Технология многоядерности центрального процессора

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное госудаственное бюджетное образовательное учереждение

среднего профессионального  образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Филиала в г. Горячий Ключ

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине

Микропроцессорные системы

Технология многоядерности центрального процессора

 

 

 

 

Работу выполнил ___________________________________  А.С. Лугинец

студент 21группы  специальность  230113 КС и К 

Руководитель _______________________________________А.А. Мясников

 

 

 

 

Горячий Ключ 2013

Содержание

 

Введение                                                                                                             3

     1 Структура многоядерных вычислительных комплексов                              

1. Структура процессора                                                                         4
2. Структура многоядерных процессоров                                             5
3. Основные проблемы создания многоядерных процессоров           7
4. Преимущества многоядерных систем                                               8
5. Недостатки многоядерных систем                                                    8

2 История развития                                                                                   10

3 Программное обеспеченье многоядерных ОС                                     13

3.1 Особенности перехода к параллельным

вычислениям                                                                                                  14

2. Инструментальные средства разработки ПО                                    15

         4 Перспективы развития                                                                              23

Заключение                                                                                                             25

Список литературы                                                                                                26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

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 вычислительна мощность процессора позволяет решать более сложные задачи. Для увеличения производительности процессоров используют многоядерные архитектуры.

В первой главе данной курсовой работы я описана структура процессора и почему необходимо развивать вычислительную мощность. Структура многоядерной архитектуры ее достоинства и недостатки.

Во второй главе курсовой работы описаны особенности реализации многоядерной архитектуры: параллельные вычисления, программное обеспечение. В подразделе «Программное обеспечение» я описываю инструментарий для разработки многопоточных приложений (компиляторы, программные и аппаратные отладчики) поддержку многопоточности на уровне ОС (операционной системы).

И в последней главе  курсовой работы описаны новейшие классификации  и перспективы развития многоядерных процессоров, по мнению крупнейших производителей процессоров.

 

 

 

 

 

1 Структура многоядерных вычислительных комплексов

 

1.1 Структура процессора

 

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

 

 Структура процессора (Рисунок 1).

многоядерный процессор  архитектура приложение

 В центре современного  центрального микропроцессора находится  ядро – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура [2]. Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package) по

технологии «флип-чип» (flip-chip, flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название потому, что обращенная наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps). Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.

 

1.2 Структура многоядерных процессоров

 

Многоядерный процессор  – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе [1].

Первый (естественно, одноядерный!) микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 г. 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 одноядерных  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 сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одноядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно[3]. Hyper-threading значительно повышает

эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с  аудио- и видеоредактированием, 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!).

 

1.3 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;

 

 

 

1.4 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;

 

1.5 Недостатки многоядерных процессоров

 

Возросшая себестоимость  производства многоядерных процессоров (по сравнению с одноядерными) 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 процессоров  стимулирует появление операционных систем и прикладного программного обеспечения, поддерживающего многоядерность.

По сообщению пресс-службы AMD, на сегодня рынок 4-ядерных процессоров  составляет не более 2% от общего объема. Очевидно, что для современного покупателя приобретение 4-ядерного процессора для  домашних нужд пока почти не имеет  смысла по многим причинам. Во-первых, на сегодня практически нет программ, способных эффективно использовать преимущества 4-х одновременно работающих потоков; во-вторых, производители ПК позиционируют 4-ядерные процессоры, как Hi-End-решения, добавляя к оснастке ПК самые современные видеокарты и объемные жесткие диски, – а  это в конечном счете еще больше увеличивает стоимость и без  того недешевых ПК

 Разработчики Intel говорят: «…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше…».

 

 

 

 

 

2 История развития

История развития центральных  процессоров довольно интересна. Если проследить за ней с появления  первых настольных компьютеров, то становится очевидно, что основным двигателем производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает даже использование более тонких технических процессов при создании транзисторов.

Выход нашли в использовании  нескольких ядер в одном кристалле, такой процессор «2 в 1». Их появление  на рынке десктопов вызвало большие споры. Нужны ли нам многоядерные процессоры? Сейчас уже можно ответить с уверенностью: нужны. В ближайшие годы просто невозможно представить прогрессивного пути развития этой отрасли без использования нескольких ядер.

Так чем же лучше многоядерные процессоры? Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных программ одновременно.