Многоядерные процессоры

Основные вехи в истории создания двухъядерных процессоров таковы:

1999 год – анонс первого двухъядерного процессора в мире (IBM Power4 для серверов)
2001 год – начало продаж двухъядерного IBM Power4
2002 год – почти одновременно AMD и Intel объявляют о перспективах создания своих двухъядерных процессоров
2002 год – выход процессоров Intel Xeon и Intel Pentium 4 с технологией Hyper-Threading, обеспечивающей виртуальную двухпроцессорность на одном кристалле
2004 год – свой двухъядерный процессор выпустила Sun (UltraSPARC IV)
2004 год – IBM выпустила второе поколение своих двухъядерных процессоров (IBM Power5). Каждое процессорное ядро Power5 поддерживает аналог технологии Hyper-Threading
2005 год, 18 марта – Intel выпустила первый в мире двухъядерный процессор архитектуры x86
2005 год, 21 марта – AMD анонсировала полную линейку серверных двухъядерных процессоров Opteron, анонсировала десктопные двухъядерные процессоры Athlon 64 X2 и начала поставки двухъядерных Opteron 8xx
2005 год, 20-25 мая – AMD начинает поставки двухядерных Opteron 2xx
2005 год, 26 мая – Intel выпускает двухъядерные Pentium D для массовых ПК
2005 год, 31 мая – AMD начинает поставки Athlon 64 X2

Идея многоядерного процессора выглядит на первый взгляд совершенно тривиальной: просто упаковываем два-три (ну или сколько там влезет) процессора в один корпус - и компьютер получает возможность исполнять несколько программных потоков одновременно. Вроде бы бесхитростная стратегия… но конкретные её реализации в недавно вышедших настольных процессорах AMD и Intel заметно различаются. Различаются настолько, что сугубо «количественные» мелочи в конечном итоге переходят в качественные различия между процессорами этих двух компаний. Поэтому перед тем как переходить собственно к тестам современных двухъядерников, попробуем разобраться в различиях подходов этих микропроцессорных гигантов и, так сказать, «авансом» высказать некоторые предположения об их производительности.

Intel Smithfield: «классика жанра»

При создании многоядерных процессоров для настольных ПК микропроцессорный гигант предпочел пойти на первых порах по пути «наименьшего сопротивления», продолжив традиции создания привычных для себя SMP-систем с общей шиной. Выглядит подобная MP-система чрезвычайно просто: один чипсет, к которому подключается вся оперативная память, и одна процессорная шина, к которой подключены все процессоры:

В случае новеньких двухъядерных процессоров Smithfield два обычных ядра, аналогичных Prescott, просто расположены рядом на одном кристалле кремния и электрически подключены к одной (общей) системной шине. Никакой общей схемотехники у этих ядер нет.

У каждого «ядра» Smithfield – свой APIC, вычислительное ядро, кэш-память второго уровня и (что особенно важно) – свой интерфейс процессорной шины (Bus I/F). Последнее обстоятельство означает, что двухъядерный процессор Intel с точки зрения любой внешней логики будет выглядеть в точности как два обыкновенных процессора (типа Intel Xeon).

Сегодняшнее ядро Smithfield является «монолитным» (два ядра образуют единый кристалл процессора), однако следующее поколение настольных процессоров Intel (Presler, изготавливаемый по 65-нм технологии) будет еще тривиальнее – два одинаковых кристалла одноядерных процессоров (Cedar Mill) просто будут упакованы в одном корпусе (см. рис.).

Presler	Cedar Mill

Точно таким же будет и первый серверный процессор Intel данной микроархитектуры, известный сейчас под именем Dempsey. Но если у Smithfield на каждое из ядер приходится по 1 Мбайт кэш-памяти второго уровня, то у Presler и Dempsey это будет уже по 2 Мбайт на ядро.

Presler	Dempsey

Между тем, позднее у Intel пойдут другие, более сложные в плане микроархитектуры варианты двухъядерных процессоров, среди которых стоит отметить Montecito (двухъядерный Itanium), Yonah (двухъядерный аналог Pentium M) и Paxville для многопроцессорных серверов на базе Intel Xeon MP. Еще в марте этого года Патрик Гелсингер объявил, что в разработке у Intel находятся аж 15 различных многоядерных CPU, и пять из них корпорация даже демонстрировала в работе.

Причем, если еще в середине 2004 года официальные лица Intel отмечали, что многоядерные процессоры – это не «очередная гонка за производительностью», поскольку программная инфраструктура была тогда еще не очень готова поддержать такие процессоры оптимизированными приложениями, то теперь многоядерность у Intel поставлена во главу угла во всех базовых направлениях деятельности, в том числе – в разработке и отладке приложений (ну разве что кроме коммуникаций и сенсорных сетей – пока ;)). И в этом нет ничего удивительного – тактовую частоту процессоров стало наращивать все труднее и труднее, и, стало быть, надо искать что-то на cмену «гонки за мегагерцами». А добавляя ядра, производительность в ряде современных приложений уже можно заметно поднять, не повышая частоты. Да и пресловутый закон Мура (удвоение числа транзисторов на кристаллах) надо бы чем-то поддержать, а многоядерность – чуть ли не самый простой путь для этого… :)

Собственно, мультиядерность в текущем понимании Intel – это один из трех возможных вариантов:

1. Независимые процессорные ядра, каждое со своей кэш-памятью, расположены на одном кристалле и просто используют общую системную шину. Это - 90-нанометровый Pentium D на ядре Smithfield.

2. Похожий вариант – когда несколько одинаковых ядер расположены на разных кристаллах, но объединены вместе с одном корпусе процессора (многочиповый процессор). Таким будет 65-нанометровое поколение процессоров семейств Pentium и Xeon на ядрах Presler и Dempsey.

3. Наконец, ядра могут быть тесно переплетены между собой на одном кристалле и использовать некоторые общие ресурсы кристалла (скажем, шину и кэш-память). Таким является ближайший Itanium на ядре Montecito. А также мобильный Yonah, выход которого обещает наделать очень много шума.

Попутно отметим, что Montecito, изготавливаемый по 90-нм техпроцессу, будет иметь по сравнению с предшественником на 130-нм ядре Madison и ряд других преимуществ: наличие Hyper-Threading (то есть он будет виден в системе как 4 логических процессора), заметно меньшее энергопотребление, более высокую производительность (в 1,5 раза и выше), вчетверо больший размер кэш-памяти (свыше 24 Мбайт: 2x1 Мбайт L2 инструкций, 2x12 Мбайт L3 данных), 1,72 миллиарда транзисторов против 410 миллионов и другое. Выйдет этот процессор в четвертом квартале 2005 года.

Не менее интересным ожидается и первый двухъядерный мобильный процессор Yonah, который должен появиться в начале 2006 года в рамках новой мобильной платформы Napa. Yonah будет иметь два вычислительных ядра, использующих общую 2-мегабайтную кэш-память второго уровня и общий же контроллер системной шины QPB с частотой 667 МГц. Он будет выпускаться по 65-нм технологии в форм-факторах PGA 478 и BGA 479, содержать 151,6 млн. транзисторов, поддерживать технологию XD-bit и, судя по предварительной информации, поддерживать некоторые механизмы прямого взаимодействия ядер между собой.

Более того, Intel не исключают и того, что процессоры на «мобильном» ядре Yonah будут использоваться не только в определенных сегментах рынка настольных компьютеров (для этого уже разработаны и демонстрируются соответствующие мини-концепты домашнего и офисного ПК), но даже в компактных экономичных серверах.