Двухъядерные наступают
Двухъядерные наступают
Эпохаодноядерных процессоров уходит в прошлое. CPU, оснащенные двумявычислительными ядрами, начали активное наступление на сегмент рынканастольных компьютеров. А там, глядишь, и многоядерные подтянутся…
Вапреле-мае этого года в IT-индустрии произошли знаменательные события:монстры процессорного рынка — AMD и Intel — явили миру CPU снесколькими вычислительными ядрами. Первой двухъядерные чипы длянастольных ПК представила корпорация Intel — 11 апреля было официальнообъявлено о начале поставок процессора Pentium 4 Extreme Edition 840.AMD не заставила себя долго ждать и уже 21 апреля ознакомила публику стремя серверными двухъядерными процессорами Opteron, а такжепредставила новую торговую марку — Athlon 64 X2, под которой уже 9 мая были официально презентованы двуядерные процессоры для настольных ПК.
Переходна двухъядерную архитектуру обусловлен тем, что традиционные методы поувеличению производительности практически исчерпали себя. Из-за рядатехнологических проблем темпы наращивания тактовых частот в последнеевремя заметно замедлились. К примеру, в последний год перед появлениемдвухъядерных процессоров компанияIntel смогла нарастить частоты своих CPU лишь на 400 МГц, а конкурентыот AMD ускорились всего на 200 МГц. Как видим, рост тактовых частотдается нелегко. А другие методы, такие как увеличение скорости шины иразмера кэш-памяти, ощутимого прироста производительности не дают.
Поэтомупонятно, почему именно внедрение двухъядерных процессоров оказалосьнаиболее логичным шагом на пути к новым вершинам быстродействия иознаменовало начало новой эры в развитии процессорного рынка.
Два ядра
Чтоже представляет собой двухъядерный процессор? На первый взгляд этопросто два процессора, объединенных в общем корпусе. Но не все такпросто. Во-первых, нужно различать термины «процессор» и «процессорноеядро». Во-вторых, существует проблема общих ресурсов, доступ к которымнужно распределять между двумя ядрами.
Если же посмотреть сточки зрения программного обеспечения, то двухъядерный процессорсистема рассматривает как два независимых. Понятно, что двухъядерныйпроцессор способен одновременно выполнять два потока инструкций, в товремя как обычный CPU производит вычисления строго по очереди.
Доэтого 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 ресурсыодного «физического» процессора (кэши, конвейер, исполнительныеустройства). Практически все ресурсы общие — и если они уже занятыодним из выполняющихся потоков, то второй будет вынужден ожидать ихосвобождения.
По сути, принцип работы процессора сHyper-Threading похож на принцип работы многозадачной операционнойсистемы, только происходит это не на программном, а на аппаратномуровне. Разделение потока на две части, как правило, позволяетэффективнее загрузить исполнительные устройства процессора. И при этомнемного облегчить операционной системе задачу имитации множестванезависимых компьютеров на одном существующем процессоре.
Полноценныйдвухъядерный процессор — совсем другое дело. В этом случае системаопределяет действительно два «честных» процессорных ядра. И приростпроизводительности при этом составляет уже не 10-20% (среднийпоказатель 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 — SymmetricMultiProcessing, симметричная многопроцессорная обработка; термин,обозначающий систему с несколькими равноправными процессорами). По сутисвоей он не отличается от обыкновенной двухпроцессорной системы, вкоторой установлено два независимых процессора. В результате мыполучаем все преимущества двухпроцессорных систем без необходимостииспользования сложных и дорогих двухпроцессорных материнских плат.
Чегоже ожидать от двухпроцессорных систем? В приложениях, оптимизированныхпод многопроцессорность, можно получить ощутимый — вплоть додвукратного — прирост производительности. Это касается многихпрофессиональных приложений, большинства программного обеспечения пообработке цифрового контента (звук, видео, графика), а также программ,уже оптимизированных под технологию Hyper-Threading.
Intel Pentium D
Длякорпорации Intel выпуск процессоров с двухъядерной архитектурой былфактически неизбежен, поскольку ядро Prescott на сегодня практическиполностью исчерпало свой запас по тактовой частоте, ограниченный 4 ГГц.Причем ожидается, что уже к концу 2006 года доля двухъядерных чипов впоставках Intel для рынков настольных и мобильных ПК составит более70%, а на серверном рынке этот показатель должен достичь более 85%. Этицифры весьма убедительно показывают, сколь серьезные надежды возлагаетIntel на новую архитектуру.
