Перспективы развития микропроцессорной техники

В 2005 году как Intel, так и AMD практически одновременно пришли к выводу, что тенденция увеличения производительности процессоров путем увеличения тактовой частоты сталкивается с большими трудностями и не оправдывает тех затрат, которые необходимы для преодоления этих трудностей (в основном с точки зрения отвода тепла). Так процессоры Intel с тактовой частотой более 4 ГГц ожидались уже в 2005 году, однако до сих пор самый быстрый Pentium, поступивший в продажу, работал с частотой лишь 3,73 ГГц (хотя экспериментальные образцы Pentium 4 работали с частотой и выше 4 ГГц).

Дело в том, что увеличение тактовой частоты процессора приводит к росту его энергопотребления и, как следствие, к повышению тепловыделения. Эмпирическим путем установлено, что при увеличении (разгоне) тактовой частоты на 20% производительность процессора возрастает на 13%. При этом потребляемая процессором мощность возрастает на 73%! При уменьшении тактовой частоты процессора на 20% производительность уменьшается на 13%, а потребляемая мощность – на 49%! Этот пример наглядно демонстрирует, что увеличение тактовой частоты приводит к явному дисбалансу между приростом производительности и потребляемой мощностью. Поэтому - то в погоне за производительностью, которая в семействе Intel Pentium 4 обеспечивалась главным образом путем увеличения тактовой частоты, последние версии процессоров на архитектуре NetBurst достигли уровня энергопотребления 130 Вт!

Однако, на практике, повышение производительности микропроцессоров можно получить не только повышением тактовой частоты. Существует целый ряд и других способов. Одним из этих способов является метод снижения количества инструкций, необходимых для выполнения той или иной задачи. Примером этого способа является использования SIMD – команд. Примером другого способа может служить использование технологии Hyper Threading, которая позволяет реализовать на одном физическом процессоре два виртуальных. И, наконец, весьма эффективным оказалось использование многоядерных микропроцессоров, хотя это часто связано с необходимостью использования методов распараллеливания вычислительных алгоритмов и соответствующего программного обеспечения.

В связи с этим, обе самые мощные и конкурирующие фирмы в области создания новых процессоров, Intel и AMD, всерьез сосредоточились на создании многоядерных процессоров. Даже два ядра в одном центральном процессоре способны существенно повысить его производительность.

Под ядром процессора чаще всего понимается совокупность его блоков (узлов), осуществляющих основные операции при исполнении команд, включая, так называемый, предпроцессор выборки команд (Front End). По сути дела, ядро процессора включает в себя аппаратную часть всех ступеней его конвейера команд, операционное устройство (блок исполнения команд), а также кэш-память декодированных команд первого уровня (кэш L1). В процессорах микроархитектуры Nehalem и Sandy Bridge в ядро процессора включают и кэш второго уровня (кэш L2).

Многоядерные процессоры позволяют повышать производительность за счет увеличения IPC (Instructions Per Clock), то есть количества инструкций программного кода, обрабатываемых за каждый такт работы процессора.

Выигрыш в производительности, например, двуядерных процессоров достигается за счет того, что вычислительные команды исполняются двумя ядрами одновременно. Этот принцип называется многопоточным режимом исполнения программы. Специально оптимизированные программы направляют на каждое ядро отдельные потоки команд (threads), которые обрабатываются параллельно. Теоретически это может повысить производительность компьютера до 70%.

Но даже если программное обеспечение и не способно поддерживать многопоточный режим работы, то повышение производительности двуядерных процессоров становится заметным при одновременном использовании нескольких программ. Так, например, основная программа осуществляет обработку текста, а это время в фоновом режиме бесперебойно реализуется антивирусная программа. Такой режим носит название многозадачного режима работы процессора.

Строго говоря, мультипроцессорные вычисления известны уже давно и широко используются при реализации суперкомпьютеров и даже в мощных серверах. Многопроцессорные системы имеют ряд очевидных преимуществ перед однопроцессорными. Во-первых, несколько процессоров, работающих параллельно, принципиально могут за единицу времени обработать большее количество команд программы, или же обработать то же количество команд, но быстрее. Во-вторых, многопроцессорная система, как правило, будет более надежна, поскольку в случае выхода одного из параллельно работающих процессоров, его могут автоматически заменить другие, не прибегая к остановке всей системы в целом. В-третьих, многопроцессорные системы могут обслуживать одновременно большее количество пользователей с меньшим временем ожидания.

