Эпоха многоядерных процессоров

Эпоха многоядерных процессоров наступила

Немного теории

Два лучше, чем один

 

Многоядерные платформы Intel

 

Согласно прогнозам, к концу текущего года доля поставок двухъядерных процессоров Intel для настольных и мобильных ПК превысит 70%, а процессоров для серверов — 85%. На Форуме Intel для разработчиков, состоявшемся прошлой осенью, было сделано заявление, что к концу 2006 года объем поставок многоядерных процессоров Intel может превысить 60 млн. штук. Кроме того, корпорация Intel подтвердила свои планы довести к концу 2007 года долю многоядерных процессоров для настольных и мобильных систем до 90%, а для серверов — почти до 100%.

Эпоха многоядерных процессоров наступила

В последние два-три года развитие цифровых технологий приобрело поистине лавинообразный характер: сегодня мы наблюдаем появление полупроводниковых устройств, на порядок превосходящих своих собратьев пяти-шестилетней давности как по вычислительной мощи, так и по функциональной гибкости. Обычные домашние ПК, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни, концентрируют в себе вычислительную мощь, о которой раньше не могли мечтать даже ученые, располагавшие кластерами высокопроизводительных систем. С помощью ПК мы черпаем информацию из Интернета, храним свои цифровые архивы, общаемся с друзьями и реализуем свои потребности в творчестве.

Мозг любого компьютера — это процессор, который оперирует всеми необходимыми вычислениями. С каждым годом он вынужден работать все быстрее и быстрее, потому что постоянно растут наши требования к нему. Мало того — он должен выполнять несколько задач одновременно: как правило, нам хочется путешествовать по Интернету, скачивать при этом из Всемирной паутины любимую мелодию в формате МР3, а то и видеофильм, да еще и проверять поступающую электронную почту на наличие вирусов. Даже Гай Юлий Цезарь, известный своей способностью одновременно делать сразу несколько дел, и тот не справился бы с такой нагрузкой.

Чтобы наделить компьютерные системы новыми способностями, была предложена идеология перехода к следующему этапу эволюционного развития цифровых полупроводниковых устройств — к многоядерной архитектуре процессоров и соответствующих платформ. Весной 2005 года корпорация Intel объявила о выходе первых двухъядерных продуктов для настольных систем, созданных на базе 90-нм технологического процесса, — процессора Intel Pentium 840 Extreme Edition, обладавшего способностью обрабатывать до четырех потоков инструкций за счет поддержки технологии Hyper-Threading, процессоров семейства Intel Pentium D серии 8xx (Smithfield), а также наборов микросхем семейства Intel 945/955X Express с поддержкой двухъядерных процессоров. Позднее, в самом начале 2006 года, линейка двухъядерных процессоров была дополнена моделями, созданными на базе нового, 65-нм технологического процесса, — процессором Intel Pentium 955 Extreme Edition и процессорами Intel Penium D серии 9хх (Presler), а также набором микросхем Intel 975X Express.

В III квартале текущего года корпорация Intel планирует начать поставки процессора с кодовым наименованием Conroe — первого оптимизированного для настольных ПК процессора, разработанного на базе новой микроархитектуры Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности. Эта же микроархитектура будет положена в основу первого четырехъядерного процессора для настольных ПК с кодовым наименованием Kentsfield, начало поставок которого запланировано на I квартал 2007 года.

В настоящее время корпорация Intel занимается разработкой более 20 двухъядерных и многоядерных процессоров, являющихся основой построения платформ для высокопроизводительных серверов, массовых серверов, рабочих станций, настольных ПК, мобильных и сетевых устройств. Поставки семи из этой двадцатки процессоров уже начались, выпуск остальных намечен на 2006-2007 годы либо позднее.

В начало В начало

Немного теории

Многоядерный процессор содержит два или более вычислительных ядер на одном кристалле. Он имеет один корпус и устанавливается в один разъем на системной плате, но операционная система воспринимает каждое его вычислительное ядро как отдельный процессор с полным набором вычислительных ресурсов. Например, двухъядерный процессор — это реализация многоядерности с двумя вычислительными ядрами.

Результаты опроса, проведенного компанией Harris Interactive по заказу корпорации Intel, показали, что девять из десяти пользователей не раз сталкивались с проблемами, запуская одновременно несколько приложений с высокой интенсивностью вычислений. Среди типичных проблем отмечались зависание компьютера, временные задержки при воспроизведении видео, отключение функций, задержки обновления экрана, а также ухудшение качества воспроизведения звука. У домашних пользователей это вызывает раздражение, для корпоративных же пользователей секунды задержек складываются в минуты, часы, дни и даже недели ожидания, отнимая рабочее время сотен и тысяч работников, снижая производительность и уменьшая практический результат.

