Современные процессоры

МНОГОЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ

Такие фундаментальные ограничения как размер атома и скорость света, не позволяют произвольно увеличивать тактовую частоту и разрядность процессора. Сейчас увеличение производительности компьютеров, в основном, осуществляется путём распараллеливания различных операций, выполняемых процессором.

Распараллеливание означает организацию параллельной работы различных блоков процессора, а также параллельное исполнение отдельных команд или групп команд программы.

Применяются различные техники повышения производительности процессоров при помощи распараллеливания. Одной из известных популярных сейчас техник является создание многоядерных процессоров.

Многоядерный процессор (Multicore CPU) - это процессор, который позволяет одновременно (параллельно) исполнять несколько программ, используя при этом несколько ядер.

Ядро (CPU Core) является частью процессора, которая может самостоятельно декодировать прочитанные из памяти команды программы и последовательно их выполнять.

Многоядерный процессор не столько быстрее исполняет обычные (однопоточные) программы, сколько позволяет быстро исполнить несколько программ одновременно. Однако, многопоточные программы многоядерный процессор исполняет существенно быстрее, чем одноядерный, предоставляя различным потокам параллельно работающие ядра. Поэтому в тех случаях, когда необходимо повысить производительность однопоточных программ, нужно использовать параллельные алгоритмы и переписывать эти программы в многопоточном стиле.

Популярность многоядерных процессоров обусловлена их выгодными экономическими характеристиками. При производстве один многоядерный процессор стоит дешевле нескольких одноядерных процессоров с таким же суммарным количеством ядер. Причина в том, что ядро процессора - это ещё не весь процессор. Кроме ядер в процессоре имеется ещё набор блоков, осуществляющих обращение к шинам, обрабатывающих различные сигналы, кэширующих данные и т. д. Подобные блоки реализованы в многоядерном процессоре в единственном экземпляре, тогда как ядер, одновременно исполняющих разные последовательности команд, в одном процессоре может быть до нескольких десятков. Отметим, что существенно проще и дешевле выпускать однопроцессорный компьютер, чем многопроцессорный. В конечном итоге реальная потребность увеличения производительности компьютеров ценой разумного удорожания определила нынешнюю популярность именно многоядерных процессоров.

На сегодняшний день почти все процессоры, в том числе мобильные, имеют несколько вычислительных ядер. Например, у процессоров Intel Core i7, распространённых в современных персональных компьютерах, может быть 2, 4, 6 или 8 ядер, а процессор A13 современных смартфонов Apple имеет 6 ядер. Ядра мобильных процессоров могут иметь разные характеристики, например, выделяются "медленные" ядра и "быстрые" ядра. "Медленные" ядра имеют экономичное энергопотребление но относительно невысокую производительность, и процессор использует их постоянно. "Быстрые" ядра обладают высокой производительностью но потребляют много энергии, и используются процессором лишь при необходимости. Например, упомянутый выше мобильный процессор A13 имеет 6 ядер, из которых 4 являются "медленными" и 2 - "быстрыми".

КРАТКИЙ ОБЗОР НЕКОТОРЫХ СОВРЕМЕННЫХ СЕМЕЙСТВ ПРОЦЕССОРОВ

Рассмотрим следующие современные семейства процессоров:

• Intel x86,
• ARM,
• MIPS,
• AVR,
• "Эльбрус",
• "Байкал".

Этот набор позволяет получить представление о различных современных процессорах, предназначенных для настольных компьютеров и мобильных устройств, для встраиваемых и телекоммуникационных систем, а также для суперкомпьютеров.

Семейство процессоров Intel x86. Процессоры данного семейства на протяжении сорока лет являются основой для комплектации компьютеров IBM PC и последующих совместимых с ними компьютеров. Данные компьютеры составляют на настоящий момент большинство персональных компьютеров на планете. Также, благодаря достаточной вычислительной мощности и богатым функциональным возможностям процессоры этого семейства часто используются при построении многопроцессорных суперкомпьютеров, используемых для высокопроизводительных научных вычислений. Основным производителем этих процессоров традиционно является компания Intel, но, помимо этой компании совместимые процессоры выпускаются также такими компаниями как AMD, Cyrix, VIA Technologies. Поэтому, строго говоря, более корректно обозначать это семейство как х86, потому что в этом случае мы будем говорить о процессорах разных производителей, не только компании Intel. Но в рамках нашего курса нам такая степень общности не требуется.

