В течение ближайших двух лет почти все микропроцессоры будут оснащаться двумя или даже большим числом ядер

Три с половиной десятилетия назад корпорация Intel выпустила свой первый микропроцессор — легендарную модель 4004. Тактовая частота этого 4-разрядного устройства составляла всего 104 кГц. За прошедшие годы тактовые частоты и производительность процессоров удваивались по крайней мере каждые полтора года.

Однако в нынешних условиях борьба за повышение тактовой частоты процессоров без их перенагревания становится все более трудным и дорогостоящим занятием. Разработчики микросхем используют множество различных методов с тем чтобы максимально увеличить пропускную способность процессоров, не повышая при этом их тактовой частоты. В числе таких приемов — многопотоковая обработка данных, прогнозирование условных переходов в командах и повышение эффективности использования кэшей. Но самое перспективное направление — размещение на одном кристалле нескольких процессорных ядер.

В 2001 году корпорация IBM разработала свой первый универсальный «двухъядерный» (dual-core) процессор Power4, предназначенный для серверов IBM eServer линеек pSeries и iSeries. В начале 2004-го Sun Microsystems выпустила оснащенный двумя ядрами процессор UltraSparc IV для серверов Sun Fire V, а компания Hewlett-Packard представила построенный на базе двух ядер процессор PA-RISC 8800. Ответ со стороны Advanced Micro Devices последовал летом: общественности был продемонстрирован оснащенный двумя ядрами Opteron (64-разрядный процессор от AMD с поддержкой системы команд x86).

И наконец, корпорация Intel объявила о планах выпуска процессора Montecito с двумя ядрами на базе Itanium 2.

Некоторые утверждают, что в течение ближайших двух лет почти все микропроцессоры — устанавливаемые в настольных ПК и в более сложных системах — будут оснащаться двумя или даже большим числом ядер. И надо сказать, что основания для таких прогнозов весьма веские. Производительность двухъядерного процессора может быть почти в два раза выше, чем у одноядерного, а его стоимость будет намного ниже, нежели у двух процессоров, имеющих по одному ядру. При размещении двух процессоров на одном кристалле скорость обмена информацией между ними возрастает, а совместное использование кэш-памяти может еще более повысить эффективность обработки данных. Кроме того, двухъядерные процессоры занимают меньше пространства, потребляют меньше энергии и рассеивают меньше тепла, нежели отдельные процессоры.

Проверка практикой

Поставщики утверждают, что процессоры на базе нескольких ядер хорошо подходят для обработки транзакций, а также для обслуживания баз данных и для научных применений.

«Наверное, близка к истине такая оценка: быстродействие этих процессоров на 40-80% выше обычных, — полагает Кевин Крюэлл, главный редактор бюллетеня Microprocessor Report и аналитик базирующейся в Сан-Хосе фирмы In-Stat/MDR. — Новые изделия не столь эффективны при установке на машинах, выполняющих одно приложение, или при работе с программами, команды которых не поддаются распределению на два параллельных потока».

Число транзисторов на одной интегральной схеме будет по-прежнему удваиваться раз в полтора года, но использование этой дополнительной мощности в дальнейшем будет организовано по-иному.

«Гонка тактовых частот закончена, — констатирует Крюэлл. — Да, на рынке появляются интегральные схемы со все большим числом транзисторов, но это не значит, что нужно продолжать стремиться наращивать число инструкций, выполняемых за один цикл. По мнению большинства специалистов, в этой области мы подошли к предельным значениям».

Дополнительные транзисторы используются для создания дополнительного механизма обработки — и для организации многопоточной обработки, в ходе которой параллельно выполняется несколько потоков команд. Характерно, что в октябре в Intel решили отказаться от своих первоначальных планов повышения тактовой частоты процессора Pentium 4 до 4 ГГц; вместо этого она будет увеличивать емкость размещенного на кристалле кэша.

Поставщики приступили к проектированию процессоров с числом блоков обработки данных более двух, но перед ними встает ряд проблем. Во-первых, размеры используемых в настоящее время полупроводниковых цепей составляют 130 и 90 нанометров и на кристалле трудно разместить более двух ядер. Но кристаллы с четырьмя или даже с большим числом блоков обработки данных получат широкое распространение, когда отрасль перейдет на 65-нанометровую технологию.

Компания Sun уже работает над созданием многоядерных процессоров. В 2006 году в продажу поступит восьмиядерный процессор Niagara. Он будет выполнен по 90-нанометровой технологии, оснащен функциями поддержки операционной системы Solaris. Предполагается, что процессор Niagara будет «обращен к среде Web, это будет первое звено серверного парка». «К примеру, появится возможность одновременно обрабатывать 32 пользовательских запроса на поиск», — рассказывает Марк Трембли, главный архитектор процессоров в компании Sun.

По его мнению, еще одна проблема, которую предстоит решить изготовителям многоядерных процессоров, связана с программными средствами. Для обеспечения эффективного функционирования столь большого числа размещенных на одной полупроводниковой пластине процессоров операционная система должна проделать немалый объем работ.

«Windows XP сравнительно хорошо масштабируется в четырехпроцессорных и восьмипроцессорных системах, но в системах на базе 16 или 32 процессоров все будет не так просто», — утверждает Трембли.

Даже первые пользователи двухъядерных процессоров могут, как утверждает Крюэлл, столкнуться с проблемами в сфере лицензирования программных средств. Многие поставщики продают лицензии в расчете на один процессор. До настоящего времени отличительной особенностью каждого нового поколения микропроцессоров были более высокие тактовые частоты; нередко при увеличении производительности процессора в два раза стоимость сопровождающего программного обеспечения оставалась прежней. Теперь же, если быстродействие процессоров нового поколения удвоится за счет добавления второго процессорного ядра, стоимость лицензирования программных средств, возможно, тоже повысится вдвое.

Ожидается, что в течение ближайших двух лет процессоры с двумя ядрами станут общепринятым стандартом, и попытки поставщиков программных средств рассчитывать лицензионные сборы с каждого процессорного ядра могут ударить по их собственным интересам.


Раздвоение

В 2001 году корпорация IBM разработала свой первый универсальный «двухъядерный» (dual-core) процессор Power4, предназначенный для серверов IBM eServer линеек pSeries и iSeries. В начале 2004-го Sun Microsystems и Hewlett-Packard представили свои версии двухядерных микропроцессоров. Ответ со стороны Advanced Micro Devices последовал летом. И наконец, корпорация Intel объявила о планах выпуска процессора Montecito с двумя ядрами на базе Itanium 2

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями