Перспективы развития микропроцессоров

 

 

 

 

3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ

 

Развитие процессоров  и платформ в ближайшие 10 лет.

Очевидно, что последние  несколько лет были отмечены большим  прогрессом вычислительных систем. Но какими бы ни были достижения прошедших  десяти лет, в следующем десятилетии  появление и миграция новых приложений и моделей использования на массовые компьютеры определят возросшие требования к вычислительным платформам будущего: высокая производительность, низкое энергопотребление и огромное увеличение функциональности.

Учитывая то, что фактически произошел титанический сдвиг в  моделях использования компьютеров, определяются и проектируются компьютерные платформы будущего, которые существенно, глобально изменят не только вычисления, но также интерфейсы и требования к инфраструктуре. [5]

Архитектура микропроцессоров 2015 года.

Глядя в будущее, можно  сказать, что процессоры и платформы будут выделяться не только высокой производительностью самой по себе, но также богатыми и разнообразными вычислительными и коммуникационными возможностями, управлением питанием, повышенной надежностью, безопасностью и управляемостью, а также полной интеграцией со всеми остальными компонентами платформы.

Intel планирует в течение нескольких последующих лет выпустить процессоры, которые будут содержать множество ядер – в некоторых случаях даже сотни. В корпорации считают, что архитектуры Intel с поддержкой многопроцессорной обработки на уровне кристалла (chip-level multiprocessing, CMP) представляют будущее микропроцессоров, потому что такие архитектуры позволяют достичь огромных уровней производительности и в то же время обеспечить эффективное управление питанием и эффективный режим охлаждения.

В прошлом повышение  производительности традиционных одноядерных  процессоров в основном происходило  за счет увеличения тактовой частоты (до настоящего времени около 80% производительности определяла тактовая частота). Но постоянное повышение частоты упирается в ряд фундаментальных физических барьеров. Во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и выделению 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.

Следовательно, необходимо добиваться повышения производительности другими средствами, отличными от повышения тактовой частоты больших монолитных ядер. Решением является принцип «разделяй и властвуй» – разделение задачи на множество одновременных операций и их распределение между множеством небольших вычислительных устройств. В отличие от последовательного выполнения операций с максимально возможной тактовой частотой, процессоры с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла будут обеспечивать высочайшую производительность при более приемлемых тактовых частотах благодаря параллельному выполнению множества операций. Новые Архитектуры смогут обойти проблемы, вызванные повышением тактовой частоты (увеличение тока утечки, несоответствие производительности процессора и памяти, а также проблемы фон-неймановского узкого места). [9]

Специализированное аппаратное обеспечение.

Со временем многие важные функции, которые сейчас выполняются программным обеспечением или специализированными микросхемами, перейдут непосредственно к процессору. Это направление является движущей силой развития бизнес-моделей уже на протяжении 35 лет. Перенося выполнение функций на кристалл, образуется большой выигрыш в скорости, существенная экономия места и значительное сокращение энергопотребления. Связь с малыми задержками между специализированным аппаратным обеспечением и ядрами общего назначения может стать очень важной для того, чтобы удовлетворить потребности производительности и функциональности архитектур будущих процессоров и платформ.

Специализированное аппаратное обеспечение – важная составляющая архитектур будущих процессоров  и платформ. Примеры таких устройств, реализованные в прошлом – вычисления с плавающей запятой, обработка графики и сетевых пакетов. В течение нескольких последующих лет в процессорах специализированное аппаратное обеспечение будет использоваться для широкого спектра задач. Возможные варианты включают: критические функциональные блоки приемопередатчиков для беспроводных сетей, цифровую обработку сигналов, рендеринг трехмерной графики, расширенную обработку изображений, распознавание речи и рукописного текста, расширенные функции безопасности, надежности и управления, обработка XML и других интернет-протоколов, извлечение информации, а также обработка естественных языков. [11]

Подсистемы памяти большой  емкости.

По мере постоянного  роста производительности непосредственно  процессоров доступ к памяти может стать серьезным «узким местом». Для того чтобы загрузить множество высокопроизводительных ядер соответствующим количеством данных, важно организовать подсистему памяти таким образом, чтобы память большой емкости находилась на кристалле и ядра имели к ней прямой доступ. Некоторые области памяти могут быть выделены определенным ядрам, совместно использоваться группами ядер или использоваться всеми ядрами глобально, в зависимости от потребностей приложений. Такая гибкая возможность изменения конфигурации необходима для того, чтобы ликвидировать «узкое место» производительности, когда множество ядер будет соперничать за доступ к памяти.

Микроядро.

Для управления всеми  этими сложными процессами: назначением  задач ядрам, включением и выключением  ядер при необходимости, реконфигурацией ядер при изменении рабочей загрузки и многими другими микропроцессорам потребуется изрядная доля встроенных интеллектуальных способностей. В архитектурах с развитыми возможностями параллельной обработки процессор сам по себе сможет выполнять несколько потоков вычислений, невидимых на пользовательском уровне, разделяя приложение на потоки, которые могут выполняться параллельно. Один из способов эффективного выполнения всех этих задач – встроенное микроядро, дополняющее ПО высокого уровня для решения задач всестороннего управления аппаратным обеспечением.

Виртуализация.

Для работы микропроцессоров будущего потребуется несколько  уровней виртуализации. Например виртуализация  необходима для того, чтобы скрыть сложную структуру аппаратного обеспечения от расположенного выше ПО. Виртуализация также будет использоваться для обеспечения управляемости, надежности и безопасности. Например, процессор можно разделить на множество виртуальных процессоров, часть из которых будет выделена для задач управления и безопасности, а остальные будут управлять приложениями.

Управление питанием и охлаждением.

В настоящее время  увеличение производительности на один процент вызывает повышение потребляемой мощности на три процента. Это происходит из-за того, что при уменьшении размера транзисторов и их плотности на кристалле, наряду с тактовой частотой увеличивается и ток утечки, что ведет к нагреву и неэффективному расходованию электроэнергии. Если рост плотности транзисторов будет расти нынешними темпами, то без усовершенствований управления питанием микропроцессоры будут выделять десятки тысяч ватт тепла на квадратный сантиметр.

Чтобы удовлетворить  потребности будущего, необходимо существенно  сократить потребляемую мощность. Для  этого будут использоваться несколько технологий. Как упоминалось выше, процессоры будут состоять из десятков и даже сотен небольших ядер с низкой потребляемой мощностью и интеллектуальным управлением питанием, которое сможет значительно сократить потери электроэнергии, позволяя процессору использовать только те ресурсы, которые нужны в данный момент.

Кроме этого, архитектура  будет обеспечивать ультравысокую  производительность без ультравысоких  тактовых частот, что позволит обойти некоторые проблемы тока утечки, связанные  с увеличением частоты. Задачи, критичные по времени, будут работать на быстрых ядрах с большей потребляемой мощностью, в то время как остальные – на более медленных с пониженным энергопотреблением.

Основная цель этих усовершенствований – построение архитектур с интеллектуальным управлением питанием, которое сможет автоматически реконфигурировать процессор с учетом потребностей питания и рабочей нагрузки.

Параллелизм.

Для того чтобы в полной мере получить преимущества от использования  будущих архитектур, задачи должны быть существенно распараллелены – например, разделены на подзадачи, которые могут выполняться одновременно на множестве ядер. Сегодняшние одноядерные и многоядерные процессоры способны одновременно обслуживать всего несколько потоков. Будущие процессоры смогут обрабатывать множество потоков – сотни, а в некоторых случая даже тысячи. Некоторые задачи можно достаточно просто распараллелить (с небольшой помощью компиляторов), т. к. процессор и микроядро смогут обеспечить необходимую многопоточность.