Первые, двуядерные процессоры Intel и AMD во многом похожи, но в них были реализованы разные технологии.

Первые двуядерные процессоры фирмы Intel на рынке появились в апреле 2005 г. Это был процессор Intel Pentium Extreme Edition 840с параметрами: f_т=3,2 ГГц; FSB = 800МГц; P_пот= 130 Вт; N=230 мил. транзисторов.

(Заметьте, что в обозначениях двуядерных процессоров Intel, пропала цифра 4 после марки Pentium. Это означает, что эти процессоры Intel перестала относить к процессорам типа Pentium 4).

Процессоры поддерживают технологию Hyper-Threading, что в совокупности обеспечивают обработку до 4 потоков, поэтому один такой физический процессор, с позиции операционной системы, определяется как 4 логических процессора. Каждый имел собственный кэш L2, объемом 2 Мбайт.

Второй линейкой двуядерных процессоров фирмы Intel являлись процессоры Intel Pentium D 8xx (820 – c f_т=2,8 ГГц; 830 – с f_т=3,0 ГГц и 840 – с f_т=3,2 ГГц). У всех FSB = 800 МГц, но технология Hyper Treading не предусмотрена. В остальном, эти линейки похожи полностью, и обе поддерживают систему команд Intel EM64T (64-разрядное расширение).

Все эти двуядерные процессоры изготовлялись по технологическому процессу 90 нм.

Фирма AMDсвои двуядерные процессоры выдала на рынок практически одновременно, в мае 2005 г. Они были представлены серией AMD Athlon 64×2 (типы: 4200+; 4400+; 4600+ и 4800+).

Говоря о многоядерных процессорах надо иметь в виду, что при этом меняется не только микроархитектура процессоров, но и требуется изменить всю инфраструктуру, включая программное обеспечение. Дело в том, что многоядерные процессоры могут дать выигрыш по производительности только в том случае, если используется оптимизированное под многоядерность, хорошо распараллеливаемое, программное обеспечение (операционная система и приложения). Если же программный код написан таким образом, что подразумевает только последовательное выполнение инструкций, то от многоядерности проку не будет.

2006 год явился переломным в соревновании двух гигантов – Intel и AMD. В корпорации Intel разработана новая микроархитектура процессоров под названием Intel Core. Летом 2007 года появились в продаже двуядерные процессоры Intel нового поколения, для настольных ПК семейства Intel Core 2 Duo, основанные на новой процессорной микроархитектуре Intel Core. Эти процессоры показали гораздо большую производительность, чем процессоры Intel, создаваемые на основе прежней микроархитектуры NetBurst, по которой проектировались все последние процессоры Pentium . Кроме того, тщательное тестирование показало, что их производительность существенно выше, чем у любых процессоров AMD. Причем это увеличение производительности сочеталось с существенным уменьшением энергопотребления. Самый быстрый двуядерный МП предыдущего поколения с архитектурой NetBurst – Intel Pentium Extreme Edition 965 (Pentium 965 EE), с тактовой частотой F_T = 3,73 ГГц, имеет энергопотребление 130 Вт (при напряжении питания от 1,2 до 1,375 В), и требует для охлаждения очень мощного кулера. Процессоры же на базе микроархитектуры Intel Core 2 Duo, при большей производительности, потребляли всего 65 Вт при тактовой частоте 2,93 ГГц. (при напряжении питания от 0,85 до 1,3525 В). Отметим также, что длина конвейера в микроархитектуре Intel Core составляет 14 ступеней, тогда как у процессоров Pentium 4 она варьировалась от 20 до 31 ступеней (в зависимости от модели)..

Такой успех разработчиков корпорации Intel объясняется во многом тем, что при разработке новой микроархитектуры, главной целью своей они поставили достижение наилучшей энергоэффективности при достаточно высокой производительности, а не достижение максимальной производительности за счет удлинения конвейера и, соответственно, увеличения тактовой частоты.

