Суперскалярные процессоры – это реализация ILP-процессора для последовательных архитектур – архитектур, программа для которых не должна передавать и, фактически, не может передавать точную информацию о параллелизме.
Как работает процессор AMD
Задачи распределяются между ядрами таким образом, чтобы они работали с минимальными потерями энергии. Это позволяет снизить энергопотребление и улучшить работу устройств, особенно в мобильных устройствах, где продолжительное время автономной работы очень важно. Однако увеличение числа ядер также требует определенных улучшений в программном обеспечении, чтобы задачи эффективно распределялись между ядрами. К счастью, разработчики постепенно адаптируют программы и операционные системы к возможностям многоядерных процессоров, что позволяет достичь максимальной производительности и эффективности. Применение многоядерности Многоядерные процессоры представляют собой системы, в которых несколько ядер работают независимо друг от друга, выполняя параллельно различные задачи.
Это позволяет повысить скорость вычислений и обработки информации, а также снизить энергопотребление и тепловыделение системы. Многоядерность нашла применение во многих областях, таких как научные и инженерные расчеты, графика и игровая индустрия, машинное обучение и искусственный интеллект, обработка больших данных и виртуализация. Эти задачи требуют параллельного выполнения большого количества вычислений, которое эффективно выполняется на многоядерных процессорах. Однако эффективное использование многоядерных процессоров требует разработки специальных алгоритмов и программного обеспечения.
Разработчики должны учитывать особенности многоядерной архитектуры и распределение задач между ядрами, чтобы достичь максимальной производительности системы. Читайте также: Методы защиты информации основные способы и технологии Более того, многоядерные процессоры сталкиваются с проблемой «застоя Мура», когда увеличение количества ядер не приводит к значительному повышению производительности из-за ограничений в аппаратной и программной поддержке параллельных вычислений. Тем не менее, применение многоядерности является неотъемлемой частью развития современных архитектур процессоров и позволяет достичь высокой производительности и эффективности работы компьютерных систем. Производительность и энергоэффективность в архитектуре процессоров Производительность процессора достигается за счет оптимизации его архитектуры и алгоритмов работы.
Компании-производители постоянно улучшают схему исполнения команд, увеличивают количество исполнительных блоков и вводят новые технологии, такие как суперскалярность и предвыборка команд.
И пусть небольшая в количестве устройств, но зато очень заметная доля на рынке ПК в деньгах, чтобы процесс адаптации «настольного» софта для x86 под работу с «мобильным» ARM стал интересен крупным разработчикам ПО. За примерами далеко ходить не надо: в Adobe на зов откликнулись одними из первых. Немаловажно и то, что переход с Intel на ARM для Apple — далеко не первый опыт смены процессоров в своих устройствах. Apple M1 интересен не столько тем, что построен на базе технологий ARM, сколько своей архитектурой.
Здесь на одной подложке собраны сам процессор, в котором по 4 производительных и энергоэффективных ядра, восьмиядерная графическая подсистема, нейромодуль для машинного обучения, огромные по меркам процессоров объемы кэш-памяти плюс тут же распаяна оперативная память. Такое решение занимает совсем мало места в корпусе компьютера, потребляет мало энергии аккумулятор ноутбука дольше не разрядится и может работать без активного охлаждения ноутбук будет тихим или вовсе бесшумным при хорошем уровне производительности. С одной стороны, это лэптоп, главными преимуществами которого как раз и должно быть все, что дает новый процессор: компактность, автономность, тишина. С другой стороны, это компьютер для наименее требовательных пользователей, которым практически не нужен никакой специфический софт — достаточно того, что сама Apple предлагает «из коробки»: браузера, проигрывателя, офисного пакета. А для софта, который под ARM адаптировать пока не успели, Apple использует встроенный эмулятор Rosetta 2.
Также недавно был анонсирован новый iMac. Такие машины уже ориентированы на задачи посерьезнее, но все равно это еще далеко не профессиональный сегмент — на него в Купертино пока лишь намекают. И именно здесь к решению Apple на базе технологий ARM возникает основной вопрос: получится ли «отмасштабировать» M1 до уровня профессиональных решений, где компактность и энергоэффективность не так важны, а на первый план выходит именно производительность? Как реализовать связку М1 с мощными дискретными видеокартами, без которых о монтаже, рендеринге и других сложных вычислениях говорить не приходится? Или может быть Apple вообще готовится к выпуску собственной дискретной графики?