Семейство процессоров ARM. На рынке мобильных устройств в последнее десятилетие доминируют процессоры семейства ARM. Разработавшая их архитектуру в 1990-х компания Arm Holdings сама процессоров не производит, но лицензирует их производство другим компаниям - например, Qualcomm, Mediatek, NVIDIA. Архитектура ARM показала свою пригодность не только для мобильных устройств. В последние годы на базе процессоров ARM также выпускаются ноутбуки (например, Chromebook), настольные компьютеры (например, современные компьютеры Apple на основе ARM-совместимого процессора Apple M1), одноплатные компьютеры Raspberry Pi. Наконец, в Японии создан суперкомпьютер Fugaku, построенный на базе более 150 000 процессоров Fujitsu A64FX архитектуры ARM. Этот суперкомпьютер создан в Центре вычислительных наук Института физико-химических исследований в городе Коба, Япония. Он стал победителем ряда рейтингов суперкомпьютерных вычислительных систем в июне 2020 года. Официально он был введён в эксплуатацию в марте 2021 года.

Семейство процессоров MIPS было разработано в середине 1980-х в Стэнфордском университете. Сейчас их производство лицензирует компания MIPS Technologies, Inc. Как и в случае с ARM, компания, владеющая правами на архитектуру процессоров, сама не занимается их производством. Среди производителей процессоров архитектуры MIPS можно перечислить такие известные компании, как Siemens, Philips, Toshiba, NEC. Сейчас процессоры MIPS используются, преимущественно, во встраиваемых компьютерах управляющих, например, станками и лифтами, а также для оборудования вычислительных сетей - в роутерах, шлюзах и т.д. Сейчас многие производители вычислительных устройств создают свои процессоры на базе архитектуры MIPS, добавляя в них специализированные функции, например, в случае телекоммуникации - функции для обработки сигналов.

Семейство процессоров AVR. Для разработки простых устройств популярны однокристальные компьютеры семейства AVR компании Atmel. Однокристальными они называются потому, что в одной интегральной схеме (то есть на одном кристалле) содержат все устройства, необходимые для функционирования компьютера. Помимо собственно процессора, интегральная схема включает в себя несколько килобайт оперативной памяти и флэш-памяти для хранения программы, тактовый генератор, аналогово-цифровые и цифрово-аналоговые преобразователи для непосредственного соединения с датчиками и схемами управления различными устройствами. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - это электронная схема, преобразующая значение физической величины (как правило, напряжения) в цифровой вид, то есть в машинное число. Цифрово-аналоговый преобразователь (ЦАП) - электронная схема, выполняющая обратное преобразование. Например, аудиосигнал, выдаваемый звуковым адаптером - аналоговый, и генерирует его цифрово-аналоговый преобразователь, получающий на вход оцифрованный звуковой сигнал.

Однокристальные вычислительные устройства, сочетающие функции процессора и периферийных устройств, называют микроконтроллерами.

Этот термин, как и в случае с умещающимися на одном кристалле микропроцессорами, подчёркивает их "самодостаточность": фактически, для работы микроконтроллеру требуется лишь электропитание. Микроконтроллеры используются для управления материнскими платами, жесткими дисками, для управления устройств бытовой техники (микроволновые печи, холодильники, стиральные машины и пр.). Кроме компании Atmel микроконтроллеры выпускаются многими другими компаниями, например, Siemens, Microchip, Fujitsu.

Возвращаясь к микроконтроллерам AVR отметим, что они очень экономичны в потреблении электроэнергии: устройство, состоящее из микроконтроллера AVR и нескольких датчиков, может несколько месяцев работать, питаясь от трёх "пальчиковых" батареек. Существуют микроконтроллеры с ещё меньшим потреблением электроэнергии, которые могут работать несколько лет от батарейки для наручных часов.