Переход к многоядерным вычислениям был принят в качестве долговременной стратегии много лет назад. Специалисты Intel уже давно работают над концепцией параллелизма и над аппаратными средствами реализации многопоточности, при этом впервые эта тема открыто обсуждалась в статье, написанной в 1989 году архитекторами Intel Патриком Гелсингером (Pat Gelsinger), Паоло Гарджини (Paolo Gargini), Герхардом Паркером (Gerhard Parker) и Альбертом Ю (Albert Yu). Хотя исследования в этой области корпорацией Intel проводились и ранее, публикация данной статьи стала первым открытым обсуждением концепции многоядерных процессоров.

В 1993 году Intel внедрила в массовое производство параллелизм на уровне команд, выпустив процессор Intel Pentium, обладавший способностью декодировать и выполнять команды вычислительного потока параллельно. Годом позже специалисты Intel реализовали двухпроцессорную обработку (два полноценных процессора помещались в два разъема на одной системной плате), создав аппаратную многопоточную среду для серверов и рабочих станций. В 1995 году был представлен процессор Intel Pentium Pro, поддерживавший эффективное объединение четырех процессоров на одной системной плате, что позволило обеспечить более высокую скорость обработки данных в многопоточных приложениях, ориентированных на серверные платформы и рабочие станции.

Появление в 2002 году технологии Hyper-Threading (HT) ознаменовало приход многопоточного параллелизма, то есть возможности выполнять разные потоки приложений одновременно на одноядерном процессоре.

     

Многоядерные платформы Intel

Платформы для мобильных ПК

Napa (2006 год) — технология Intel Centrino Duo для мобильных ПК:

  • процессор Yonah;
  • набор микросхем Calistoga — семейство наборов микросхем Intel 945 Express для мобильных ПК;
  • сетевой адаптер Intel Pro/Wireless 3945.

Обновленная версия платформы Napa, которая планируется к выпуску во второй половине этого года, будет также поддерживать процессоры Merom.

Santa Rosa (2007 год) — технология Intel Centrino Duo для мобильных ПК следующего поколения:

  • процессор Merom;
  • набор микросхем Crestline;
  • беспроводной сетевой адаптер Kedron.

Платформы для настольных ПК

Цифровой дом

Anchor Creek (2005 год):

  • процессоры Intel Pentium Extreme Edition, Intel Pentium D (Smithfield и 65-нм Presler), Intel Pentium 4;
  • наборы микросхем Intel 945G/955X Express;
  • сетевое решение 83573E.

Bridge Creek (2006 год):

  • процессоры Intel Pentium D (Smithfield и 65-нм Presler), семейство Conroe;
  • набор микросхем Broadwater;
  • гигабитное сетевое решение Intel.

Цифровой офис

Lyndon (2005 год):

  • процессоры Intel Pentium D (Smithfield и 65-нм Presler), Intel Pentium 4;
  • набор микросхем Intel 945G/955X Express;
  • сетевое решение Intel Pro/1000 PM;
  • технологии Intel Active Management Technology и Intel Virtualization Technology.

Averill (2006 год):

  • процессоры Intel Pentium 4, Intel Pentium D (Smithfield и 65-нм Presler), семейство Conroe;
  • набор микросхем Broadwater;
  • технологии Intel Active Management Technology второго поколения и Intel Virtualization Technology.

В некоторых платформах для цифрового офиса, в том числе в Averill, будет реализована технология LaGrande Technology.

Платформы для центров данных и серверных систем уровня предприятия

Однопроцессорные серверы Pailo:

  • процессоры Intel Pentium D (Smithfield и 65-нм Presler), Intel Pentium 4;
  • набор микросхем Intel 7230.

Kaylo:

  • семейство процессоров Conroe;
  • семейство наборов микросхем Mukilteo-2.

Серверы с низким энергопотреблением:

  • процессор Sossaman;
  • набор микросхем Intel E7520.

Двухпроцессорные серверы на базе процессоров семейства Intel Xeon Bensley:

  • процессоры Dempsey, Woodcrest;
  • набор микросхем Blackford.

Многопроцессорные серверы на базе процессоров семейства Intel Xeon MP Truland:

  • процессоры Paxville MP, Tulsa;
  • наборы микросхем Intel E8500 и E8501.

Caneland (будущая платформа для многопроцессорных серверов):

  • процессоры Tigerton, Dunninton;
  • будущий набор микросхем.