Вопросов пока куда больше, чем ответов на них. Новая линейка тонких 11,5 мм iMac 2021 на базе M1 Фото: Apple Уже готовые компактные устройства Apple с чипами M1 выглядят действительно интересно, правда выигрыш в производительности в них явно ощущается в основном только в уже адаптированных под ARM программах, но зато он очень заметный. Так что если Intel и AMD не смогут дать достойный ответ конкуренту в нише энергоэффективных ПК, то рост популярности решений Apple не заставит себя ждать даже несмотря на то, что еще какое-то время софта будет не хватать. Массовому пользователю ведь много не нужно. Точного ответа на этот вопрос пока не знает никто.
Но уже сейчас очевидно, что в ближайшие годы основная борьба x86 в лице Intel и ARM в лице Apple развернется на рынке компактных ноутбуков. Они, в отличие от неттопов Mac Mini и моноблоков iMac , значительно более востребованы. Также очевидно и то, что пользователи от такого противостояния только выиграют. Конечно, техника особенно у Apple от этого не подешевеет, но зато мы прямо сейчас получили ультрапортативные лэптопы без активного охлаждения с долгожданным ощутимым приростом мощности и времени работы от батареи. Здорово и то, что разработчики Intel наконец-то взбодрятся.
Из-за отсутствия конкуренции они слишком долго почивали на лаврах: самое время доставать из рукавов все припрятанные козыри. Собственно, именно так технологии и развиваются.
Все элементы процессора синхронизируются с использованием частоты часов, которые определяют скорость выполнения операций. Самые первые процессоры работали на частоте 100kHz, сегодня рядовая частота процессора - 200MHz, иначе говоря, часики тикают 200 миллионов раз в секунду, а каждый тик влечет за собой выполнение многих действий. Счетчик Команд PC - внутренний указатель, содержащий адрес следующей выполняемой команды. Когда приходит время для ее исполнения, Управляющий Модуль помещает инструкцию из памяти в регистр инструкций IR. В то же самое время Счетчик команд увеличивается, так чтобы указывать на последующую инструкцию, а процессор выполняет инструкцию в IR. Многие инструкции задействуют Арифметико-логическое Устройство ALU , работающее совместно с Регистрами Общего Назначения - место для временного хранения, которое может загружать и выгружать данные из памяти. Типичной инструкцией ALU может служить добавление содержимого ячейки памяти к регистру общего назначения.
ALU также устанавливает биты Регистра Состояний Status register - SR при выполнении инструкций для хранения информации о ее результате. Например, SR имеет биты, указывающие на нулевой результат, переполнение, перенос и так далее. Это почти все что касается самого общего рассказа о процессорах - почти любая операция может быть выполнена последовательностью простых инструкций, подобных описанным. Архитектурное развитие В соответствии с законом Мура сформулированным в 1965 году Гордоном Муром Gordon Moore , одним из создателей Intel , CPU удваивает свою мощность и возможности каждые 18-24 месяцев. В последние годы Intel настойчиво следовал этому закону, оставаясь лидером на рынке и выпуская более мощные чипы процессоров для PC, чем любая другая компания. В 1978 году 8086 работал на частоте 4. Законы физику ограничивают разработчиков в непосредственном увеличении частоты, и хотя частоты растут каждый год, только это не может дать того прироста производительности, что мы используем сегодня. Вот почему инженеры постоянно ищут способ заставить процессор выполнять больше работы за каждый тик. Одно развитие состоит в расширении шины данных и регистров.
Даже 4-битные процессоры способны складывать 32-битные числа, правда выполнив массу инструкций, - 32-битные процессоры решают эту задачу в одну инструкцию. Большинство сегодняшних процессоров имеют 32-разрядную архитектуру, на повестке уже 64-разрядные. В давние времена процессор мог обращаться только с целыми числами. Единственной возможностью было написание программ, использующих простые инструкции для обработки дробных чисел, но это было медленно. Фактически все процессоры сегодня имеют инструкции для непосредственного обращения с дробными числами. Традиционно, это занимало пять тиков - один для загрузки инструкции, другой для ее декодирования, один для получения данных, один для выполнения и один для записи результата. В этом случае очевидно 100MHz процессор мог выполнить только 20 миллионов инструкций в секунду. Большинство процессоров сегодня применяют поточную обработку pipelining , которая больше похожа на фабричный конвейер. Одна стадия потока выделена под каждый шаг, необходимый для выполнения инструкции, и каждая стадия передает инструкцию следующей, когда она выполнила свою часть.
