Многоядерные процессоры сегодня. Характеристики. Основные производители. Перспективы. юридический факультет

Введение………………………………………………………………………………3
1. Структура многоядерных вычислительных комплексов……………………….4
1.1 Основные проблемы создания многоядерных процессоров………………..…7
1.2 Преимущества многоядерных систем…………………………………………..8
1.3 Недостатки многоядерных систем………………………………………………8
2. Программное обеспечение многоядерных ОС………………………………....10
2.1 Особенности перехода к параллельным вычислениям………………………11
2.2 Инструментальные средства разработки ПО………………………………...12
3. Перспективы развития…………………………………………………………...20
Заключение………………………………………………………………………….23
Список литературы…………………………………………………………………24

На сегодняшний день процессоры стали частью нашей жизни. Они используются в электронных приборах практически во всех сферах человеческой жизни: в армии, медицине, образовании, коммерческой деятельности, быту и т.п. В быту процессоры применяются в телевизорах, телефонах, холодильниках и т.д. Развитие микропроцессоров увеличивает функциональные и вычислительные возможности электронных приборов. Уменьшающейся размер микропроцессоров позволяет встраивать их в более мелкие приборы (такие как телефоны и планшетные компьютеры и т.п), а увеличивающаяся вычислительная мощность процессора позволяет решать более сложные задачи. Для увеличения производительности процессоров используют многоядерные архитектуры.
В первой главе данной работы описана структура процессора и почему необходимо развивать вычислительную мощность. Структура многоядерной архитектуры ее достоинства и недостатки.
Во второй главе описаны особенности реализации многоядерной архитектуры: параллельные вычисления, программное обеспечение.
И в последней главе работы описаны новейшие классификации и перспективы развития многоядерных процессоров, по мнению крупнейших производителей процессоров.


1 .Структура многоядерных вычислительных комплексов

Структура процессора

Процессор, центральное устройство вычислительной машины, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины [1]. На рисунке 1 представлена структура процессора

Структура многоядерных процессоров

Многоядерный процессор - это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе [1].
Первый ( одно ядерный) микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971г. Корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил $300.
Требования к вычислительной мощности центрального микропроцессора постоянно росли и продолжают расти. Но если раньше производителям процессоров приходилось постоянно подстраиваться под текущие насущные (вечно растущие) запросы пользователей ПК, то теперь чипмейкеры идут с большим опережением.
Долгое время повышение производительности традиционных одно ядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: сегодня процессоры выпускаются по 45-нм технологии, а размеры атома кремния - приблизительно 0,543 нм):
• во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением тактовой частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и увеличению выброса тепла;
• во-вторых, преимущества более высокой тактовой частоты частично сводятся на нет из-за задержек при обращении к памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам;
• в-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с возрастанием тактовой частоты из-за так называемого «фон-неймановского узкого места» - ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений. При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты.
Применение многопроцессорных систем также не получило широкого распространения, так как требует сложных и дорогостоящих многопроцессорных материнских плат. Поэтому было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности, зародившаяся в мире суперкомпьютеров, - это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд.
Так в компании Intel родилась Hyper-Threading Technology (HTT) - технология сверх поточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одно ядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно[3]. Hyper-threading значительно повышает эффективность выполнения ресурсосберегающих приложений (например, связанных с аудио- и видео редактированием, 3D-моделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме.
Процессор Pentium 4 с включенным Hyper-threading имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических, поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного)[3].
Hyper-threading фактически стала трамплином к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле. В 2-ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают большую производительность, поскольку параллельно (одновременно) выполняются два независимых потока инструкций.
Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков (TLP - thread-level parallelism). Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации (в некоторых случаях она просто бесполезна).

1.1 Основные проблемы создания многоядерных процессоров

• каждое ядро процессора должно быть независимым, - с независимым энергопотреблением и управляемой мощностью;
• рынок программного обеспечения должен быть обеспечен программами, способными эффективно разбивать алгоритм ветвления команд на четное (для процессоров с четным количеством ядер) или на нечетное (для процессоров с нечетным количеством ядер) количество потоков;

1.2 Преимущества многоядерных процессоров

• возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;
• увеличение скорости работы программ;
• процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;
• более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видеоредакторов);
• снижение энергопотребления;
• работа пользователя ПК становится более комфортной;

1.3 Недостатки многоядерных процессоров

Возросшая себестоимость производства многоядерных процессоров (по сравнению с одно ядерными) заставляет чипмейкеров увеличивать их стоимость, а это отчасти сдерживает спрос. Так как с оперативной памятью одновременно работают сразу два и более ядра, необходимо «научить» их работать без конфликтов. Возросшее энергопотребление требует применения мощных схем питания. Требуется более мощная система охлаждения. Количество оптимизированного под многоядерность программного обеспечения ничтожно мало (большинство программ рассчитаны на работу в классическом одноядерном режиме, поэтому они просто не могут задействовать вычислительную мощь дополнительных ядер). Операционные системы, поддерживающие многоядерные процессоры (например, Windows XP SP2 и выше) используют вычислительные ресурсы дополнительных ядер для собственных системных нужд.
Следует признать, что в настоящее время многоядерные процессоры используются крайне неэффективно. Кроме того, на практике n-ядерные процессоры не производят вычисления в n раз быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он во многом зависит от типа приложения. У программ, которые не рассчитаны на работу с многоядерными процессорами, быстродействие увеличивается всего на 5%. А вот оптимизированные под многоядерные процессоры программы работают быстрее уже на 50%.
Лидеры процессоростроения, компании Intel и AMD, считают, что будущее за параллельными вычислениями и продолжают последовательно наращивать количество ядер в процессорах.
Появление многоядерных