de les quals llig i eixecuta instruccions de programa. Les instruccions són instruccions ordinàries de CPU (com agregar, moure senyes i bifurcar), pero el processador únic pot eixecutar instruccions en núcleus separats al mateix temps, lo que aumenta la velocitat general dels programes que admeten subprocesos múltiples o atres tècniques de computació paralela. Els fabricants solen integrar els núcleus en un sol chip de circuit integrat (conegut com a chip multiprocessador o CMP) o en varis chips en un sol paquet de chip. Els microprocessadors que s'utilisen actualment en casi totes les computadores personals són multinúcleo.

Un processador multinúcleo implementa el multiprocesamiento en un sol paquet físic. Els dissenyadors poden acoplar núcleus en un dispositiu multinúcleo de forma ajustada o solta. Per eixemple, els núcleus poden o no compartir cachés, i poden implementar métodos de comunicació entre núcleus de memòria compartida o pas de mensages. Les topología de ret comunes utilisades per a interconectar núcleus inclouen bus, anelle, malla bidimensional i barra travessera. Els sistemes homogéneus de múltiples núcleus inclouen sol núcleus idèntics; els sistemes multinúcleo heterogéneus tenen núcleus que no són idèntics (per eixemple, big.LITTLE tenen núcleus heterogéneus que compartixen el mateix conjunt d'instruccions, mentres que les unitats de processament accelerat de AMD tenen núcleus que no compartixen el mateix conjunt d'instruccions). De la mateixa manera que en els sistemes d'un sol processador, els núcleus en els sistemes de varis núcleus poden implementar arquitectura com VLIW, superescalar, vectorial o multiproceso.

Els processadors multinúcleo s'utilisen àmpliament en molts dominis d'aplicacions, inclosos els d'us general, integrats, de ret, de processament de senyals digitals (DSP) i de gràfics (GPU). El reconte de núcleus aplega inclús a dotzenes, i per a chips especialisats de més de 10 000, i en supercomputadoras (és dir, grups de chips) el reconte pot superar els 10 millons (i en un cas fins a 20 millons d'elements de processament en total ademés del host). processadors).

La millora en el rendiment obtinguda per l'us d'un processador multinúcleo depén en gran mida dels algoritmes de software utilisats i la seua implementació. En particular, els possibles guanys estan llimitades per la fracció del software que pugues eixecutar-se en paralel simultàneament en múltiples núcleus; este efecte és descrit per la llei de Amdahl. En el millor dels casos, els cridats problemes vergonzosamente paralels poden generar factors d'acceleració propencs a la cantitat de núcleus, o inclús més si el problema es dividix lo suficient com per a cabre dins dels cachés de cada núcleu, evitant l'us d'una memòria del sistema principal molt més llenta. No obstant, la majoria de les aplicacions no s'acceleren tant a menos que els programadors invertixquen esforç en la refactorización.

La paralelisació del software és un important tema d'investigació en curs. La cointegración d'aplicacions multiprocessador proporciona flexibilitat en el disseny d'arquitectura de ret. L'adaptabilitat dins de models paralels és una característica adicional dels sistemes que utilisen estos protocols.

Terminologia

Els térmens multi-core i dual-core comunament es referixen a algun tipo d'unitat central de processament (CPU), pero a voltes també s'apliquen als processadors de senyals digitals (DSP) i al sistema en un chip (SoC). Els térmens generalment s'usen solament per a referir-se a microprocessadors de múltiples núcleus que es fabriquen en el mateix troquel de circuit integrat; els troquelar de microprocessador separats en el mateix paquet generalment es denominen en un atre nom, com mòdul de chips múltiples. Este artícul utilisa els térmens "multinúcleo" i "doble núcleu" per a les CPU fabricades en el mateix circuit integrat, a menos que s'indique lo contrari.

En contrast en els sistemes multinúcleo, el terme multi-CPU es referix a múltiples unitats de processament separades físicament (que a sovint contenen circuits especials per a facilitar la comunicació entre elles).

Els térmens molts núcleus i multinúcleo massiu s'utilisen a voltes per a descriure arquitectura de varis núcleus en una cantitat especialment alta de núcleus (de decenes a mills).