Это значит, что в любой момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, доставляются данные для третьей, четвертая исполняется, и записывается результат для пятой. При текущей технологии одна инструкция за тик может быть достигнута. Более того, многие процессоры сейчас имеют суперскалярную архитектуру. Это значит, что схема каждой стадии потока дублируется, так что много инструкций могут передаваться параллельно. Pentium Pro, примером, может выполнять до пяти инструкций за цикл тика. Процесс производства Что отличает микропроцессор от его предшественников, сконструированных из ламп, отдельных транзисторов, малых интегральных схем, такими какими они были первое время от полного процессора на едином кремниевом чипе. Кремний или силикон - это основной материал из которого производятся чипы. Это полупроводник, который, будучи присажен добавками по специальной маске, становится транзистором, основным строительным блоком цифровых схем. Процесс подразумевает вытравливание транзисторов, резисторов, пересекающихся дорожек и так далее на поверхности кремния.
Сперва выращивается кремневая болванка. Она должна иметь бездефектную кристаллическую структуру, этот аспект налагает ограничение на ее размер. В прежние дни болванка ограничивалась диаметром в 2 дюйма, а сейчас распространены 8 дюймов. На следующей стадии болванка разрезается на слои, называемые пластинами wafers. Они полируются до безупречной зеркальной поверхности. На этой пластине и создается чип. Обычно из одной пластины делается много процессоров. Электрическая схема состоит из разных материалов. Например, диоксид кремния - это изолятор, из полисиликона изготавливаются проводящие дорожки.
Когда появляется открытая пластина, она бомбардируется ионами для создания транзисторов - это и называется присадкой. Чтобы создать все требуемые детали, на всю поверхность пластины добавляется слои и лишние части вытравливаются вновь. Чтобы сделать это, новый слой покрывается фоторезистором, на который проектируется образ требуемых деталей. После экспозиции проявление удаляет те части фоторезистора, которые выставлены на свет, оставляя маску, через которую проходило вытравливание. Оставшийся фоторезистор удаляется растворителем. Этот процесс повторяется, по слою за раз, до полного создания всей схемы. Излишне говорить, что детали размером в миллионную долю метра может испортить мельчайшая пылинка. Такая пылинка может быть повсюду, размером от микрона до ста - а это в 3-300 раз больше детали. Микропроцессоры производятся в сверхчистой среде, где операторы одеты в специальные защитные костюмы.
Как только новый слой добавляется на пластину, каждый чип тестируется и отмечается любое несоответствие. Индивидуальные чипы отделяются и с этой точки зовутся матрицами. Плохие бракуются, а хорошие упаковываются в PGA Pin Grid Arrays корпус - керамический прямоугольник с рядами штырьков на дне, именно такой корпус большинство людей принимают за процессор. По сегодняшним стандартам это чудовищно. Если предположить, что Pentium Pro изготовлен по такой технологии он был бы размером 14x20 сантиметров, и был бы медленным - быстрые транзисторы малы. Большинство процессоров сегодня используют 0. Программная совместимость На заре компьютерного века многие люди писали свои программы, а точный набор исполняемых инструкций процессора не был существенен. Сегодня, однако, люди ждут возможность использовать готовые программы, так что набор инструкций первостепенен.
Распараллеливание вычислений быстро привело к тому, что игры стали плохо работать на процессорах с небольшим количеством ядер. Пользователи начали требовать от компании Intel наращивать число вычислительных блоков. Поэтому главной особенностью новинок стало увеличенное количество ядер. Восьмое поколение вышло в 2017 году и получило название «Coffee Lake». Архитектура, техпроцесс и сокет остались прежними, а главные изменения: увеличенный объем кэш-памяти; линейки i5 и i7 стали шестиядерными; частоты в режиме Turbo Boost увеличилась на 200 МГц; появилась официальная поддержка оперативной памяти с частотой 2666 МГц. Это сделало линейку Coffee Lake очень популярной как среди геймеров, так и профессионалов. Особенно удачной была идея с шестиядерными процессорами. Даже сегодня они показывают отличную производительность. Например, шестиядерный Core i7-8700K обеспечивает стабильные 60 и более FPS в любых современных играх. Мощность встроенной графики осталась почти без изменений. Ей повысили частоту всего на 50 МГц, что увеличило производительность на несколько процентов по сравнению с предыдущей линейкой. Архитектура и технический процесс остались прежними, но поменялся сокет. Теперь пользователям нужно было покупать новые материнские платы LGA 1151v2. Физически этот сокет ничем не отличался от предыдущего. То есть новый процессор можно было легко установить в старую материнку с LGA 1151, но ПК все равно бы не запустился. Неразборчивые покупатели не придавали индексу «v2» в названии сокета особого значения, и многие сталкивались с тем, что их компьютеры не включались. Тогда пользователям приходилось возвращать материнские платы обратно в магазины и покупать новые. Чтобы избежать таких ситуаций в будущем, Intel перестала именовать новые сокеты дополнительными индексами. Производительность девятого поколения i3 и i5 почти не изменилась по сравнению с Coffee Lake. Им немного увеличили частоты, что повысило их мощность на пару процентов. Наибольшие изменения коснулись старших моделей. Core i7-8700K имел 6 ядер и 12 потоков, а Core i7-9700K 8 ядер и 8 потоков. Несмотря на увеличенное количество ядер, у новинки не было технологии многопоточности Hyper Threading. Зато технология многопоточности была у топового Core i9-9900K. Компания решила дополнить свой список позиционирования линейкой i9. Эти ЦП предназначалась для самых требовательных пользователей, которым была нужна максимальная мощность в играх и профессиональных приложениях. Comet Lake Технология многопоточности Hyper Threading, о которой мы говорили ранее, обычно устанавливалась только в премиальные серии Core i7 и i9, но в 2020 году это изменилось. С выходом десятого поколения функция многопоточности добавлялась всем моделям, в том числе и младшим версиям i3 и i5. Такая щедрость была вызвана острой конкуренцией с компанией AMD. В 2019 году они выпустили AMD Ryzen 3000, которые не просто догоняли, но и опережали процессоры Coffee Lake Refresh в некоторых задачах. Чтобы снова выйти в лидеры, компания Intel добавила многопоточность всем новым моделям, что и стало главной особенностью десятого поколения. Оно вышло в 2020 году и получило название «Comet Lake». Технология Hyper Threading значительно повышала производительность во всех операциях. Неважно, видеоигры, монтаж, моделирование, обработка фото или создание анимаций. Многопоточность ускоряла ЦП в любых операциях. Это было возможно по той причине, что технология Hyper Threading делила ядра на отдельные логические блоки, которые могли работать как по отдельности, так и вместе, оптимально распределяя ресурсы между собой. Другими словами, ядра процессоров как будто договаривались друг с другом и распределяли нагрузку так, чтобы выполнять задачи максимально быстро. Технология Hyper Threading увеличивала производительность ЦП не за счет повышения частоты или какой-то функции, а за счет оптимизации работы ядер. Помимо многопоточности, десятое поколение отличалось новым сокетом. Пользователям снова пришлось покупать новые материнки. Также в десятом поколении был увеличен объем кэш-памяти, что положительно сказалось на производительности в играх. Последнее крупное изменение — поддержка оперативной памяти с частотой 3200 МГц.
Сделан кардинально новый шаг в архитектуре процессоров
P6 являлась суперскалярной и поддерживала изменения порядка выполнения операций. Ее конвейер имел целых 12 стадий. Также в архитектуре был предусмотрен блок предсказания ветвлений. Процессоры использовали двойную независимую шину, которая значительно увеличила пропускную способность памяти. P6 имела самый производительный на то время блок вычислений с плавающей запятой. В том же 1995 году были представлены процессоры следующего поколения Pentium Pro.
Кристаллы работали на частоте 150-200 МГц, имели 16 Кбайт кэш-памяти первого уровня и до 1 Мбайт кэша второго уровня. Во многом из-за этого чипы уступали в производительности процессорам Pentium в 16-битных приложениях. В настольном сегменте Pentium Pro откровенно провалились, и вскоре Intel «переквалифицировала» их в серверные. А для обычных пользователей в 1997 году были представлены Pentium II. Второе поколение «пней» базировалось на том же ядре P6 с кодовым именем Klamath , которое использовалось в процессорах Pentium Pro.
По сравнению с Pentium у второго поколения кристаллов объем кэш-памяти первого уровня был увеличен до 32 Кбайт. Были добавлены и инструкции MMX. Учитывая низкую производительность Pentium Pro в 16-битных приложениях, были внесены изменения в архитектуру с прицелом как раз на повседневную работу. В итоге производительность в 16-разрядных программах увеличилась на треть. Максимальная частота процессоров Klamath составляла 300 МГц.
Они стали менее горячими. При этом частотный потенциал моделей увеличился. Так, Deschutes могли работать на частоте 450 МГц. Кстати, в линейке Pentium II впервые произошла дифференциация: серверные и Low-End-процессоры начали продаваться под отдельными брендами: Xeon и Celeron соответственно. В 1999 году были представлены первые процессоры Pentium III.
