Многоядерные микропроцессоры

По мнению многих специалистов повышение быстродействии МП путем увеличения тактовой частоты их работы исчерпало себя. Уже МП Pentium 4Е с тактовой частотой 3,8 ГГц потребляет мощность около 160 Bт (сила тока более 100 А) и это при площади кристалла 1,2 кв². Поэтому компания Intel отказалась от своих планов поднять в ближайшие годы тактовую частоту МП до 20 ГГц, а производительность МП решено увеличивать путем параллельного выполнения вычислений. Подобные идеи уже реализованы в высокопараллельных многопроцессорных системах и в серверных МП Xeon (Intel) и Opteron (AMD). В МП для персональных компьютеров на середину 2005 года дело ограничивалось лишь созданием в одном физическом МП двух параллельно работающих виртуальных процессоров (технология HT, например). Но виртуальная многопроцессорность обеспечивает реальный рост производительности 10–30% да и то только для программ, допускающих распараллеливание вычислений и, что особенно важно — в которых команды параллельных потоков не используют одновременно одни и те же аппаратные ресурсы процессора, например, МПП, кэш-память L1, АЛУ и другие. А это бывает крайне редко.

Существенно больший эффект обеспечивают двухъядерные МП Xeon и Opteron. Первыми двухъядерный процессор представила в августе 2004 года и выпустила в апреле 2005 года компания AMD (64 разрядный Opteron, предназначенный для высокопроизводительных серверов). Компания Intel немного запоздала с выпуском своего двухъядерного 64 разрядного МП Xeon (сентябрь 2005 года). Двухъядерный микропроцессор Xeon (кодовое название Paxville) с тактовой частотой 2,8 ГГц, имеет кэш-память L2 емкостью 2 Мб и работает с оперативной памятью DDR 2. Два ядра этого МП делят одну шину. Paxville позиционируется как серверный процессор, которому для работы требуется и новый чипсет — Intel E8500. Ядро Smithfield микропроцессора представляет собой микросхему, объединяющую на одном монокристалле два ядра Prescott, не имеющих общих схемных компонент (двухъядерные МП Athlon 64 X2 компании AMD имеют общие для ядер компоненты: арбитр шины и контроллер памяти DDR).

Двухъядерные МП по сравнению с параллельными виртуальными процессорами обеспечивают существенно большую производительность, поскольку у них почти нет совместно используемых процессорных ресурсов (АЛУ, МПП, кэш-память L1 у каждого свои). Потребляемая мощность у них значительно меньше, чем у более высокочастотных одноядерных МП той же производительности. Учитывая названные достоинства двухъядерные, а в последствии и многоядерные МП будут активно использоваться и в персональных компьютерах. По прогнозам специалистов в 2007 году более 70% новых настольных ПК будут иметь двухъядерные микропроцессоры. Для двухъядерных МП необходимы системные платы со специальными разъемами и чипсетами. В частности Intel представила чипсеты i945, 955, 965 и 975, поддерживающие многоядерную конфигурацию и работающие только с памятью DDR.

Особо следует сказать об анонсированных компаниями Sony, Toshiba и IBM в феврале 2005 года девятиядерных микропроцессорах Cell(cell –ячейка). Эти МП используют все новейшие достижения микроэлектроники: 0,09 мкм технология, «кремний на изоляторе» (SOI), «напряженный кремний» (strained Si), медные соединения (Cu). Площадь объединившего девять ядер кристалла — 2,2.см², число транзисторов — 234 млн., тактовая частота — 4 ГГц и очень низкое энергопотребление — 80 Вт.

Среди включенных в кристалл девяти ядер выделено одно ядро — Power Processor Element (PPE), построенный на базе RISC МП Power PC. PPE содержит еще два 64-разрядных ядра, поддерживающих выполнение двух потоков вычислений.

8 остальных ядер представляют собой векторные процессоры, каждый со своей локальной памятью. Они могут работать как независимо друг от друга, так и согласованно, распределяя между собой вычислительную работу.

Микропроцессоры Cell позиционируются как весьма универсальные процессоры для использования и в серверах, и в персональных настольных и портативных компьютерах, и даже в домашней технике (телевизорах, например). Один из руководителей компании IBM сказал, что архитектура Cell может определить развитие МП на период ближайших 10–20 лет.

Первым представителем двухъядерных процессоров для персональных компьютеров в 2005 году стал Pentium D, известный под кодовым именем «Smithfield», выполненный по 0,09 мкм технологии. PentiumD двухъядерный отличается от одноядерных Рentium 4E незначительно — он также использует разъем LGA 775, но для его работы необходим системный чипсет i945 или с большим номером из серии i900.