Например, в обработке изображений полное изображение можно разделить на множество отдельных областей, каждую из которых можно обрабатывать независимо и одновременно. К этой категории относится от 10 до 20% предполагаемых задач будущего. Вторая группа задач – около 60% – может быть распараллелена, если применить некоторые усилия. Среди таких задач – некоторые приложения баз данных, извлечения информации, синтеза, обработки текста и голоса. Третья группа – задачи, распараллелить которые очень трудно: задачи с линейными алгоритмами, когда выполнение каждой стадии зависит от результатов выполнения предыдущей стадии. [7]

Анализируя сегодняшние  потребности и тенденции, можно  утверждать, что архитектура процессоров  и платформ должна двигаться в  направлении виртуализированной, реконфигурируемой архитектуры с большим числом ядер, богатым набором встроенных функциональных возможностей, большим объемом внутрикристальной памяти и интеллектуальным микроядром. Такая эволюция архитектур, сопровождаемая необходимостью увеличения объемов вычислений и строгим соблюдением совместимости с тысячами существующих приложений, создает уверенность в том, что процессоры и платформы в ближайшие годы станут основой для создания огромного количества фантастических и интеллектуальных новых приложений, которые изменят наш бизнес и образ жизни так, как мы даже не можем представить.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Необходимо отметить, что, ученые и инженеры успешно преодолевают барьеры на пути повышения производительности элементов и сиcтем. Они предлагают различные пути решения встающих перед компьютерной отраслью проблем. Это и улучшение полупроводниковых техпроцессов, и совершенствование архитектуры высокочастотных микросхем, и внедрение перспективных технологий, и даже поиск путей модификации конструкций системных блоков.

За счёт того, что современные  процессоры очень быстры, переключение между задачами обычно остаётся незаметным на взгляд пользователя. Однако существуют и приложения, прервать которые для  передачи процессорного времени  другим задачам в очереди достаточно сложно. В этом случае операционная система начинает подтормаживать, что нередко вызывает раздражение у человека, сидящего за компьютером.

Также, нередко можно  наблюдать и ситуацию, когда приложение, забрав ресурсы процессора, «зависает», и такое приложение бывает очень тяжело снять с выполнения, поскольку оно не отдаёт процессорные ресурсы даже планировщику операционной системы.

Подобные проблемы возникают  в системах, оснащённых многоядерными  процессорами, на порядок реже. Дело в том, процессоры с несколькими ядрами способны выполнять одновременно несколько вычислительных потоков, соответственно, для функционирования планировщика появляется больше свободных ресурсов, которые можно разделять между работающими приложениями.

Фактически, для того, чтобы работа в системе с многоядерным процессором стала некомфортной, необходимо одновременное пересечение процессов, пытающихся захватить в безраздельное пользование все ресурсы CPU.

Исходя из проделанной  работы можно сделать следующие выводы:

- ученые и инженеры успешно преодолевают барьеры на пути повышения производительности элементов и сиcтем;

- достигнутая степень интеграции позволяет строить параллельные системы, в которых число процессоров может достигать десятков тысяч;

- ввиду того, что технология виртуальной многопоточности, Hyper-Threading присутствует в процессорах Intel уже очень продолжительно время, разработчики программного обеспечения к настоящему времени предлагают достаточно большое число программ, способных получить выигрыш от многоядерной архитектуры CPU;

- основная цель будущей нанотехнологии, по всей вероятности, - создание структур, способных к эволюции и саморазвитию;

- идея объединения нескольких ядер в одном процессоре продемонстрировала свою состоятельность на практике;

- среди приложений, скорость работы которых на многоядерных процессорах будет увеличена, следует отметить утилиты для кодирования видео и аудио, системы 3D моделирования и рендеринга, программы для редактирования фото и видео, а также профессиональные графические приложения класса САПР;

- существует большое количество программного обеспечения, которое многопоточность не использует или использует её крайне ограниченно. Среди ярких представителей таких программ – офисные приложения, веб-браузеры, почтовые клиенты, медиа-проигрыватели, а также игры. Однако даже при работе в таких приложениях многоядерная архитектура CPU способна оказать положительное влияние. Например, в тех случаях, когда несколько приложений выполняются одновременно.