• Tutorial

В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.

Цель статьи - показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).

Предупреждение о знаках ®, ™, в статье

Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.

Процессор

Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин - это «процессор».

В современном мире процессор - это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.

Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.

Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает , что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.

Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память - RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.

К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS

Ядро

Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.

Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах - как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент - схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер , во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.

Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.

В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.

Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.

Гиперпоток

До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология - гипертреды или гиперпотоки, - Intel® HyperThreading (далее HT).

Ничто не ново под луной. HT - это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния - регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня - это зависит от конкретной системы.

Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии . Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.

Ограничения потоков

В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это - частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение - здесь нужны «честные» ядра.

Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.

Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре - уникальная для IA-32 конфигурация.

Логический процессор

Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?

Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x , y , z ), где x - это число процессоров, y - число ядер в каждом процессоре, а z - число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией - устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.

Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) - ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая - два ядра, а третья - всего лишь два потока.

Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?

Linux top показывает 4 логических процессора.

Это довольно удобно для создателей прикладных приложений - им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.

Программное определение топологии

Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.

Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи :

Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к , в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».

APIC ID

Local APIC (advanced programmable interrupt controller) - это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) - для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .

В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше - только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.

Выяснение родственных связей

Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два - внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня - гиперпоток, ядро или процессор, - в ECX.

У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, - все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.

Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.

Отмечу, что CPUID.0xB - не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI .

Операционные системы и топология

Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.

В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:

Скрытый текст

ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid" processor: 0 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 0 initial apicid: 0 processor: 1 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 1 initial apicid: 1 processor: 2 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 2 initial apicid: 2 processor: 3 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 3 initial apicid: 3

В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:

Скрытый текст

user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec kern.sched.topology_spec: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1 THREAD groupSMT group 2, 3 THREAD groupSMT group 4, 5 THREAD groupSMT group 6, 7 THREAD groupSMT group

В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.

Многоя́дерный проце́ссор - центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Среди многоядерных процессоров к данному моменту можно выделить

*процессоры, предназначенные в основном для встраиваемых и мобильных приложений, в которых большое внимание разработчиков было уделено средствам и методам снижения энергопотребления (SEAforth (SEAforth24, seaforth40), Tile (Tile36, Tile64, Tile64pro), AsAP-II, CSX700);

*процессоры для вычислительных или графических станций, где вопросы энергопотребления не столь критичны (графические процессоры, например, процессоры серии g80 от NVIDIA, проект Larrabee от Intel, отчасти сюда можно отнести и процессор Cell от IBM, хотя количество вычислительных ядер у него относительно невысоко);

* процессоры т.н. мейнстрима - предназначенные для серверных, рабочих станций и персональных компьютеров (AMD, Intel, Sun);

• Количество ядер (Количество ядер. Ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура. Каждое ядро воспринимается системой как отдельный, самостоятельный процессоров, со всем необходимым набором функций.)

Тактовая частота (такт - элементарная операция в секунду, которую может выполнить процессор. Следовательно, количество тактов - это показатель, сколько операций в секунду времени способен обработать процессор. Единицей измерения этого параметра являются гигагерцы ГГц.)

Кеш-память (память, непосредственно встроенная в процессор, и используемая для хранения и обращения к часто используемым данным, называется кеш-память. Она делиться на несколько уровней - L1, L2 и L3. Вышестоящий уровень кеш-памяти имеет больший объем, но менее скоростной доступ к данным.)

Разрядность (определяет количество информации, которой может обменяться процессор с оперативной памятью за один такт. Параметр этот измеряется в битах. Параметр разрядности влияет на объем возможной оперативной памяти - 32-х битный процессор может работать только с 4 Гб оперативной памяти.)

Производительность

Потребляемая мощность

Размеры

Стоимость

Классы задач, на которые рассчитаны

Сравнительные характеристики производительности процессоров, потребляемой мощности и скоростей обмена данными представлены в таблицах

(Мфлопс - миллион операций с плавающей точкой в секунду)

Немалый вклад в общую производительность процессора и эффективность его работы вкладывает и структура межъядерных связей и организация подсистемы памяти, в частности кэш-памяти

Процессор CSX700

Архитектура процессора CSX700 была разработана для решения так называемой проблемы массо-габаритных показателей и потребляемой мощности (Size, Weight and Power (SWAP)), которая, как правило, является основной для встраиваемых высокопроизводительных приложений. Путем интегрирования процессоров, системных интерфейсов и встроенной памяти с коррекцией ошибок, CSX700 представляет собой достаточно экономичное, надежное и производительное решение, отвечающее требованиям современных приложений.

Архитектура процессора оптимизирована для работы с применением массового параллелизма данных и спроектирована с высокой степенью эффективности и надежности. Архитектура нацелена на интеллектуальную обработку сигналов и обработку изображений во временной и частотной областях.