Alguns sistemes usen molts núcleus de microprocessadors suaus colocats en un sol FPGA. Cada "núcleu" pot considerar-se un "núcleu de propietat intelectual de semiconductors", aixina com un núcleu de CPU.

Desenroll

Si be la tecnologia de fabricació millora, reduint el tamany de les portes individuals, els llímits físics de la microelectrónica basada en semiconductors s'han convertit en una important preocupació de disseny. Estes llimitacions físiques poden causar problemes significatius de malbarat de calor i sincronisació de senyes. S'utilisen varis atres métodos per a millorar el rendiment de la CPU. Alguns métodos de paralelisme a nivell d'instrucció (ILP), com la canalisació superescalar, són adequats per a moltes aplicacions, pero són ineficientes per a unes atres que contenen còdic difícil de predir. Moltes aplicacions s'adapten millor als métodos de paralelisme a nivell de subprocesos (TLP), i comunament s'utilisen vàries CPU independents per a aumentar el TLP general d'un sistema. Una combinació de major espai disponible (per processos de fabricació refinats) i la demanda de major TLP va conduir al desenroll de CPU multinúcleo.

Incentius comercials

Varis motius comercials impulsen el desenroll de arquitectura multinúcleo. Durant décades, va ser possible millorar el rendiment d'una CPU en reduir l'àrea del circuit integrat (IC), lo que va reduir el cost per dispositiu en el IC. Alternativament, per a la mateixa àrea de circuit, es podrien usar més transistors en el disseny, lo que va aumentar la funcionalitat, especialment per a arquitectura de computació de conjunts d'instruccions complexes (CISC). Les velocitats de rellonge també varen aumentar en órdens de magnitut en les décades de finals de el XX, des de varis megahercios en la década de 1980 fins a varis gigahercios a principis de la década de 2000.

A mida que es ralentisava el ritme de les millores en la velocitat del rellonge, es buscava un major us de la computació paralela en forma de processadors multinúcleo per a millorar el rendiment general del processament. Es varen utilisar varis núcleus en el mateix chip de CPU, lo que podria conduir a millors vendes de chips de CPU en dos o més núcleus. Per eixemple, Intel ha produït un processador de 48 núcleus per a l'investigació en computació en el núvol; cada núcleu té una arquitectura x86.

Factors tècnics

Ya que els fabricants de computadores han implementat durant molt temps dissenys de multiprocesamiento simètric (SMP) utilisant CPU discretes, els problemes relacionats en l'implementació de l'arquitectura de processador de múltiples núcleus i el soport en software són ben coneguts.

Ademés:

• L'us d'un disseny de núcleu de processament comprovat sense canvis en l'arquitectura reduïx significativament el risc de disseny.
• Per als processadors de propòsit general, gran part de la motivació per als processadors multinúcleo prové de la gran disminució dels guanys en el rendiment del processador en aumentar la freqüència operativa. Açò es deu a tres factors principals:
  1. El mur de la memòria; la creixent brecha entre les velocitats del processador i la memòria. Açò, en efecte, espenta a que els tamanys de caché siguen majors per a emmaixquerar la latencia de la memòria. Açò ajuda solament en la mida en que l'ample de banda de la memòria no siga el coll de botella en el rendiment.
  2. El mur de la ILP; la creixent dificultat de trobar suficient paralelisme en un sol fluix d'instruccions per a mantindre ocupat un processador d'un sol núcleu d'alt rendiment.
  3. El mur de poder; la tendència de consumir energia que aumenta exponencialment (i, per lo tant, també genera calor que aumenta exponencialment) en cada aument factorial de la freqüència de funcionament. Este aument es pot mitigar "reduint" el processador per mig de l'us de traces més chicotetes per a la mateixa llògica. El mur de potència planteja problemes de fabricació, disseny de sistemes i implementació que no s'han justificat front als guanys disminuïts en el rendiment pel mur de memòria i al mur de ILP . 

En la finalitat de continuar brindant millores de rendiment regulars per als processadors d'us general, els fabricants com Intel i AMD han recorregut a dissenys de múltiples núcleus, sacrificant menors costs de fabricació per un major rendiment en algunes aplicacions i sistemes. S'estan desenrollant arquitectura multinúcleo, pero també les alternatives. Un competidor especialment fort per als mercats establits és la major integració de funcions perifèriques en el chip.

