Ядерный процессор от фирмы INTel

Еще в 2001 году руководство фирмы Intel уверенно обещало дотянуть одноядерную архитектуру процессоров Pentium до 2010 года с поднятием планки их рабочей частоты до 10 ГГц. Однако уже в 2008 году Intel объявила о прекращении выпуска одноядерных микропроцессоров. Новый80-ядерный процессор от Intel, который в некоторых документах имеет обозначение Polaris, обеспечивает производительность до 1,28 триллиона операций с плавающей точкой в секунду (терафлопс) при частоте 4 ГГц.

Микропроцессор построен по технологии 65 нм из 100 млн транзисторов на кристалле площадью 275 мм². Для сравнения: двухъядерный Intel Core 2 Ex TR eme, также с технологическими нормами 65 нм, содержит 291 млн транзисторов на площади 143 мм². Разница обусловлена малым количеством памяти на кристалле нового МП и доминированием логических схем и схем ввода-вывода, размер которых трудно минимизировать. Большое внимание в нем уделено новому показателю, который занимает все более главенствующее положение, - производительность/ватт. По этому показателю Polaris обеспечивает чрезвычайную энергоэффективность: 16 гигафлопс/Вт. Процессор работает при напряжении питания 0,95 В.

Согласно заявлению представителей Intel, достигнутые показатели отнюдь не являются предельными. Инженеры компании могут значительно увеличить производительность процессора за счет увеличения его тактовой частоты. Так, например, на частоте 5,1 ГГц процессор демонстрирует 1,63 терафлопс, а на частоте 5,7 ГГц - 1,81 терафлопс. Однако с ростом тактовой частоты растет и потребляемая мощность, составляя при вышеуказанных режимах работы 175 и 265 ватт соответственно.

Polaris представляет собой 80 одинаковых процессорных элементов, каждый из которых состоит из вычислителя и маршрутизатора на 6 портов. Вычислитель содержит 2 устройства для операций умножения с накоплением (FP MultIPle-Accumulator, FPMAC), 3 Кбайт памяти команд и 2

Кбайт памяти данных, набор 32-разрядных регистров и оперирует 96-разрядными сверхдлинными словами команд (Very Long INsTRuction Word -VLIW). Планирование и параллельное выполнение команд возлагается на компилятор (архитектура EPIC, аналогичная реализованной разработчиками Intel и в процессоре Itanium). Она позволяет процессору исполнять до восьми команд за один такт. По своему набору инструкций новый микропроцессор несовместим с x86.

Все арифметические операции выполняются на FPMAC-модулях.

Эффективность многоядерных процессоров во многом определяется пропускной способностью памяти системы. Применение многоканальных шин памяти и повышение их частоты сопряжено с чрезмерным усложнением контроллеров. Другой путь уменьшения задержки - ввести еще один уровень иерархии кэш-памяти. Однако это приведет к неоправданному увеличению памяти на кристалле, площадь которого эффективнее использовать для вычислительной логики. Несколько мегабайт дополнительной кэш-памяти занимают площадь, достаточную для 10 процессорных ядер. Такой подход обеспечит широкий доступ ядер процессора к памяти. Каждый слой будет содержать до 256 Мбайт.

Другой фактор, ограничивающий производительность современных компьютеров, - пропускная способность процессорной шины. Разделяемые шины уже уступают свое место соединениям типа "точка-точка". В Polaris используется сеть процессорных элементов, основанная на передаче данных с коммутацией каналов. Каждый маршрутизатор содержит шесть 39-битных портов и обеспечивает суммарную пропускную способность до 80 Гбайт/c при частоте микросхемы 4 ГГц. Четыре порта ведут к смежным процессорным элементам, один к вычислителю, а шестой порт в перспективе будет взаимодействовать с многослойной памятью. Система коммутации предусматривает взаимодействие каждого маршрутизатора с каждым. В микропроцессоре ядра независимы в плане операций ввода-вывода. Поэтому, добавив необходимое ПО, можно реализовать различные интерфейсы и добиться любой функциональности устройства.

В настоящее время главное достижение Polaris - это создание фундамента (как аппаратного, так и идейного) для отработки новых технологий многоядерных архитектур. Он представляет собой скорее исследовательский проект, чем инженерное решение.

Направление SMT в развитии архитектуры микропроцессоров базируется на том, что одна задача не в состоянии полностью загрузить все возрастающие ресурсы микропроцессора. Поэтому на одном процессоре осуществляется запуск нескольких задач одновременно, при этом распараллеливание программ осуществляется аппаратными средствами МП.

Это позволяет более равномерно загрузить ресурсы процессора. Параллельно в разных устройствах МП могут выполняться команды из разных задач. Так, микропроцессор Alpha 21264 поддерживает выполнение до 4 задач одновременно. При поддержке SMT на 4 нити каждый процессор с точки зрения операционной системы выглядит как 4 логических процессора. Исследования показали, что SMT позволяет увеличить производительность данного процессора до двух раз, а дополнительные схемы управления занимают всего около 10 % площади кристалла.

Некоторые микропроцессоры для максимального повышения своей производительности используют оба вышеназванных подхода. Так, компания Sun Microsystems представила новый процессор ULTRaSPARC T2.

Новый чип снабжен восемью ядрами, каждое из которых может обрабатывать восемь потоков инструкций. Таким образом, он одновременно способен оперировать с 64 потоками. Тактовая частота ULTRaSPARC T2 составляет от 900 МГц до 1,4 ГГц.

Направление EPIC фактически использует известную технологию VLIW (Very Large INsTRuction Word) - очень длинного командного слова.

Распараллеливание алгоритма между исполнительными модулями производится компилятором на этапе создания машинного кода, когда команды объединяются в связки и не конкурируют между собой за ресурсы микропроцессора. При этом упрощается блок управления на кристалле.

Особенности архитектуры EPIC:

a. Явный параллелизм в машинном коде. Поиск зависимостей между командами проводит не процессор, а компилятор.

b. Большое количество регистров.

c. Масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств (АЛУ, FPU, MMX, SSE и т. п.).

d. Применение предикатов. Предикатный подход исходит из предпосылки, что возросшие мощности микропроцессоров позволяют запускать параллельно команды из разных ветвей условного ветвления вместо того, чтобы ожидать формирования истинных признаков для выбора правильного направления или полагаться на блок предсказания переходов, рискуя прийти к необходимости перезагрузки достаточно длинных конвейеров в случае неудачного предсказания. При этом каждая команда снабжается специальным полем условия (предикатом) (рис. 6.1.). По мере определения истинных признаков ветвления те команды, предикаты которых указывали, что они выбраны из другой ветви, снимаются с обработки в конвейере. Результаты команд не записываются в прием ник до определения правильности направления перехода.

Рисунок 6.1 - предикатное исполнение команд

Отметим основные достоинства этого подхода:

1. Упрощается архитектура процессора. Вместо логики распараллеливания на EPIC-процессоре можно разместить больше регист ров, функциональных устройств и т. п.

2. Процессор не тратит время на анализ потока команд.

3. Возможности процессора по анализу программы во время выполнения ограничены сравнительно небольшим участком программы, тогда как компилятор способен произвести анализ всей программы.

4. Если некоторая программа должна запускаться многократно (а именно так и бывает в подавляющем большинстве случаев), выгоднее распараллелить ее один раз при компиляции, а не тратить на это время каждый раз, когда она исполняется на процессоре.

Однако архитектуре EPIC присущ и ряд недостатков:

1. Компилятор производит статический анализ программы, раз и навсегда планируя вычисления. Однако даже при небольших изменениях исходных данных путь выполнения программы существенно изменяется.

2. Значительно усложняются компиляторы, следовательно, увеличиваются время компиляции программы и число ошибок в самих компиляторах. Если первый фактор, учитывая высокое быстродействие современных компьютеров, не очень существенен, то на второй следует обратить определенное внимание. Исследования показывают, что к моменту поставки даже ответственного программного обеспечения в нем содержится примерно 1 ошибка на 10 000 строк исходного кода. Следовательно, программа из 500 тыс. строк будет содержать около 50 ошибок, как бы хорошо ни работали тестировщики. И эти ошибки могут проявиться самым неожиданным образом.

3. Производительность микропроцессора во многом определяется качеством компилятора. Правда, здесь необходимо четко определить, что понимается под производительностью, ведь количество операций, выполняемых микропроцессором в единицу времени, от компилятора не зависит. Но это тема будет особо рассмотрена далее.

4. Увеличивается сложность отладки, так как отлаживается не исходная программа, а оптимизированный параллельный код. Программисту тяжело определить место и причину появления ошибки, так как в процессе трансляции исходной программы ее отдельные команды будут переставлены компилятором для обеспечения оптимальности работы микропроцессора.

Типичным представителем архитектуры EPIC является микропро цессор Itanium фирмы Intel.

Заключение

В данной курсовой работе было изучено устройство микропроцессоров, его технологии изготовления, были рассмотрены виды архитектур микропроцессоров и перспективы развития микроэлектронного производства.

Итак, микропроцессор – это центральное устройство (или комплекс устройств) ЭВМ (или вычислительной системы), которое выполняет арифметические и логические операции, заданные программой преобразования информации, управляет вычислительным процессом и координирует работу устройств системы (запоминающих, сортировальных, ввода — вывода, подготовки данных и др.).

При построении современных МПС используют, в основном, следующие принципы: микропрограммное управление, модульность построения, магистральный обмен информацией, наращиваемость вычислительной мощности.

Архитектуру МП можно классифицировать по большому количеству признаков. Все основные виды архитектур микропроцессоров были рассмотрены в данной работе.

Стоит так же отметить, что в то время как современные компьютеры работают все медленнее, не справляясь с задачами, которые ставит перед ними человек, ученые уже разрабатывают вероятностные процессоры, молекулярные и биологические, оптические компьютеры и квантовые компьютеры, которые придут на смену устаревшим устройствам. И в настоящее время уже существуют работающие модели некоторых таких МП.