Они базировались на новой генерации ядра P6 под названием Katmai, которые являлись модифицированными версиями Deschutes. В ядро была добавлена поддержка инструкций SSE, а механизм работы с памятью был улучшен. Тактовая частота процессоров Katmai достигала 600 МГц. Новые процессоры выпускались по 180-нм техпроцессу и имели интегрированную кэш-память второго уровня. Частота процессоров достигала уже 1,13 ГГц.
В компании пошли нестандартным путем — в 1996 году фирма приобрела небольшого разработчика x86-процессоров NexGen и выпустила их проект Nx686 как K6. Новая архитектура серьезно отличалась от K5. Процессоры K6 поддерживали изменение порядка выполнения инструкций, набор команд MMX и блок вычислений с плавающей запятой. Первые процессоры K5 производились по 350-нм и 250-нм техпроцессу, обладали 64 Кбайт кэш-памяти первого уровня и работали на частотах, разбросанных в диапазоне 166-300 МГц. В 1998 году AMD выпустила «камни» с улучшенной архитектурой K6-2.
Новые кристаллы конкурировали с самыми производительными моделями Pentium II. Максимальная частота чипа составляла 550 МГц. K6-2 была коммерчески успешной архитектурой, которая обеспечила AMD столь необходимую для дальнейшего существования финансовую стабильность. Процессоры рассматривались как конкурент Pentium III. Решения AMD действительно обеспечивали такой же уровень производительности при меньшей стоимости.
Сама же суть архитектуры K6-III была проста. Так, кристалл сохранил все «фишки» K6-2, но при этом получил встроенную кэш-память второго уровня объемом 256 Кбайт.
Впрочем, заявление ARM о том, что ядро Cortex-A715 имеет ту же производительность, что и Cortex-Х1, является отличной новостью для производителей чипов, которые в конечном итоге задействуют новинку в процессорах среднего уровня.
Эти системы на кристалле потенциально смогут обеспечить значительное повышение производительности центрального процессора без соответствующего повышения энергопотребления, как это было в последних флагманских процессорах. Какие перспективы у Immortalis-G715? Дело в том, что Qualcomm и Samsung уже предлагают свои собственные графические процессоры в системах на кристалле — Adreno и AMD Xclipse соответственно.
А вот MediaTek по-прежнему использует графические чипы компании ARM для своих флагманских систем на кристалле, так что никого не должно удивить появление в 2023 году топового чипсета с графическим ускорителем Immortalis-G715. Но не стоит забывать, что Samsung и MediaTek также используют графические процессоры ARM в своих процессорах среднего уровня, так что придётся немного подождать и посмотреть, будут ли эти компании использовать Mali-G715 или Mali-G615 в своих более доступных системах на кристалле в следующем году. Стоит ли ожидать в 2023 году только 64-битные смартфоны?
Ещё в октябре 2020 года компания ARM официально заявила, что начиная с 2022 года её процессоры будут исключительно 64-битными. Сейчас как раз подходит к концу 2022 год, и технически это действительно так — Cortex-X3 и Cortex-A715 являются 64-битными ядрами, в то время как Cortex-A510 выступает полностью 64-разрядным ядром с дополнительной поддержкой 32-разрядной архитектуры для устаревших вариантов систем. Кроме того, стоит напомнить, что сейчас Google Play требует, чтобы все представленные на платформе приложения имели 64-битную поддержку, а альянс компаний Xiaomi, Vivo и Oppo в Китае объявил, что все приложения должны иметь 64-битную поддержку.
Правда, есть несколько препятствий на пути к полному переходу на исключительно 64-битные приложения.
The improvement of circuit parameters area, time delay in approach 3 is achieved due to minimizing each selected subsystem on the basis of Shannon expansions in its own for each subsystem permutation of expansion variables. At the same time, minimizing multilevel representations based on Shannon expansions for function system matrix descriptions is more effective for one half of circuits; minimizing based on Shannon expansions of function systems presented as logical equations is effective for the other half. The practical significance of the study is that the developed software, which implements the proposed algorithm for extracting Boolean function subsystems, allows reducing the area and increasing the performance of functional blocks of custom CMOS VLSI in many cases. Keywords: cmos , vlsi , vhdl , digital logic synthesis , Boolean net , Binary Decision Diagram BDD , disjunctive normal form , disjunctive normal form DNF , the system of boolean functions Просмотров: 811 2. Input to QA in this case is always the same.