Кристалл CSX700 содержит 192 высокопроизводительных процессорных ядра, встроенную буферную память размером 256 кбайт (два банка по 128 кбайт), кэш данных и кэш команд, ECC-защиту внутренней и внешней памяти, встроенный контроллер прямого доступа в память. Для обеспечения накристаль-ной и межкристальной сети используется технология ClearConnect NoC (рис. 11).

Процессор состоит из двух относительно независимых модулей MTAP (MultiThreaded Array Processor - многопотоковый процессорный массив), содержащих кэши инструкций, данных, блоки управления процессорными элементами, и набор из 96 вычислительных ядер (рис. 12).

Рис. 12. Структура MTAP-блока

Каждое ядро имеет двойной блок вычислений с плавающей точкой (сложение, умножение, деление, вычисление квадратного корня, поддерживаются числа одинарной и двойной точности), 6 кбайт высокопроизводительной оперативной памяти, 128-байтный регистровый файл. Поддерживается 64-битное виртуальное адресное пространство и 48-битное реальное.

Технические характеристики процессора:

тактовая частота ядер 250 MГц;

96 ГФлоп для данных двойной или одинарной точности;

поддерживает 75 ГФлоп при тесте перемножения матриц двойной точности (DGEMM);

производительность целочисленных операций 48 ШАОс;

рассеиваемая мощность 9 Вт;

пропускная способность внутренних шин памяти 192 Гбайт/с;

две внешние шины памяти 4 Гбайт/с;

скорость обмена данными между отдельными процессорами 4 Гбайт/с;

интерфейсы PCIe, 2·DDR2 DRAM (64 бита).

Разработанный для систем с низким энергопотреблением, данный процессор работает на относительно низкой тактовой частоте и имеет механизм управления частотой, который позволяет регулировать производительность приложений в условиях определенного энергопотребления и теплового окружения.

CSX700 поддерживается профессиональной средой разработки (SDK) на основе технологии Eclipse с визуальными средствами отладки приложений, базирующейся на оптимизированном компиляторе ANSI C с расширениями для параллельного программирования. В дополнение к стандартной библиотеке С идет набор оптимизированных библиотек с такими функциями, как БПФ, BLAS, LAPACK и др.

Современные процессоры Intel и AMD

Современный рынок процессоров делят два главных конкурента – Intel и AMD.

Процессоры от компании Intel, сегодня считаются самыми производительными, благодаря семейству Core i7 Extreme Edition. В зависимости от модели они могут иметь до 6 ядер одновременно, тактовую частоту до 3300 МГц и до 15 Мб кэш памяти L3. Самые популярные ядра в сегменте настольных процессоров создаются на основе Intel - Ivy Bridge и Sandy Bridge.

В процессорах компании Intel применяются фирменные технологии собственной разработки для повышения эффективности работы системы.

1. Hyper Threading - За счет этой технологии, каждое физическое ядро процессора способно обрабатывать по два потока вычислений одновременно, получается, что число логических ядер фактически удваивается.

2. Turbo Boost - Позволяет пользователю совершить автоматический разгон процессора, не превышая при этом максимально допустимый предел рабочей температуры ядер.

3. Intel QuickPath Interconnect (QPI) - Кольцевая шина QPI соединяет все компоненты процессора, за счет этого сводятся к минимуму все возможные задержки при обмене информацией.

4. Visualization Technology - Аппаратная поддержка решений виртуализации.

5. Intel Execute Disable Bit - Практически антивирусная программа, она обеспечивает аппаратную защиту от возможных вирусных атак, в основе которых лежит технология переполнения буфера.

6. Intel SpeedStep-Инструмент позволяющий изменять уровень напряжения и частоты в зависимости от создаваемой нагрузки на процессор.

Core i7 – на данный момент топовая линия компании

Core i5 – отличаются высокой производительностью

Core i3 – невысокая цена, высокая/средняя производительность

Самые быстрые процессоры фирмы AMD все же медленнее, чем самые быстрые процессоры Intel (данные на ноябрь 2010). Но благодаря своему хорошему соотношению цены и качества, процессоры AMD, в основном для настольных ПК, являются прекрасной альтернативой процессорам Intel.

Для процессоров Athlon II и Phenom II важным является не только тактовая частота, но и количество ядер процессора. Athlon II и Phenom II в зависимости от модели могут иметь два три или четыре ядра. Модель с шестью ядрами – только серия Highend Phenom II.

Большинство современных процессоров созданных компанией AMD по умолчанию поддерживают следующие технологии:

1. AMD Turbo CORE - Эта технология призвана автоматически регулировать производительность всех ядер процессора, за счет управляемого разгона (подобная технология у компании Intel имеет название TurboBoost).

2. AVX (Advanced Vector Extensions), ХОР и FMA4 - Инструмент, имеющий расширенный набор команд, специально созданных для работы с числами с плавающей точкой. Однозначно полезный инструментарий.

3. AES (Advanced Encryption Standard) - В программных приложениях использующих шифрование данных, повышает производительность.