Простота, дешевизна, "самодостаточность" и низкое энергопотребление сделали микроконтроллеры AVR популярными среди начинающих инженеров и радиолюбителей. В радио- и робототехнических кружках они часто применяются в образовательных целях.

Наконец отметим, что микроконтроллеры AVR имеют гарвардскую архитектуру. В случае с однокристальными компьютерами, у которых внутри процессора находится память как для машинного кода, так и для данных (то есть шин нет!), гарвардская архитектура позволяет упростить устройство.

Семейство процессоров "Эльбрус". Современные отечественные процессоры "Эльбрус" (компания-разработчик - АО "МЦСТ") нельзя отнести к тому же семейству, что и процессоры одноименных советских суперкомпьютеров, которые мы рассматривали в первых лекциях. Современные процессоры "Эльбрус" разрабатываются с начала 2000-х годов, являются многоядерными, имеют оригинальную архитектуру и систему команд. По характеристикам процессоры "Эльбрус" сопоставимы с современными процессорами семейства Intel x86. Они позиционируются как процессоры для персональных компьютеров и серверов и предназначены для военных и государственных учреждений в тех случаях, когда использование иностранных процессоров недопустимо по соображениям безопасности. Для компьютеров на базе процессоров "Эльбрус" используется несколько отечественных операционных систем, основанных на ОС Linux. Из-за очень небольшого тиража рыночная цена этих процессоров существенно превосходит цену аналогичных по характеристикам процессоров Intel x86. В случае со специальными применениями этот факт не является критичным, но это закрывает для процессоров "Эльбрус" рыночный вариант использования.

Семейство процессоров "Байкал". Отечественные процессоры "Байкал" (компания-разработчик - АО "Т-Платформы") серийно выпускаются, начиная с 2016 года. Эти процессоры входят в уже описанное выше более крупное семейство процессоров MIPS. Процессоры "Байкал" имеют производительность несколько ниже, чем у современных процессоров Intel x86, но вполне приемлемую для создания на их основе серверов и офисных настольных компьютеров. Их важной особенностью является дешевизна - они несколько дешевле, чем процессоры Intel x86. На данный момент офисные компьютеры на основе процессоров "Байкал" массово поставляются в МВД РФ. Также, в отличие от компьютеров на основе процессоров "Эльбрус", их низкая цена позволяет надеяться на хорошие рыночные перспективы.

Вопросы

1. Дайте определение процессору.
2. Что такое тактовый импульс?
3. Что такое внутренняя и внешняя тактовые частоты процессора?
4. Каким типичные значения тактовой частоты характерны для ЭВМ разных поколений?
5. Какие факторы не позволяют неограниченно увеличивать тактовую частоту процессоров?
6. Что такое разрядность процессора?
7. Что означает совместимость процессоров?
8. Какие типичные значения имеет разрядность современных микропроцессоров?
9. Что такое внутренняя и внешняя разрядности процессора?
10. Что такое машинный язык процессора?
11. Что такое система команд процессора?
12. Как машинный язык связан с языками программирования высокого уровня?
13. Что такое ядро процессора?
14. В чём преимущество многоядерных процессоров по сравнению с одноядерными?
15. Расскажите про "быстрые" и "медленные" ядра многоядерных процессоров.
16. Расскажите о семействе процессоров Intel x86.
17. Расскажите о семействе процессоров ARM.
18. Расскажите о семействе процессоров MIPS.
19. Расскажите о семействе процессоров AVR.
20. Расскажите о семействе процессоров "Эльбрус".
21. Расскажите о семействе процессоров "Байкал"

Литература

1. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб.: Питер, 2011. 688 с.
2. Харрис Д.М., Харрис С.Л. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера. [пер. с англ.] Imagination Technologies. М.: ДМК Пресс, 2018. 792 с.
3. Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем.: Учеб. пособие. 2-e изд., перераб. и доп. M.: Изд-во МГТУ им. H.Э. Баумана, 2008. 520 c.
4. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. СПб.: Питер, 2013. 816 с.