Процессоры PC. Эволюция 1971-2012

  Intel уже объявила о серийном выпуске платформ на базе многоядерных процессоров. Сейчас эти платформы построены на базе двухъядерных процессоров Intel, но в процессе развития количество ядер будет становиться все больше и больше. Мы планируем в течение нескольких последующих лет выпустить процессоры Intel, которые будут содержать множество ядер – в некоторых случаях даже сотни. Мы считаем, 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 выделения тепла (подробнее вопросы потребляемой мощности будут рассмотрены далее).

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 Intel с многопроцессорной обработкой на уровне кристалла будут обеспечивать высочайшую производительность при более приемлемых тактовых частотах благодаря параллельному выполнению множества операций.² Архитектуры Intel CMP смогут обойти проблемы, вызванные повышением тактовой частоты (увеличение тока утечки, несоответствие производительности процессора и памяти, а также проблемы фон-неймановского узкого места). Многоядерная архитектура Intel® также позволит снизить влияние резистивно-емкостных задержек.

     Архитектуры CMP корпорации Intel – это не только путь к огромному росту производительности, но и возможность свести к минимуму потребляемую мощность и теплоотдачу. В отличие от ориентации на большие, энергоемкие вычислительные ядра с  большой теплоотдачей, кристаллы CMP корпорации Intel будут активизировать только те ядра, которые необходимы для выполнения текущей задачи, тогда как остальные ядра будут отключены. Такое мелкомодульное управление вычислительными ресурсами позволяет кристаллу потреблять ровно столько электроэнергии, сколько нужно в данный момент времени.

     Архитектуры CMP корпорации Intel также способны обеспечить выполнение специализированных функций  и уровень адаптивности, необходимые  для платформ будущего. Кроме ядер общего назначения, эти процессоры будут включать специализированные ядра для выполнения различных классов вычислений, таких как графика, алгоритмы распознавания речи и обработка коммуникационных протоколов. Более того, Intel будет разрабатывать процессоры, допускающие динамическую реконфигурацию ядер, межкомпонентных соединений и кэш-памяти, чтобы обеспечить соответствие многообразным и изменяющимся потребностям.

   Такая реконфигурация может выполняться  производителем процессора, чтобы перенастроить  один и тот же кристалл для использования на различных сегментах рынка, OEM-поставщиком, чтобы настроить процессор для систем разного типа, и даже автоматически в реальном времени, чтобы обеспечить соответствие изменениям потребностей рабочей нагрузки «на лету». Сетевые процессоры Intel® IXP уже сегодня предоставляют такую возможность для специализированных сетевых применений. Как показано на Рисунке 2, в процессоре IXP 2800 имеется 16 независимых микроустройств, которые работают на частоте 1,4 ГГц совместно с управляющим ядром Intel XScale®. Еще одна родственная область исследований, в которой корпорация Intel активно работает в настоящее время – реконфигурируемая радиоархитектура, которая позволит процессору динамически перестраиваться для работы в различных сетевых беспроводных средах (таких как 802.11b, 802.11a и W-CDMA).

Специализированное  аппаратное обеспечение

     Со  временем многие важные функции, которые  сейчас выполняются программным  обеспечением или специализированными  микросхемами, перейдут непосредственно  к процессору. Intel находится на переднем крае таких разработок. Это направление является движущей силой развития нашей бизнес-модели уже на протяжении 35 лет. Перенося выполнение функций на кристалл, мы получим большой выигрыш в скорости, существенную экономию 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 Intel. Примеры таких  устройств, реализованные в прошлом  – вычисления с плавающей запятой, обработка графики и сетевых  пакетов. В течение нескольких последующих лет в процессорах Intel 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.

