В те времена никому бы и в голову не пришло, что IBM PC или Macintosh можно поставить дома. А в наши дни домашний и офисный компьютеры мало чем различаются. Технический прогресс привел к унификации производства процессоров независимо от их предназначения. Разработать и производить одну модель гораздо дешевле, чем две разные. Часто бывает так, что технологии, используемые в корпоративном мире, открывают новые горизонты для пользователей домашних компьютеров, и наоборот. Не претендуя на то, что можно объять необъятное, проиллюстрируем, как появлялись на свет некоторые технологии.

Корпоративные технологии в продуктах конечных пользователей

64-разрядные процессоры

Данные процессоры использовались в суперкомпьютерах еще с 1960-х годов и вплоть до 1990-х существовали только в нестандартных конфигурациях, применяемых для решения научных, статистических или любых других задач, требующих больших вычислительных мощностей. Но не дома. А все потому, что вслед за Intel 80386, выпущенным в 1985 г., стандартом по умолчанию стало 32-разрядное ЦПУ. Процессор в большинстве случаев устроен так, что один регистр данных целого типа может хранить адрес любой ячейки виртуальной памяти компьютера. Таким образом, количество подобных ячеек ограничено величиной регистра. А поскольку каждый бит может быть нулем или единицей, 32-разрядный регистр позволяет хранить 232 адреса, т.е. немного более 4 Гбайт оперативной памяти. В 1980-е годы, когда стандартом были компьютеры всего лишь с 4-Мбайт ОЗУ, казалось, что порог в 4 Гбайт просто недостижим.

Только с середины 1990-х годов несколько производителей, таких как HAL Computer Systems, Sun Microsystems, IBM и Hewlett-Packard, одновременно начали использовать 64-разрядную архитектуру в процессорах, предназначенных для серверов. В это же время стали бурно развиваться компьютерные игры, и порог памяти в 4 Гбайт стал ощутимым для пользователей домашних ПК. В результате в 2003 г. появился Mac с 64-разрядным процессором PowerPC 970, и компания AMD расширила набор команд процессора x86-64. Сейчас на рынке персональных компьютеров лидируют модели процессоров AMD64 и Intel 64 компаний AMD и Intel соответственно.

Однако не все оказалось столь радужным. Так, программное обеспечение, разработанное для 32-разрядных процессоров, не всегда корректно функционирует для 64-разрядных. Вот почему разработчикам ПО приходится тестировать свои продукты и выпускать отдельные версии для 64-разрядной платформы. Тем не менее 64-разрядный процессор, впервые появившийся в мире науки и производства, все чаще находит себе место в домашнем компьютере.

Многоядерные процессоры

Первоначально такие процессоры, отличающиеся высоким быстродействием и эффективными средствами энергосбережения, начали устанавливать в серверах и настольных системах пользователей в сфере бизнеса.

В 2001 г. компания IBM выпустила первый двухъядерный микропроцессор Power4. Любопытно, что оба ядра этого процессора — 64-разрядные, а первые его модели были даже не двух-, а четырехъядерными.

В 2005 г. в Intel создали двухъядерный процессор Pentium D. Сначала применялась микроархитектура Intel NetBurst, а впоследствии — Core. Компания AMD поспешила ответить на эту инициативу, выпустив собственный 64-разрядный двухъядерный процессор Athlon 64 X2. В этих двух моделях реализованы совершенно непохожие архитектуры. В устройствах Intel применяется технология с разделяемой системной шиной, обеспечивающая каждый процессор половиной запаса мощности системной шины. При работе памяти и выполнении операций доступа к системе ввода-вывода также используется ресурс системной шины, и потому быстродействие шины становится решающим фактором, определяющим общую производительность системы. Структура двухъядерных процессоров, выпускаемых компанией AMD, совершенно иная. В соответствии с принятой в AMD архитектурой Direct Connect Architecture, каждый процессор имеет встроенный контроллер памяти. Шина HyperTransport обеспечивает непосредственную передачу данных между процессорами, системой ввода-вывода и памятью.