Платформы на базе процессоров семейства Intel Itanium:

  • процессоры Montecito, Montvale;
  • набор микросхем Intel E8870.

Richford (будущие платформы на базе процессора Itanium):

  • процессоры Tukwila, Poulson;
  • будущий набор микросхем.

Платформы для рабочих станций уровня предприятий Glidewell (для двухпроцессорных рабочих станций):

  • процессоры Dempsey, Woodcrest;
  • набор микросхем Greencreek.

Gallaway (для однопроцессорных рабочих станций):

  • процессоры Intel Pentium D (Smithfield и 65-нм Presler), Intel Pentium 4;
  • набор микросхем Intel 955X Express.

Wyloway (для однопроцессорных рабочих станций):

  • процессор Conroe;
  • набор микросхем Intel 975X Express.

Процессоры семейства Intel Itanium для серверных систем

Montecito — двухъядерный процессор Intel на базе 90-нм производственной технологии из семейства Intel Itanium. Пробные поставки систем на базе данного процессора уже начались, а массовые поставки ожидаются в середине 2006 года. В процессоре Montecito также реализована технология HT, позволяющая одновременно выполнять четыре потока команд. Процессор содержит более 1,7 млрд. транзисторов и обладает кэш-памятью третьего уровня объемом 24 Мбайт. Предусмотрена также поддержка технологии Intel Virtualization Technology.

Montvale — следующая модель двухъядерного процессора Intel на базе 90-нм производственной технологии из семейства процессоров Intel Itanium, основанная на Montecito. Начало выпуска планируется на 2007 год.

Tukwila — многоядерный процессор из семейства Intel Itanium, выпуск которого намечен на 2008 год. Процессор Tukwila будет содержать четыре или более ядер и иметь общую архитектуру с платформой на базе процессоров семейства Intel Xeon.

Dimona — процессор из семейства Intel Itanium для двухпроцессорных серверов, построенный на базе процессора Tukwila.

Poulson — процессор из семейства Intel Itanium, следующий в планах выпуска продукции за процессором Tukwila.

Процессоры семейства Intel Xeon для серверных систем

Intel Xeon MP (ранее известный под кодовым названием Paxville MP) — двухъядерный процессор Intel выпущен в IV квартале прошлого года, изготовлен по 90-нм производственной технологии для многопроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon, содержащих четыре или более процессоров. В процессоре Paxville MP также реализована технология HT, позволяющая одновременно выполнять четыре потока команд на каждом процессоре. Paxville MP используется в серверах на базе платформы Truland.

Tulsa — двухъядерный процессор семейства Intel Xeon для многопроцессорных серверов (четыре или более процессоров), который будет производиться с использованием 65-нм технологического процесса. Это следующая модель после выпускающегося сейчас двухъядерного процессора Intel Xeon MP, производимого по 90-нм технологическому процессу (ранее был известен под кодовым наименованием Paxville MP). Выпуск этого процессора начнется в нынешнем году в составе платформы Truland. В процессоре Tulsa также реализована технология HT, позволяющая одновременно выполнять четыре потока команд на каждом процессоре. Объем совместно используемой кэш-памяти третьего уровня составит 16 Мбайт. Кроме того, в процессоре Tulsa будут реализованы технологии Intel Virtualization Technology и Pellston, которые позволят обеспечить максимальное время безотказной работы для жизненно важных вычислительных сред благодаря применению многоядерных процессоров с кэш-памятью большого объема.

Tigerton — четырехъядерный процессор Intel Xeon для многопроцессорных серверов будет производиться с использованием 65-нанометрового технологического процесса и войдет в состав новой платформы Caneland. Процессор Tigerton, выпуск которого запланирован на 2007 год, основан на новой микроархитектуре Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности и будет поддерживать новые высокоскоростные межсоединения.

Dunnington — многоядерный процессор Intel для многопроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. Начало поставок планируется на 2008 год. Dunnington — следующая модель после Tigerton.

Intel Xeon (ранее известный под кодовым названием Paxville DP) — недавно выпущенный двухъядерный процессор Intel изготовлен по 90-нм производственной технологии и предназначен для двухпроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. В нем реализована технология HT, позволяющая одновременно выполнять четыре потока команд на каждом процессоре. Эти процессоры используются в серверах, построенных на базе набора микросхем Intel E7520 (ранее известного по кодовым названием Lindenhurst).

Dempsey — двухъядерный процессор Intel изготовлен по 65-нм производственной технологии для использования в двухпроцессорных серверах и рабочих станциях на базе процессоров Intel Xeon. Первые поставки этих процессоров начнутся в самое ближайшее время, а созданные на их основе системы появятся во II квартале текущего года. В процессоре Dempsey также реализована технология HT, позволяющая одновременно выполнять четыре потока команд на каждом процессоре.

