Двухъядерные наступают

Эпоха одноядерных процессоров уходит в прошлое. CPU, оснащенные двумя вычислительными ядрами, начали активное наступление на сегмент рынка настольных компьютеров. А там, глядишь, и многоядерные подтянутся…

В апреле - мае этого года в IT - индустрии произошли знаменательные события: монстры процессорного рынка — AMD и Intel — явили миру CPU с несколькими вычислительными ядрами. Первой двухъядерные чипы для настольных ПК представила корпорация Intel —11 апреля было официально объявлено о начале поставок процессора Pentium 4 Extreme Edition 840 . AMD не заставила долго ждать и уже 21 апреля ознакомила публику с тремя серверными двухъядерными процессор а м и O p t e r o n , а т а к ж епредставила новую торговую марку — Athlon 64 X2 , под которой уже 9 мая были официально презентованы двуядерные процессоры для настольных ПК. Переход на двухъядерную архитектуру обусловлен тем, что традиционные методы по увеличению производительности практически исчерпали себя. Из - за ряда технологических проблем темпы наращивания тактовых частот в последнее время заметно замедлились. К примеру, в последний год перед появлением двухъядерных процессоров компания Intel смогла нарастить частоты своих CPU лишь на 400 МГц, а конкуренты от AMD ускорились всего на 200 МГц. Как видим, рост тактовых частот дается нелегко. А другие методы, такие как увеличение скорости шины и размера кэш - памяти, ощутимого прироста производительности не дают. Поэтому понятно, почему именно внедрение двухъядерных процессоров оказалось наиболее логичным шагом на пути к новым вершинам быстродействия и ознаменовало начало новой эры в развитии процессорного рынка.

Два ядра

Что же представляет собой двухъядерный процессор? На первый взгляд это просто два процессора, объединенных в общем корпусе. Но не все так просто. Во%первых, нужно различать термины «процессор» и «процессорное ядро». Во - вторых, существует проблема общих ресурсов, доступ к которым нужно распределять между двумя ядрами. Если же посмотреть с точки зрения программного обеспечения, то двухъядерный процессор система рассматривает как два независимых. Понятно, что двухъядерный процессор способен одновременно выполнять два потока инструкций, в то время как обычный CPU производит вычисления строго по очереди. До этого уже была произведена попытка разделить выполняемые инструкции — речь идет о технологии Intel Hyper - Threading . Вот только в ней два «виртуальных' BB процессора почти во всем разделяют между собой ресурсы одного «физического» процессора (кэши, конвейер,исполнительные устройства). Практически все ресурсы общие — и если они уже заняты одним из выполняющихся потоков, то второй будет вынужден ожидать их освобождения. По сути, принцип работы процессора с Hyper - Threading похож на принцип работы многозадачной операционной системы, только происходит это не на программном, а на аппаратном уровне. Разделение потока на две части, как правило, позволяет эффективнее загрузить исполнительные устройства процессора. И при этом немного облегчить операционной системе задачу имитации множества независимых компьютеров на одном процессоре. Полноценный двухъядерный процессор — совсем другое дело. В этом случае система определяет действительно два «честн ы х » процессорных ядра. И прирост производительности при этом составляет уже не 10 - 20% (средний показатель для процессора с технологией Hyper - Threading), а все 80 - 90% и даже больше (естественно, при использовании обоих ядер). В принципе, двухъядерный процессор представляет собой SMP - систему (SMP — Symmetric MultiProcessing, симметричная многопроцессорная обработка; термин, обозначающий систему с несколькими равноправными процессорами). По сути своей он не отличается от обыкновенной двухпроцессорной системы, в которой установлено два независимых процессора. В результате мы получаем все преимущества двухпроцессорных систем без необходимости использования сложных и дорогих двухпроцессорных материнских плат. Чего же ожидать от новых систем? В приложениях, оптимизированных под многопроцессорность, можно получить ощутимый — вплоть до двукратного — прирост производительности. Это касается многих профессиональных приложений, большинства программного обеспечения по обработке цифрового контента (звук, видео, графика), а также программ, уже оптимизированных под технологию Hyper - Threading.

Intel Pentium D

Для корпорации Intel выпуск процессоров с двухъядерной архитектурой был фактически неизбежен, поскольку ядро Prescott на сегодня практически полностью исчерпало свой запас по тактовой частоте, ограниченный 4 ГГц. Причем ожидается, что уже к концу 2006 года доля двухъядерных чипов в поставках Intel для рынков настольных и мобильных ПК составит более 70%, а на серверном рынке этот показатель должен достичь более 85%. Эти цифры весьма убедительно показывают, сколь серьезные надежды возлагает Intel на новую архитектуру. Первые двухъядерные процессоры Intel для настольных систем изготовлены на основе ядра Smithfield . Фактически оно состоит из двух ядер Prescott, выполненных на одном по лупроводниковом кристалле.

Туда же помещается арбитр, который следит за состоянием системной шины и помогает разделять доступ к ней между двумя CPU. У каждого ядра —собственная кэш - память второго уровня объемом 1 Мб. Все взаимодействие между ядрами в Smithfield происходит через системную шину. Smithfield имеет примерно вдвое большую площадь по сравнению с процессорным ядром Prescott — 206 мм 2 . Число транзисторов в новых процессорах составляет 230 млн. На базе Smithfield на данный момент выпускается два типа процессоров для настольных компьютеров: просто двухъядерный Pentium D и CPU для энтузиастов — Pentium Extreme Edition. Двухъядерные процессоры упаковываются в корпус LGA775 и работают с частотой системной шины 800 МГц. Линейка CPU Pentium D представлена тремя моделями: 820, 830 и 840 с частотами, соответственно, 2.8, 3.0 и 3.2 ГГц. В элитарном секторе есть модель Pentium Extreme Edition 840, процессорные ядра которой работают на частоте 3,2 ГГц. Отличие экстремального двухъядерника от остальных заключается в разблокированном коэффициенте умножения и в присутствии технологии Hyper - Threading, которая отключена в моделях линейки Pentium D. Таким образом Pentium Extreme Edition будет определяться операционной системой как четыре логических процессора. Основные характеристики новых CPU приведены в следующей таблице. Как видим, максимальная частота двухъядерного процессора равна 3,2 ГГц — в то время как одноядерные модели достиглиотметки 3,8 ГГц. Такая ситуация объясняется ограничениями по тепловыделению и нергопотреблению процессоров. Prescott и так довольно сильно греется и много «кушает», а объединение двух ядер на одном кристалле приводит к значительному росту упомянутых характеристик. Поэтому, двухъядерные процессоры и характеризуются такой относительно низкой тактовой частотой. Заметим также, что новое процессорное ядро наследует от Prescott весь набор современных технологий: поддержку 64 - битных расширений EM64T, технологию безопасности Execute Disable Bit, а также полный набор средств Demand Based Switching для управления тепловыделением и энергопотреблением, включающий технологии C1E (Enhan ced Halt State ), TM 2 ( Thermal Monitor 2) и EIST ( Enhanced Intel SpeedStep). Три последние технологии не поддерживаются младшей двухъядерной моделью Pentium D 820, поскольку для их работы требуется динамическое изменения множителя процессора, а коэффициент умноженияэтого чипа (14x) является минимальным для CPU на основе Prescott и его производных.