Следуя тому же сценарию, который привел к появлению двухъядерных устройств, Intel и AMD удвоили ставки и перешли от двухъядерной технологии процессоров к четырехъядерной. Процессор Intel Xeon 5300, созданный в 2006 г., представляет собой два двухъядерных процессора, размещенных на одном кристалле (рис. 1).

Рис. 1. Схема четырехъядерного процессора Intel Xeon 5300

Разработчики процессора Barcelona фирмы AMD пошли по другому пути: они установили на одной полупроводниковой пластине четыре независимых процессора (рис. 2).

Рис. 2. Схема четырехъядерного процессора AMD

В чем же основные достоинства многоядерных процессоров? Многозадачные и многопотоковые операционные системы могут использовать возможности нескольких ядер для одновременного выполнения нескольких отдельных потоков. Полную отдачу от применения всех имеющихся процессоров способны обеспечить серверы баз данных уровня предприятий, такие как SQL Server, и программные средства виртуализации, например VMware Server.

Если же обсуждать приложения, то на переднем крае технологии всегда находятся компьютерные игры. Поэтому неудивительно, что в конце концов многоядерные технологии спустились к конечному пользователю. Многие из игровых программ, такие как Quake и Call of Duty, работают гораздо лучше с несколькими ядрами.

Из пользовательских технологий — в корпоративные

Энергосбережение и динамическое изменение частоты

Впервые технология энергосбережения возникла на стороне пользователя применительно к ноутбуку. Чем тактовая частота работы процессора выше, тем быстрее работает компьютер, тем больше расходуется энергии и тем быстрее садится батарея ноутбука. Технология энергосбережения позволяет автоматически программно снизить тактовую частоту процессора, когда он работает не в полную силу, и продлить жизнь батареи. Первым продуктом на основе такой технологии стал SpeedStep компании Intel. Пользователь сам выбирает баланс между производительностью и экономным использованием энергии; также тактовая частота может пошагово изменяться динамически в зависимости от нагрузки процессора. Компания AMD ответила Intel своей технологией для мобильных компьютеров PowerNow!.

Однако оказалось, что энергосбережение полезно не только в ноутбуках. Такую же логику энергосбережения AMD применяет и в корпоративном мире: аналог PowerNow! (так же под названием Cool’n’Quiet) воплощает ту же технологию в линейке процессоров Opteron, используемых в серверах.

Объединение пользовательского и корпоративного опыта

Водяное охлаждение

Системы водяного охлаждения (СВО), называемые также системами жидкостного охлаждения (СЖО), применяют для предотвращения перегрева компьютера — и в первую очередь, процессора, являющегося самым горячим элементом. СВО обычно состоит из водоблока на охлаждаемом элементе, радиатора охлаждения пассивного или активного типа, помпы для прокачки охлаждающей жидкости и трубки для связи компонентов системы. Несмотря на то что такие системы давно применялись в суперкомпьютерах, вплоть до 1990-х годов СВО персональных компьютеров были самодельными. Их лепили из автомобильных радиаторов, самодельных водяных блоков и тому подобных подручных средств. В ход шли даже пластиковые бутылки. Отследив эту тенденцию, производители компьютеров начали предоставлять компоненты СВО для ПК. Еще в 2003 г. был выпущен Power Mac G5 фирмы Apple — первый компьютер массового производства с применением системы водяного охлаждения. Для иллюстрации приведем современный водяной блок XSPC Edge Acrylic CPU размерами 105×81×20 мм производства английской компании XSPC (рис. 3). Его основание, состоящее из каналов диаметром 0,3 мм, имеет высоту 3 мм. Он способен охладить двухъядерные и четырехъядерные процессоры компании Intel.

В то же время водяное охлаждение продолжают применять и для серверов, и для мощных суперкомпьютеров. Любопытно, что в Высшей политехнической школе ETH в Цюрихе (Швейцария) придумали даже, как использовать высвобождающееся с помощью СВО тепло. В ближайшем будущем здесь собираются установить первый суперкомпьютер IBM Aquasar с водяным охлаждением. Он будет состоять из двух серверов BladeCenter с пиковой производительностью около 10 Тфлопс. Уникальным его делает единая СВО, к которой подсоединены индивидуальные системы охлаждения всех лезвийных серверов. Нагретая теплом работающих процессоров вода будет проходить через пассивный теплообменник, отдавая тепло отопительной системе здания университета. Снижение потребления энергии, по подсчетам специалистов IBM, эквивалентно снижению выбросов углекислого газа на 30 т в год, или на 85%, по сравнению с аналогичной системой, построенной на стандартных технологиях.