Intel Xeon LV (ранее известный под названием Sossaman) — двухъядерный процессор Intel Xeon с низким энергопотреблением, который отличается лучшим в отрасли соотношением производительности на один ватт потребляемой энергии. Он идеально подходит для создания решений с высокой плотностью вычислительных ресурсов и низким энергопотреблением. Этот процессор разработан на основе микроархитектуры Intel для мобильных процессоров (ядро Yonah) и потребляет около 31 Вт энергии. Поставки его начались в I квартале текущего года. Процессоры Intel Xeon LV предназначены для использования в двухпроцессорных серверах, построенных на базе наборов микросхем Intel E7520 (Lindenhurst).

Woodcrest — двухъядерный процессор Intel следующего поколения для двухпроцессорных серверов и рабочих станций, основанный на новой микроархитектуре Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности. Начало поставок этих процессоров запланировано на III квартал текущего года.

Clovertown — первый четырехъядерный процессор Intel для двухпроцессорных серверов и рабочих станций, основанный на новой микроархитектуре Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности. Процессоры Clovertown будут включать четыре полных исполняющих ядра. Их поставка в составе платформы Bensley должна начаться в I квартале 2007 года.

Процессоры для настольных систем

Intel Pentium Extreme Edition — двухъядерный процессор, изготовленный на базе ядер Smithfield и Presler с поддержкой технологии HT, позволяющей одновременно выполнять четыре потока команд на каждом процессоре. Вариант этого процессора на ядре Smithfield (90-нм производственная технология) был выпущен вместе с набором микросхем Intel 955X Express 18 апреля 2005 года. Вариант Intel Pentium Extreme Edition, созданный на ядре Presler (65-нанометровая технология), появился в январе этого года.

Intel Pentium D (ранее известный под кодовым названием Smithfield) — торговая марка стандартного двухъядерного процессора класса Intel Pentium на ядре Smithfield (90-нм производственная технология), предназначенного для массового пользователя. Не поддерживает технологию HT. Выпуск этого процессора начался 26 мая 2005 года.

Intel Pentium D (ранее известный под кодовым названием Presler) — двухъядерный процессор Intel для настольных ПК на базе 65-нм производственной технологии, использующий два ядра Cedar Mill в одном корпусе (multi-chip processor package, MCP). Не поддерживает технологию HT. Этот процессор Intel Pentium D на базе 65-нм технологии был выпущен в начале января этого года.

Intel Pentium 4 (ранее известный под кодовым названием Cedar Mill) — одноядерный процессор Intel на базе 65-нм производственной технологии. Выпуск начался в январе текущего года.

Conroe — двухъядерный процессор Intel для настольных ПК, созданный на базе 65-нм производственной технологии, разработан на базе новой микроархитектуры Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности. Поставки этих процессоров должны начаться в III квартале текущего года.

Kentsfield — первый четырехъядерный процессор Intel для сегмента наиболее высокопроизводительных настольных ПК, основанный на новой микроархитектуре Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности. Начало поставок этих процессоров запланировано на I квартал 2007 года.

Процессоры для мобильных систем

Intel Core Duo (ранее известный под кодовым названием Yonah) — двухъядерный процессор Intel на базе 65-нм производственной технологии, оптимизированный для мобильных ПК, был выпущен в начале января текущего года. Процессор Intel Core Duo является компонентом платформ, созданных на базе технологии Intel Centrino Duo для мобильных ПК (ранее известной под кодовым наименованием Napa).

Merom — оптимизированный для мобильных систем двухъядерный процессор Intel нового поколения, созданный на базе 65-нм производственной технологии и новой микроархитектуры Intel Core с передовыми показателями энергоэффективной производительности. Merom войдет в состав обновленной платформы Napa, его поставки начнутся в этом году. Кроме того, процессор Merom войдет в состав платформы под кодовым названием Santa Rosa, которая будет выпущена в первой половине 2007 года.

 
В начало В начало

Два лучше, чем один

В случае появления любой инновации первые вопросы, которыми задаются пользователи, всегда одинаковые. Что данная инновация сулит лично мне? Смогу ли я делать с ее помощью то, чего не мог делать раньше?

Большинство приложений, уже сегодня оптимизированных для параллельного исполнения вычислительных потоков (скажем, программ, поддерживающих технологию Hyper-Threading либо предназначенных для исполнения на рабочих станциях или серверах с двухпроцессорной конфигурацией), при выполнении на многоядерном процессоре демонстрируют хорошую масштабируемость производительности. К этой категории относятся мультимедийные приложения (ПО для создания контента, для редактирования и воспроизведения локальных и поточных мультимедийных данных), научные приложения и CAD/CAM-системы.

Что касается многозадачности, то благодаря многоядерной архитектуре процессора может быть улучшено время отклика ПК в любой среде, где пользователь активно работает с двумя или более приложениями либо где фоновые процессы (антивирусная проверка, фильтрация спама, обновление ПО и драйверов, архивирование файлов, автоматическая проверка почтового ящика и т.п.) конкурируют друг с другом и несколькими приложениями пользователя за вычислительные ресурсы. Попытайтесь, например, во время интенсивной антивирусной проверки запустить текстовый редактор и набрать несколько фраз — в течение некоторого времени ПК будет пробуксовывать, не отображая набранного текста на экране. Приложения, требующие высокой интенсивности вычислений, тормозят друг друга, что очень хорошо заметно, например, при обработке видео и одновременном запуске игры.

Многозадачных сценариев использования многоядерных платформ существует великое множество — это, в частности, редактирование фотографий при одновременной записи телепередачи с помощью цифрового видеомагнитофона или загрузка контента из Интернета при одновременном антивирусном сканировании в фоновом режиме.

Многоядерные процессоры отражают тенденцию последних лет: производительность компьютеров постоянно повышается и вместе с тем уменьшается потребляемая мощность.

Все большее значение многоядерные процессоры приобретают в условиях всеобщей «цифрофикации» окружающей нас информации. Музыка, видео, фотографии, игры — их носители повсеместно становятся цифровыми, растет и количество устройств, генерирующих, обрабатывающих и хранящих цифровой контент (фото- и видеокамеры, DVD- и МР3-плееры и т.д.). Мир стоит на пороге полномасштабной реализации концепции цифрового дома, когда все устройства в нашем жилище будут объединены в домашнюю сеть, позволяющую предоставлять сервис по обработке цифрового контента в качестве обычной коммунальной услуги. Круг обязанностей домашнего ПК существенно расширится, а, жизнь в цифровом доме будет во многом зависеть от эффективности многозадачной работы многоядерных процессоров и от их способности управлять всем комплексом устройств: телевизорами, стереосистемами, видеокамерами, а также другими устройствами и аппаратами в цифровом доме.

Еще одна важная задача — расширение коммуникационной функции ПК. Проникновение в наши офисы и дома новых телекоммуникационных технологий, таких как VoIP, а также рост пропускной способности сетей требует обработки огромного количества пакетов данных, но это не должно влиять на скорость работы основных приложений. Многоядерные процессоры помогут справиться с этой задачей, правильно распределив ресурс вычислительных ядер для обработки сетевых пакетов и выполнения других приложений.

Многоядерные процессоры Intel в сочетании с другими компонентами платформ предоставляют расширенные возможности для управления и для обеспечения безопасности. Они позволяют уменьшить время отклика системы во время одновременной работы нескольких управляющих или профилактических программ, таких как антивирусная проверка, обновление ПО, проверка конфигурации или запрос на инвентаризацию. Более того, используя технологию виртуализации, поддерживаемую многими платформами Intel, можно одновременно запустить несколько операционных систем без снижения производительности приложений в каждой из них.

Значительные вычислительные ресурсы многоядерных процессоров предоставят разработчикам игр большую степень свободы для создания полноценной графики, для реализации физики процессов, а также функций искусственного интеллекта. Например, при обработке алгоритма воспроизведения фотореалистичной графики, требующего огромной вычислительной мощности, можно использовать одно или несколько специализированных ядер для рендеринга в реальном времени.

Кроме качества изображения, выразительность игре придадут встроенные в нее расширенные функции искусственного интеллекта. Например, сегодня противостоящий игроку компьютерный персонаж наделен только возможностью оптимального вычисления маршрута перемещения: ужасные монстры достаточно хорошо ориентируются в игровых лабиринтах, но не обладают тем уровнем интеллекта, которого можно ожидать от живого соперника. В будущем разработчики игр смогут использовать преимущества многоядерных процессоров: одно или несколько ядер займутся обработкой графики, а остальные будут выполнять функции искусственного интеллекта. Это позволит создавать в высшей степени реалистичные игры.

Несмотря на то что для полного овладения тонкостями многопоточного программирования разработчикам игр потребуется еще какое-то время, ведущие разработчики игр, включая компании Epic Games, Lionhead Studios, BioWare, Ubisoft и др., уже используют эту технологию при разработке игр.

КомпьютерПресс 5'2006