AMD Athlon 64 X2

Двухъядерные процессоры производства AMD именуются Athlon 64 X2 . Из названия видно, что новые CPU имеют архитектуру AMD 64, а индекс «X2» указывает на присутствие двух вычислительных ядер. На сегодняшний день модельный ряд Athlon 64 X2 включает пять процессоров с рейтингами 3800+, 4200+, 4400+, 4600+ и 4800+ — их основные характеристики приведены в предыдущей таблице. В основе этих процессоров — ядра с кодовыми названиями Toledo и Manchester . Различия между ними — в размере кэша второго уровня: у Toledo кэш L2 имеет объем 1 Мб на каждое ядро, а у Manchester этот показатель вдвое меньше (по 512 Кб на ядро). Процессоры с рейтингами4400+ и 4800+ построены на основе ядра Toledo и работают на частотах 2,2 ГГц и 2,4 ГГц соответственно. А CPU с рейтингами 3800+, 4200+ и 4600+ имеют ядро Manchester и характеризуются тактовыми частотами 2,0 ГГц, 2,2 ГГц и 2,4 ГГц. Существуют также варианты трех последних процессоров на основе ядра Toledo, но с отклююченной половиной кэша. Ядро Toledo состоит примерно из 233,2 млн. транзисторов и имеет площадь около 199 мм 2 . Площадь ядра Manchester заметно меньше — 147 мм 2 ; количество транзисторов составляет 157 млн. В отличие от конкурента, AMD не стала уменьшать частоту новых CPU. Как видим, тактовая частота самого быстрого двухъядерного процессора соответствует частоте старшей модели в линейке Athlon 64 (правда, существует и более быстрый геймерский FX). Из этого следует, что даже в приложениях, не оптимизированных под многопоточность, Athlon 64 X2 должна демонстрировать очень хороший уровень производительности. Следует отметить, что подход к реализации двухъядерности в процессорах AMD несколько отличается от предложенного Intel, хотя Athlon 64 X2, как и Pentium D, по сути представляет собой два процессора, объединенных на одном кристалле. Дело в том, что ядра в Smithfield взаимодействуют посредством системной шины — а в Athlon 64 X2 реализован иной подход. Еще на этапе разработки архитектуры AMD 64 была предусмотрена возможность создания многоядерных процессоров. Каждое из ядер Athlon 64 X2 обладает собственным набором исполнительных устройств и выделенной кэш - памятью второго уровня; контроллер памяти и контроллер шины Hyper - Transport общие. А вот взаимодей ствие каждого ядра с разделяемыми ресурсами происходит посредством специального коммутатора (Crossbar Switch) и интерфейса системных запросов (System Request Interface), в котором формируется очередь системных запросов (System Request Queue). И, что самое главное, на этом же уровне организовано и взаимодействиеядер, благодаря чему вопросы когерентности кэшей решаются без дополнительной нагрузки на системную шину и шину памяти. Двухъядерные процессоры AMD, в отличие от представителей Intel, не работают с DDR2. Отсутствие поддержки современных типов памяти с высокой пропускной способностью объясняется тем, что компания в первую очередь стремилась сохранить совместимость Athlon 64 X2 с существую щими платформами. Зато, в отличие от двухъядерных процессоров Intel, для которых необходим новый чипсет, эти CPU могут устанавливаться на те же материнские платы, что и обычные Athlon 64.В результате Athlon 64 X2 имеют корпус Socket 939, двухканальный контроллер памяти с поддержкой DDR400 SDRAM и работают с шиной HyperTransport с частотой до 1 ГГц. Благодаря этому двухъядерные процессоры AMD не нуждаются в новых чипсетах и материнках — достаточно обновить BIOS на уже существующих платах под Socket 939. Стоит также отметить, что энергопотребление Athlon 64 X2 удалось вписать в ранее установленные рамки для Athlon 64. Новый процессор поддерживает технологии AMD64 (поддержка 64%битных расширений), Enhanced Virus Protection (защита от некоторых типов вирусов), а также Cool'n'Quiet (понижениетепловыделения и энергопотребления процессора).

Заключение

Судя по результатам тестирования, приростпроизводительности в большинстве приложений незначителен. Более солидный выигрыш мы получаем при запуске программ по обработке видео — Microsoft Windows Media Encoder 9.0 и Roxio VideoWave Movie Creator 1.5. Однако лучше всего двухъядерные процессоры проявили себя при выполнении многозадачного теста, когда одновременно запускалось два приложения — Mozilla и Windows Media Encoder. Причем отрыв Athlon 64 X2 4800+ от одноядерного предка составил 82,2%, а разница между процессорами Intel в этом тесте равнялась 47,1%.На первый взгляд двухъядерность AMD эффективней, чем Intel. Но не будем забывать, что у Pentium 4 уже была реализована «псевдодвухъядерность» (Hyper%Threading) — не исключено, что именно поэтому прирост получился не таким солидным.

Глядя на менее выдающиеся результаты, показанные в остальных приложениях, можно предположить, что эти программы просто не оптимизированы под многопоточность. Но ведь развитие аппаратных и программных средствникогда не шло параллельным курсом — кто - то кого - то постоянно обгонял, и, как правило, именно «железо» вырывалось вперед, а «софт» наверстывал. Поэтому естественно предположить, что уже в скором будущем производители ПО постараются оптимизировать под многопоточность как можно большее количествосвоих продуктов. Вот тогда - то двухъядерныепроцессоры и смогут в полной мере раскрытьсвой потенциал .