Output of QA says which problem coded. In some sense, give a function to QA to analyze and QA returns its property as an answer without quantitative computing. QA studies qualitative properties of the functions. The core of any QA is a set of unitary quantum operators or quantum gates. In practical representation, quantum gate is a unitary matrix with particular structure. The size of this matrix grows exponentially with an increase in the number of inputs, which significantly limits the QA simulation on a classical computer with von Neumann architecture.
В идеале в BIOS можно выставлять и степень разгона отдельно для каждого ядра, то есть максимальный множитель для каждого ядра. Увеличение частоты в режиме Turbo Mode производится скачкообразно, порциями по 133 МГц частота системной шины в процессорах составляет 133 МГц. К сожалению, возможность тонкой настройки режима Turbo Boost через BIOS используют далеко не все производители материнских плат. Если точнее, настраивать Turbo Boost можно только на материнских платах самой Intel. В большинстве случаев включение этого режима означает, что все ядра процессора увеличивают свою тактовую частоту на одну ступень, то есть на 133 МГц. Так же был добавлен набор расширений инструкций SSE4. Помните, мы говорили об архитектуре процессора как о способности им выполнять определенные наборы инструкций? SSE4- четвертая редакция расширения, впервые появилась в процессорах на микроархитектуре Penrynn ядра Wolfdale, Yorkfield. Набор SSE4.
Как утверждают разработчики, дополнительные ускорители могут быть полезны, например, в задачах лексического и синтаксического анализа, при работе с регулярными выражениями и поиске вирусов. Изменения коснулись и кэша. Был добавлен общий для всех ядер кэш 3-го уровня L3 объемом 8 Мбайт. Увеличена кэш-память 1-го L1 и 2-го L2 уровней. Новая система питания пришла в процессоры Intel вместе с многоядерными архитектурами, и принципиальное направление с тех пор не менялось, а лишь улучшалась аппаратная реализация за счет улучшения интегрированных блоков управления питанием. Основной момент технологии под названием Intel Intelligent Power Capability заключается в том, что вычислительные блоки изначально находятся в выключенном состоянии и подключаются по мере загруженности процессора. Специальные интегральные схемы анализируют потоки данных и принимают решение о включении или выключении определенной подсистемы. Набор системной логики физически разделен на блоки, которые запитываются по отдельным каналам. Это понижает энергопотребление при обработке различных видов данных.
Особенно важен тот факт, что разделение на блоки и управление этими блоками идет без задержки, связанной с «пробуждением» элементов. В связи с распределением блоков по кристаллу возникла необходимость более точного контроля температуры. Ведь может получиться так, что та часть, где датчик замеряет температуру, бездействует и, соответственно, холодная, в то время как другая страдает от перегрева. Чтобы избежать подобной ситуации, в процессоры, начиная с линейки Core 2, встроено несколько термодатчиков в местах, подверженных наибольшему перегреву.
Сделан кардинально новый шаг в архитектуре процессоров
У RISC также большее количество регистров. Всё дело в совместимости. Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд». Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.
Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда» — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.
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 двуядерных процессоров оказалось наиболее логичным шагом на пути к новым вершинам быстродействия и ознаменовало начало новой эры в развитии процессорного рынка.
Что же представляет собой двуядерный 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 двуядерный процессор система рассматривает как два независимых. Понятно, что двуядерный 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» 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 существующем процессоре. Полноценный двуядерный процессор — совсем другое дело. В этом случае система определяет действительно два «честных» процессорных ядра.
В принципе, двуядерный 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. Один из способов создать энергоэффективный процессор — это переход от одноядерной процессорной архитектуры к многоядерной. Дело в том, что многоядерные процессоры позволяют повышать производительность именно за счет увеличения IPC, то есть количества инструкций программного кода, обрабатываемых за каждый такт работы процессора.
В идеале при переходе от одноядерной архитектуры процессора к двуядерной можно сохранить тот же уровень производительности, снизив тактовую частоту каждого из ядер почти вдвое.
И дело не в том, что квантовые компьютеры быстрее, а в том, что они представляют собой принципиально новую модель вычислений, способную решать множество новых задач. До массового внедрения этой технологии ещё 10-20 лет, так какие же тенденции наблюдаются сегодня в индустрии процессоров?
Активно ведутся десятки исследований в разных областях, но я коснусь лишь нескольких, самых, на мой взгляд, значительных. Растёт тенденция влияния гетерогенных вычислений. Это метод включения нескольких различных вычислительных элементов в одну систему.
Большинству из нас знаком этот метод на примере отдельного GPU в компьютере. Центральный процессор очень гибок в настройке и может выполнять широкий спектр вычислений с адекватной скоростью. С другой стороны, GPU разработан специально для выполнения графических вычислений, таких как матричное перемножение.