Ventages

La proximitat de múltiples núcleus de CPU en el mateix troquel permet que el circuit de coherència de caché funcione a una velocitat de rellonge molt més alta de lo que és possible si les senyals tenen que viajar fòra del chip. La combinació de CPU equivalents en un sol chip millora significativament el rendiment de les operacions d'indagació de caché (alternativa: indagació de bus). En poques paraules, açò significa que les senyals entre diferents CPU viagen distàncies més curtes i, per lo tant, eixes senyals es degraden menys. Estes senyals de major calitat permeten enviar més senyes en un periodo de temps determinat, ya que les senyals individuals poden ser més breus i no és necessari repetir-les en tanta freqüència.

Suponent que la matriu puga encaixar físicament en el paquet, els dissenys de CPU multinúcleo requerixen molt manco espai en la placa de circuit imprés (PCB) que els dissenys SMP de varis chips. Ademés, un processador de doble núcleu usa una miqueta menys d'energia que dos processadors d'un sol núcleu acoplats, principalment per la menor energia requerida per a impulsar senyals externes al chip. Ademés, els núcleus compartixen alguns circuits, com la memòria caché L2 i l'interfaç en el bus frontal (FSB). En térmens de tecnologies competidores per a l'àrea de matriu de silici disponible, el disseny multinúcleo pot fer us de dissenys provats de biblioteques de núcleus de CPU i produir un producte en menor risc d'error de disseny que idear un nou disseny de núcleu més ample. Ademés, agregar més caché adolix de rendiments decreixents.

Els chips multinúcleo també permeten un major rendiment en menys energia. Açò pot ser un factor important en els dispositius mòvils que funcionen en bateries. Ya que cada núcleu en una CPU multinúcleo generalment és més eficient energèticament, el chip es torna més eficient que tindre un sol núcleu monolític gran. Açò permet un major rendiment en menys energia. No obstant, un desafiu en açò és la sobrecàrrega adicional d'escriure còdic paralel.

Desventages

Maximizar l'us dels recursos informàtics proporcionats pels processadors multinúcleo requerix ajusts tant en el soport del sistema operatiu (SO) com en el software d'aplicació existent. Ademés, la capacitat dels processadors multinúcleo per a aumentar el rendiment de les aplicacions depén de l'us de varis subprocesos dins de les aplicacions.

L'integració d'un chip multinúcleo pot reduir els rendiments de producció de chips. També són més difícils d'administrar tèrmicament que els dissenys d'un sol núcleu de menor densitat. Intel ha contrarrestat parcialment este primer problema per mig de la creació dels seus dissenys de quatre núcleus per mig de la combinació de dos de doble núcleu en una sola matriu en un caché unificat, per lo tant, es poden usar dos matrius de doble núcleu que funcionen, en lloc de produir quatre núcleus en una sola matriu. un sol troquel i requerix que els quatre funcionen per a produir una CPU de quatre núcleus. Des d'un punt de vista arquitectònic, en última instància, els dissenys d'una sola CPU poden fer un millor us de l'àrea de superfície de silici que els núcleus de processament múltiple, per lo que un compromís de desenroll en esta arquitectura pot comportar el risc d'obsolescència. Finalment, la potència de processament bruta no és l'única restricció en el rendiment del sistema. Dos núcleus de processament que compartixen el mateix bus del sistema i l'ample de banda de la memòria llimiten la ventaja de rendiment en el món real. En un informe de 2009, el Dr. Jun Ni va mostrar que si un sol núcleu està prop de tindre un ample de banda de memòria llimitat, passar a dos núcleus podria brindar una millora del 30% al 70%; si l'ample de banda de la memòria no és un problema, es pot esperar una millora del 90%; no obstant, la llei de Amdahl fa que esta afirmació siga dubtosa. Seria possible que una aplicació que usa dos CPU terminara eixecutant-se més ràpit en una d'un sol núcleu si la comunicació entre les CPU fora el factor limitante, lo que contaria com una millora de més del 100%.