Что ждет нас в будущем?

Помимо работающих вместе однородных ядер в следующем поколении предполагается создание гетерогенных многоядерных процессоров из блоков разного типа. Например, проект AMD Fusion нацелен на объединение в одном кристалле центрального многозадачного универсального процессора (ЦП) с графическим параллельным многоядерным (ГП). В такой архитектуре ГП будет нагружаться во многих задачах с параллельными вычислениями, в то время как центральный процессор возьмет на себя тяжелую работу по операциям с числами. Предполагаются две реализации Fusion: Falcon — для настольных компьютеров и Swift — для ноутбуков. В производство Fusion поступит не ранее 2011 г.

Интересно, что вплоть до конца 2009 г. Intel разрабатывала аналогичный проект под названием Larabee. Однако Федеральная комиссия по торговле США признала справедливым обвинение Intel в незаконном использовании запатентованной технологии, известной под аббревиатурой DMI, которую планировали применить в ядрах Fusion. В результате проект Larabee приостановлен и AMD имеет возможность сыграть первую скрипку на рынке. Без сомнений, такой процессор по достоинству оценят любители компьютерных игр. Но объединение центрального и графического процессоров — всего лишь первая ласточка. Будущее — за созданием разных гетерогенных многоядерных процессоров, рассчитанных на определенные задачи пользователей (рис. 4).

Рис. 4. Гетерогенный многоядерный процессор будущего

На одном кристалле будут располагаться несколько центральных процессоров и несколько ускорителей, созданных для того, чтобы повысить быстродействие необходимых для рассматриваемой задачи операций. Да и блоков будет становиться все больше. «Число ядер в процессорах будет увеличиваться, — сказал Михаил Рыбаков, директор пресс-службы Intel в России и СНГ. — Эта тенденция определена давно, и она сохранится. Другими способами увеличить производительность компьютеров уже нельзя».

Что касается ближайшего будущего, то в конце первого квартала 2010 г. Intel выпустит шестиядерный процессор, предназначенный для геймерских систем (его кодовое наименование — Gulftown). Да что там шесть ядер! Исследователи Intel уже сейчас работают над 48-ядерным процессором. Это будет «одномикросхемный компьютер для облачных вычислений». Прототип такого экспериментального процессора был продемонстрирован 2 декабря 2009 г. в Санта-Кларе (шт. Калифорния, США). Предполагается, что он обеспечит в 10—20 раз более высокую производительность по сравнению с современными моделями семейства Intel Core.

Кто знает, к чему приведет в будущем эта «ядерная» гонка? Станут ли такие многоядерные процессоры стандартом как в офисе, так и дома? Или, может быть, вычислительные мощности окончательно переместятся в облака, а на столе пользователя возникнет всего лишь тонкий клиент? Так или иначе, но одно несомненно: в будущем грань между офисным и домашним компьютером совсем исчезнет.


От редакции: не хотелось бы, чтобы у читателя сложилось впечатление, что архитектура многоядерных процессоров осталась такой же, как у первых их представителей. Так, Intel Xeon 5500 кардинально отличается от модели 5300. Он построен по архитектуре Nehalem, а значит, на кристалле интегрированы четыре равноценных ядра, контроллер памяти переехал в процессор, появилась новая шина QPI для связи с северным мостом. Фактически были устранены узкие места предыдущих моделей, в результате и производительность выросла вдвое.

Более того, для настольных ПК и нетбуков вышли процессоры Intel, которые упакованы в один модуль с графическим адаптером. Можно считать это промежуточным этапом к гетерогенным процессорам, о которых см. с. 83.

Купить номер с этой статьей в PDF
1451