С подобными типами инструкции они справляются на порядки быстрее центрального процессора. Любой программист легко оптимизирует своё ПО, нужным образом изменив алгоритм, а вот оптимизировать оборудование гораздо сложнее. Но GPU — не единственная область, где применение акселерации становится обычным явлением.
Большинство смартфонов имеют десятки аппаратных акселераторов, предназначенных для ускорения выполнения весьма специфических задач. По мере того, как нагрузки становятся все более специализированными, разработчики оборудования включают в свои чипы все больше акселераторов. Это практически программируемое оборудование, которое можно настроить в соответствии с нуждами пользователя.
Если требуется выполнять распознавание изображений, можно реализовать эти алгоритмы аппаратно. А чтобы сперва протестировать новое оборудование с помощью симуляции, прежде чем его фактически изготовлять, можно использовать FPGA. Другие компании, такие как Google и Nvidia, разрабатывают ASIC машинного обучения для ускорения распознавания и анализа изображений.
Снимки кристаллов популярных мобильных процессоров, демонстрирующие их структуру. Фотографии предоставлены пользователем mostlikelynotarobot на портале reddit. Это позволило ускорить выполнение очень специализированных вычислений, а также значительно снизить энергопотребление.
Раньше при необходимости добавления в систему обработки видео, разработчики просто добавляли в систему новый чип. Однако это крайне неэффективный подход. Каждый раз, когда сигналу нужно пройти по физическому проводнику от одного чипа к другому, требуется огромное количество энергии на бит.
Сама по себе крошечная доля джоуля не кажется особо значительной, но при передаче данных внутри, а не снаружи чипа, она используется на 3-4 порядка эффективнее. Благодаря интеграции таких акселераторов с ЦП, мы наблюдали рост количества чипов со сверхнизким энергопотреблением. И всё же ускорители не идеальны.
Чем больше мы добавляем их в схемы, тем менее гибким становится чип, и мы начинаем жертвовать общей производительностью ради пиковой производительности специализированных видов вычислений.
Вслед за этим многие компании, в том числе Microsoft, заявили о массовом переходе на процессоры на базе архитектуры ARM. Причина указывалась абсолютно та же, что и в 2006 году, когда начался всплеск интереса к x86: предел развития архитектуры x86, невозможность вендоров в новых моделях показывать качественный прирост производительности и энергоэффективности. На данный момент архитектура x86 не располагает к развитию: создавать более мощные процессоры можно только за счет увеличения частоты работы процессора, объема потребления энергии. Сейчас это достигается также за счет увеличения размера самого процессора количества транзисторов в них , из-за чего устройства сильно нагреваются, особенно если вендор должным образом не озаботился оптимизацией остальных компонентов своего устройства. Теперь производительность топовых x86 сравнялась с производительностью ARM-процессоров от Apple, но купертиновские процессоры отличаются в 15 раз большей энергоэффективностью!
Последнее нововведение было сделано как раз для того, чтобы устройства на Windows 11, имеющие процессоры на базе архитектуры ARM, могли не эмулировать систему целиком, а эмулировать только сторонние Windows-приложения. Результат — Windows теперь запускается нативно на процессорах на базе архитектуры ARM. Версия Windows есть даже для всех серий смартфонных процессоров производства Snapdragon. В марте 2022 года Apple выпускает еще один процессор на базе архитектуры ARM — Apple M1 Ultra, который в три раза мощнее самого высокопроизводительного процессора на архитектуре x86 в пользовательском сегменте то есть не серверном Intel Core i9 12900HK. Этот факт окончательно ставит под сомнение целесообразность дальнейшего развития x86. Ядро Linux также давно адаптировано и оптимизировано под архитектуру ARM.
Такие компании, как Huawei, Honor, Samsung тоже разрабатывают новые девайсы на процессорах, базой которых является архитектура ARM. Наконец, в 2022 году закончится полный переход Apple на собственные процессоры. Целесообразность такого подхода отмечают и ИТ-эксперты. Что ждет Intel и AMD Архитектура ARM на сегодняшний день превратилась из мобильной в кроссплатформенную, предназначенную для всех видов девайсов, начиная с IoT-устройств и заканчивая рабочими станциями. Уже сейчас процессоры на ARM-архитектуре применяются даже в серверах благодаря их невероятной энергоэффективности и «нулевого» нагрева при использовании охлаждения, ранее предназначенного для процессоров на базе x86 архитектуры. Процессоры x86, в свою очередь, улучшаются только за счет увеличения их тактовой частоты, размеров и потребления энергии.