Следует отметить, что кроме производительности и энергоэффективности, современные процессоры характеризуются набором поддерживаемых технологий. Так, например, современные процессоры корпорации Intel (в зависимости от модели) поддерживают такие технологии, как технология виртуализации Intel Virtualization Technology (Intel VT), позволяющая на одном компьютере создать несколько виртуальных компьютеров, работающих независимо друг от друга под управлением своих, отдельных операционных систем. Поддерживаются также: технология аппаратной защиты от вирусов, использующих ошибки переполнения буфера памяти (так называемая технология Execute Disable Bit); технология энергосбережения, путем изменения тактовой частоты работы процессора в зависимости от его вычислительной загрузки (Enhanced Intel Speed Step); технология теплового мониторинга, т.е. изменения напряжения питания ядра процессора в зависимости от температуры кристалла МП (Thermal Monitor – Enhanced Halt State), а также упомянутая ранее технология Hiper-Threading (HT), позволяющая одновременно обрабатывать два потока данных, за счет использования блоков процессора, простаивавших при обработке основного потока. Кроме этого, поддерживается технология 64-разрядных адресаций Intel Extended Memory 64 Technology (Intel EM64T).

В процессорах AMD тоже присутствуют аналогичные технологии, но называются они по-другому, да и реализованы несколько иначе. К примеру, в зависимости от модели, в процессорах AMD могут поддерживаться технология 64-разрядных адресаций AMD 64, технология антивирусной защиты NX Bit, технология виртуализации AMD Virtualization и технология энергосбережения AMD Cool’n’Quiet.

При этом заметим, что 64-битные процессоры Х86 от AMD и Intel программно практически совместимы.

В 2009 году корпорация Intel начала массовый выпуск процессоров новой микроархитектуры Nehalem, получившие название микропроцессоров семейства Intel Core, которые будут рассмотрены в дальнейшем. На рынок они поступают под именами Intel Core i7, Intel Core i5 и Intel Core i3. Наиболее мощным из них является Intel Core i7.Несколько упрощенные варианты микропроцессоров этой микроархитектуры а, следовательно, и более дешевые, предназначенны для использования в компьютерах, не требующих максимальной производительности, выпускаются под маркетинговым названием Intel Core i5 и Intel Core i3.

Таким образом, Intel решила продавать все процессоры этой микроархитектуры, и в дальнейшем, под брэндом «Core iX», разделяя, таким образом, модели по производительности и позиционированию. Соответственно, Core i3 – low-end, Core i5 – mainstream, Core i7 – performance.

В таблице I.1 приведены более подробные характеристики ряда процессоров с архитектурой Nehalem.

Таблица I.1

Характеристики ряда процессоров микроархитектуры Nehalem фирмы Intel.

В 2011 году, поступили в продажу микропроцессоры нового поколения Intel Core 2, микроархитектуры Sandy Bridge, изготавливаемые по технологии 32 нм. А в 2013 году, фирма выпустила на рынок микропроцессры Ivy Bridge, такой же, но несколько усовершенствованный микроархитектуры, но уже изготавливаемой по технологии 22 нм. И в этом же году намеревается представить, изготавливаемой по технологии 22 нм, микропроцессор совершенно новой микроархитектуры Haswell.

Модельный ряд процессоров AMD, ориентированных на настольные компьютеры, включает четыре новых семейства многоядерных процессоров на основе архитектуры AMD K10:

1) AMD Phenom FX;

2) AMD Phenom X4;

3) AMD PhenomX3;

4) AMD Phenom X2.

При этом все они будут иметь разделенную кэш-память третьего уровня L3 объемом 2 Мбайт.

Перечень наиболее перспективных процессоров фирмы AMD приведен в табл.I.2. При этом в этот перечень включены и те процессоры, которые уже морально устаревают, но еще широко представлены на рынке. Здесь имеются в виду такие знаменитые семейства процессоров линии Athlon 64, как AMD Athlon 64 FX, AMD Athlon 64 X2 Dual-Core и AMD Sempron.

Таблица I.2

Наиболее перспективные процессоры фирмы AMD