Первые двухъядерные процессоры Intel для настольных систем изготовлены на основе ядра Smithfield.Фактически оно состоит из двух ядер Prescott, выполненных на одномполупроводниковом кристалле. Туда же помещается арбитр, который следитза состоянием системной шины и помогает разделять доступ к ней междудвумя CPU. У каждого ядра — собственная кэш-память второго уровняобъемом 1 Мб. Все взаимодействие между ядрами в Smithfield происходитчерез системную шину.
Smithfield имеет примерно вдвое большуюплощадь по сравнению с процессорным ядром Prescott — 206 мм2. Числотранзисторов в новых процессорах составляет 230 млн.
На базеSmithfield на данный момент выпускается два типа процессоров длянастольных компьютеров: просто двухъядерные Pentium D и CPU дляэнтузиастов — Pentium Extreme Edition. Двухъядерные процессорыупаковываются в корпус LGA775 и работают с частотой системной шины 800МГц.
Линейка CPU Pentium D представлена тремя моделями: 820, 830и 840 с частотами, соответственно, 2.8, 3.0 и 3.2 ГГц. В элитарномсекторе есть модель Pentium Extreme Edition 840, процессорные ядракоторой работают на частоте 3,2 ГГц. Отличие экстремальногодвухъядерника от остальных заключается в разблокированном коэффициентеумножения и в присутствии технологии Hyper-Threading, которая отключенав моделях линейки Pentium D. Таким образом Pentium Extreme Editionбудет определяться операционной системой как четыре логическихпроцессора.
Основные характеристики новых CPU приведены в таблице ниже.
Каквидим, максимальная частота двухъядерного процессора равна 3,2 ГГц, вто время как одноядерные модели достигли отметки 3,8 ГГц. Этообъясняется ограничениями по тепловыделению и энергопотреблениюпроцессоров. Prescott и так довольно сильно греется и много «кушает», аобъединение двух ядер на одном кристалле приводит к значительному ростуупомянутых характеристик. Поэтому, двухъядерные процессоры ихарактеризуются такой относительно низкой тактовой частотой.
Заметимтакже, что новое процессорное ядро наследует от Prescott весь наборсовременных технологий: поддержку 64-битных расширений EM64T,технологию безопасности Execute Disable Bit, а также полный наборсредств Demand Based Switching для управления тепловыделением иэнергопотреблением, включающий технологии C1E (Enhanced Halt State),TM2 (Thermal Monitor 2) и EIST (Enhanced Intel SpeedStep). Трипоследние технологии не поддерживаются младшей двухъядерной модельюPentium D 820, поскольку для их работы требуется динамическое изменениямножителя процессора, а коэффициент умножения этого чипа (14x) являетсяминимальным для CPU на основе Prescott и его производных.
AMD Athlon 64 X2
Двухъядерныепроцессоры производства AMD именуются Athlon 64 X2. Из названия видно,что новые CPU имеют архитектуру AMD 64, а индекс «X2» указывает наприсутствие двух вычислительных ядер.
Насегодняшний день модельный ряд Athlon 64 X2 включает пять процессоров срейтингами 3800+, 4200+, 4400+, 4600+ и 4800+ — их основныехарактеристики приведены в таблице внизу.
В основе этих процессоров — ядра с кодовыми именами Toledo и Manchester.Различия между ними — в размере кэша второго уровня: у Toledo кэш L2имеет объем 1 Мб на каждое ядро, а у Manchester этот показатель вдвоеменьше (по 512 Кб на каждое ядро).
Процессоры с рейтингами 4400+и 4800+ построены на основе ядра Toledo и работают на частотах 2,2 ГГци 2,4 ГГц соответственно. А CPU с рейтингами 3800+, 4200+ и 4600+ имеютядро Manchester и характеризуются тактовыми частотами 2,0 ГГц, 2,2 ГГци 2,4 ГГц. Существуют также варианты трех последних процессоров наоснове ядра Toledo, но с отключенной половиной кэша.
Ядро Toledoсостоит примерно из 233,2 млн. транзисторов и имеет площадь около 199мм2. Площадь ядра Manchester заметно меньше — 147 мм2; количествотранзисторов составляет 157 млн.