Новейшие тенденции в архитектуре процессоров
Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц. В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Формально все процессоры х86 являются процессорами CISC-архитектуры. Итак, x86 – это типичный представитель CISC-архитектуры. Таким образом, в современной интерпретации, говоря CISC, подразумеваем х86, и наоборот. ИИ позволяет процессору обучаться и адаптироваться к различным задачам, что позволяет повысить эффективность работы и увеличить скорость выполнения задач. Еще одной новой технологией в архитектуре процессоров является использование распределенных систем.
Война за чипы: сменят ли ARM процессоры x86 и почему все зависит от Apple
Процессоры Pentium 4 изготавливаются по новой архитектуре Intel® NetBurst. В процессорах Pentium 4 кэш 1-го уровня поделен на две части — кэш данных и кэш команд. Существует два типа тактовой частоты — внутренняя и внешняя. Стоит сразу уточнить, что эти новые процессорные ядра будут использоваться во всех флагманских системах на кристалле от Qualcomm, Samsung и MediaTek начиная с 2023 года — речь о процессорах Snapdragon 8 Gen 2, Exynos 2300 и Dimensity 9200 соответственно. 1 «Быстрее, Выше, Сильнее» – лат. 12 Обзор архитектуры современных многоядерных процессоров [Глава 1. налки» на четырехъядерном процессоре составляет порядка 20 гигафлопс, то весь список Top500 будет эквивалентен половине миллиона таких пер-соналок. Если кому-то нужно распознавание изображений, то он реализует эти алгоритмы в «железе». Если кто-то хочет симулировать работу новой аппаратной архитектуры, то перед изготовлением её можно протестировать на FPGA.
x86 – всё. Взлет и падение ключевой процессорной архитектуры двадцатилетия
Ryzen пять, основанный на архитектуре Pinnacle Ridge, до сих пор остается народным процессором. Сфера применения – широчайшая. При средней стоимости десять тысяч рублей в розницу этот шестиядерный камень может стать основой в разных комплектациях. При этом в отличие от решений Intel, все они будут построены на одной архитектуре (AMD Zen 4), но получат разную тактовую частоту и объём кеша. Соответствующая информация была обнаружена в справочном руководстве AMD Family 19h Model 70h (AMD Zen4/Phoenix). Внизу: небольшой фрагмент нового процессора (фотографии University of Texas at Austin). Исследователи из университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin) создали центральный процессор (ЦП) весьма необычной архитектуры. Начав с высокоуровневого кода, мы узнали, как он компилируется в язык ассемблера и далее – в бинарные инструкции, с которыми работает процессор. Мы заглянули в архитектуру процессоров и поняли, как они обрабатывают инструкции. В этой статье мы расскажем о новых процессорах, которые появятся в 2024 году, их технологических особенностях и преимуществах, а также о том, какие компании являются лидерами рынка и какие процессоры подойдут для разных сфер применения.
Научная работа: Архитектура современных процессоров
Имея короткий вычислительный конвейер, процессоры на Core архитектуре (кстати основанной на архитектуре Pentium M, который частично позаимствовал свою у Pentium III), даже с вдвое более низкой частотой, оказались впереди Pentium 4. p), а часть – энергоэффективное (efficient - e). Их же называют «большими» и «малыми» соответственно. В 2017 году компания AMD вывела на рынок линейку новейших процессоров для настольных компьютеров и рабочих станций на базе новейшей архитектуры AMD Zen. Intel представила APX (Advanced Performance Extensions) — новые расширения системы команд x86-64, с помощью которых она собирается реформировать архитектуру и поднять производительность будущих процессоров при работе с практически любыми приложениями.
Что такое RISC-V и когда появится Java-порт?
По первым тестам процессоры с ядрами Intel Arc работают в играх до двух раз быстрее, чем ускорители Intel прошлого поколения при аналогичном энергопотреблении. Новая архитектура помогает Intel обойти и главного конкурента — AMD. А это значит, если два процессора будут работать на одинаковой тактовой частоте, победит тот процессор, у которого выше IPC. В процессорах Ice Lake, Intel использует новую архитектуру впервые с 2015 года. Она называется Sunny Cove. Архитектура с параллельными процессорами. Отличительным признаком этой архитектуры является то, что несколько арифметическо-логических устройств работают под одним устройством управления. Одной из важных инноваций в архитектуре процессоров является параллельная обработка данных. Эта технология позволяет процессору выполнять несколько инструкций одновременно, что значительно увеличивает скорость обработки информации.