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. В процессе развития наших процессоров и платформ к 2015 году мы оснастим некоторые микропроцессоры Intel внутрикристальными подсистемами памяти, причем емкость такой памяти сможет достигать гигабайтов. Она позволит заменить обычную оперативную память во многих вычислительных устройствах. Кэш-память будет реконфигурируемой. Можно будет динамически перераспределять память для разных ядер. 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 Intel CMP 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, как показано на Рисунке 3, виртуализация необходима для того, чтобы скрыть сложную структуру аппаратного обеспечения от расположенного выше ПО. ОС, ядро ОС и ПО не должны «задумываться» о замысловатости платформы – о множестве ядер, специализированном аппаратном обеспечении, о множестве модулей кэш-памяти, средствах реконфигурирования и т. п. Наоборот, они должны «видеть» процессор как набор унифицированных виртуальных машин с глобальными интерфейсами. Необходимый уровень абстракции должна предоставить виртуализация. 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. Некоторые из этих возможностей уже присутствуют в планах Intel, которые были недавно обнародованы.⁴

Схема виртуализации Intel обеспечивает уровень абстракции, чтобы скрыть сложную структуру аппаратного обеспечения от ПО. 

  Полупроводниковые  производственные  технологии 

     Ожидается, что до 2015 года и далее полупроводниковая  производственная CMOS-технология будет  развиваться такими же темпами, что  и сейчас. Тенденция появления новых материалов и новых структур будет продолжаться. Примеры технологий, находящихся в стадии разработки – диэлектрики high-k/metal gate и транзисторы с трехмерным затвором, или tri-gate transistors. Далее планируются исследования в области транзисторов III-V, углеродных нанотрубок и кремниевых нанопроводников. Цель всех этих исследований – продолжение увеличения скорости работы устройств, управление питанием и сокращение потребляемой мощности и дальнейшее уменьшение размеров устройств. Кроме этого, интеграция между архитектурой кристаллов и производственной технологией позволит достичь еще большей плотности – на одном кристалле можно будет расположить миллиарды транзисторов. Этот подход очень важен – в процессе создания микропроцессоров и платформ будущего разработчики и технологи должны сотрудничать очень плотно. 
 

Совместимость и доступность  экосистемы  

     Обязательства Intel по обеспечению совместимости  с существующим и более старым ПО для архитектуры Intel даже при повышении  производительности и функциональности строго соблюдаются. Будущие процессоры и платформы Intel будут обладать производительностью уровня терафлопсов – как суперкомпьютеры, чтобы удовлетворить потребностям новых приложений и задач, но при этом не будет приноситься в жертву совместимость с существующей базой ПО и обширной инфраструктурой разработчиков, сложившейся вокруг нее.

Проблемы, с которыми придется столкнуться  

   Что нас ждет на пути реализации этого  видения процессоров 2015 года? Некоторые  проблемы аппаратного и программного обеспечения, которые видны уже сейчас. Необходимо заметить, что само по себе количество транзисторов не является проблемой для Intel. Никакая другая компания не следует так строго закону Мура, и мы можем уверенно предсказать, что в процессорах Intel удастся разместить десятки миллиардов транзисторов на кристалле площадью в один квадратный дюйм. Этого достаточно, чтобы обеспечить множество ядер, кэш-память большого объема и другое аппаратное обеспечение, описанное выше, в течение следующих 10 лет. Есть, однако, другие проблемы.

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 к 2015 году микропроцессоры будут выделять десятки тысяч ватт тепла на квадратный сантиметр.

   Чтобы удовлетворить потребностям будущего, необходимо существенно сократить потребляемую мощность. Для этого будут использоваться несколько технологий. Как упоминалось выше, процессоры с архитектурой Intel CMP 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 Intel CMP будет обеспечивать ультравысокую производительность без ультравысоких тактовых частот, что позволит обойти некоторые проблемы тока утечки, связанные с увеличением частоты. В дальнейшем архитектура Intel CMP будет обеспечивать разную скорость работы транзисторов. Это станет возможным благодаря использованию производственных технологий будущего с высокой плотностью. Медленные и быстрые транзисторы будут иметь разное напряжение питания. 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.