В отличие от конкурента, AMD нестала уменьшать частоту новых CPU. Как видим, тактовая частота самогобыстрого двухъядерного процессора соответствует частоте старшей моделив линейке Athlon 64 (правда, существует и более быстрый геймерский FX).Из этого следует, что даже в приложениях, не оптимизированных подмногопоточность, Athlon 64 X2 должна демонстрировать очень хорошийуровень производительности.
Следует отметить, что подход креализации двухъядерности в процессорах AMD несколько отличается отпредложенного Intel, хотя Athlon 64 X2, как и Pentium D, по сутипредставляет собой два процессора, объединенных на одном кристалле.Дело в том, что ядра в Smithfield взаимодействуют посредством системнойшины — а в Athlon 64 X2 реализован иной подход. Еще на этапе разработкиархитектуры AMD 64 была предусмотрена возможностьсоздания многоядерных процессоров. Каждое из ядер Athlon 64 X2 обладаетсобственным набором исполнительных устройств и выделенной кэш-памятьювторого уровня; контроллер памяти и контроллер шины HyperTransportобщие. А вот взаимодействие каждого ядра с разделяемыми ресурсамипроисходит посредством специального коммутатора (Crossbar Switch) иинтерфейса системных запросов (System Request Interface), в которомформируется очередь системных запросов (System Request Queue). И, чтосамое главное, на этом же уровне организовано и взаимодействие ядер,благодаря чему вопросы когерентности кэшей решаются без дополнительнойнагрузки на системную шину и шину памяти.
Двухъядерныепроцессоры AMD, в отличие от представителей Intel, не работают с DDR2.Отсутствие поддержки современных типов памяти с высокой пропускнойспособностью объясняется тем, что компания в первую очередь стремиласьсохранить совместимость Athlon 64 X2 с существующими 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.
Врезультате Athlon 64 X2 имеют корпус Socket 939, двухканальныйконтроллер памяти с поддержкой DDR400 SDRAM и работают с шинойHyperTransport с частотой до 1 ГГц. Благодаря этому двухъядерныепроцессоры AMD не нуждаются в новых чипсетах и материнках — достаточнообновить BIOS на уже существующих платах под Socket 939. Стоит такжеотметить, что энергопотребление Athlon 64 X2 удалось вписать в ранееустановленные рамки для Athlon 64.
Новый процессор поддерживаеттехнологии AMD64 (поддержка 64-битных расширений), Enhanced VirusProtection (защита от некоторых типов вирусов), а также Cool’n’Quiet(понижение тепловыделения и энергопотребления процессора).
Тестирование
В тестовую лабораторию журнала поступили двухъядерные CPU обоих гигантов процессорного рынка: Intel Pentium D 820 и AMD Athlon 64 X2 4800+.Сравнивать эти процессоры напрямую нет смысла, поскольку они относятсяк, скажем так, разным весовым категориям. Поэтому каждому двухъядерникубыл противопоставлен его одноядерный предок, работающий на такой жетактовой частоте — речь идет об Intel Pentium 4 520 и AMD Athlon 64 4000+.
Исследовалосьизменение производительности в различных популярных приложениях прииспользовании систем на основе двухъядерного процессора вместоодноядерного. В качестве тестовых программ применялись приложения,входящие в состав пакета WorldBench 5. Результатом тестов являетсявремя, потраченное на выполнение приложения (см. таблицы).
Заключение
Судяпо результатам тестирования, прирост производительности в большинствеприложений незначителен. Более солидный выигрыш мы получаем при запускепрограмм по обработке видео — Microsoft Windows Media Encoder 9.0 и Roxio VideoWave Movie Creator 1.5.
Однаколучше всего двухъядерные процессоры проявили себя при віполнениимногозадачного теста, когда одновременно запускалось два приложения —Mozilla и Windows Media Encoder. Причем отрыв Athlon 64 X2 4800+ отодноядерного предка составил 82,2%, а разница между процессорами Intelв этом тесте составила 47,1%. На первый взгляд двухъядерность AMDэффективней, чем Intel. Но не будем забывать, что у Pentium 4 уже былареализована «псевдодвухъядерность» (Hyper-Threading) — не исключено,что именно поэтому прирост получился не таким солидным.
Глядя наменее выдающиеся результаты, показанные в остальных приложениях, можнопредположить, что эти программы просто не оптимизированы подмногопоточность. 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 будущемпроизводители ПО постараются оптимизировать под многопоточность какможно большее количество своих продуктов. Вот тогда-то двухъядерныепроцессоры и раскрыть свой потенциал смогут в полной мере.
Мой блог находят по следующим фразам