4. AMD Visualization (AMD-V) - Эта технология виртуализации, помогает обеспечить разделение ресурсов одного компьютера между несколькими виртуальными машинами.

5. AMD PowcrNow! - Технология управления питанием. Она помогают пользователю добиться повышения производительности, за счет динамической активации и деактивации части процессора.

6. NX Bit - Уникальная антивирусная технология, помогающая предотвратить инфицирование персонального компьютера определенными видами вредоносных программ.

Использование в ГИС

Геоинформационные системы - многофункциональные средства анализа сведенных воедино табличных, текстовых и картографических данных, демографической, статистической, земельной, муниципальной, адресной и другой информации. Многоядерные процессоры необходимы для быстрой обработки различных видов информации, так как они значительно ускоряют и распределяют работу программ.

ВЫВОД

Переход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышения производительности. На данный момент самым распространенным считается 4-х и 6-и ядерные процессоры. Каждое ядро воспринимается системой как отдельный, самостоятельный процессоров, со всем необходимым набором функций. Технология многоядерных процессоров, позволила распараллелить операции вычисления, вследствие чего повысился показатель быстродействия ПК.

http://www.intuit.ru/department/hardware/mcoreproc/15/

http://kit-e.ru/articles/build_in_systems/2010_2_92.php

http://softrew.ru/instructions/266-sovremennye-processory.html

http://it-notes.info/centralnyj-processor/

http://www.mediamarkt.ru/mp/article/AMD,847020.html

Преимущества многоядерных процессоров

Возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;

Увеличение скорости работы программ;

Процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;

Более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видеоредакторов);

Снижение энергопотребления;

Работа пользователя ПК становится более комфортной;

На самом деле ничего подобного не происходит. Чтобы понять, почему восьмиядерность процессора не удваивает производительность смартфона вдвое, потребуются некоторые пояснения. Будущее в сфере процессоров смартфонов уже наступило. Восьмиядерные процессоры, о которых совсем недавно можно было только мечтать, получают все большее распространение. Но, оказывается, их задача состоит не в том, чтобы повысить производительность устройства.

Эти пояснения были опубликованы в статье «Octa-core vs Quad-core: Does it make a difference?» на страницах ресурса Trusted Reviews .

Сами термины «восьмиядерный» и » четырехъядерный» отражают число ядер центрального процессора.

Но ключевое различие между этими двумя типами процессоров состоит в способе установки процессорных ядер.

В четырехъядерном процессоре все ядра способны работать одновременно, обеспечивая быструю и гибкую многозадачность, делая более ровными 3D-игры и повышая скорость работы камеры, а также осуществляя другие задачи.

Современные восьмиядерные чипы, в свою очередь, просто состоят из двух четырехъядерных процессоров, которые распределяют между собой различные задачи в зависимости от их типа. Чаще всего в восьмиядерном чипе присутствует набор из четырех ядер с более низкой тактовой частотой, чем во втором наборе. Когда требуется выполнить сложную задачу, за нее, разумеется, берется более быстрый процессор.

Более точным термином, чем «восьмиядерный» стал бы «двойной четырехъядерный». Но это звучит не так красиво и не подходит для маркетинговых задач. Поэтому эти процессоры называют восьмиядерными.

Зачем нужны два набора процессорных ядер?

В чем причина сочетания двух наборов процессорных ядер, передающих задачи один другому, в одном устройстве? Для обеспечения энергоэффективности! Данное решение необходимо для смартфона, работающего от аккумулятора, но не для головного устройства, постоянно питающегося от бортовой сети автомобиля.

Более мощный центральный процессор потребляет больше энергии и батарею приходится чаще заряжать. А аккумуляторные батареи намного более слабое звено смартфона, чем процессоры. В результате — чем более мощен процессор смартфона, тем более емкая батарея ему нужна.

При этом для большинства задач смартфона вам не понадобится столь высокая вычислительная производительность, какую может обеспечить современный процессор. Перемещение между домашними экранами, проверка сообщений и даже веб-навигация — не столь требовательные к ресурсам процессора задачи.

Но HD-видео, игры и работа с фотографиями такими задачами являются. Поэтому восьмиядерные процессоры достаточно практичны, хотя элегантным это решение назвать трудно. Более слабый процессор обрабатывает менее ресурсоемкие задачи. Более мощный — более ресурсоемкие. В итоге сокращается общее энергопотребление по сравнению с той ситуацией, когда обработкой всех задач занимался бы только процессор с высокой тактовой частотой. Таким образом, сдвоенный процессор прежде всего решает задачу повышения энергоэффективности, а не производительности

Технологические особенности

Все современные восьмиядерные процессоры базируются на архитектуре ARM, так называемой big.LITTLE.

Эта восьмиядерная архитектура big.LITTLE была анонсирована в октябре 2011 года и позволила четырем низкопроизводительным ядрам Cortex-A7 работать совместно с четырьмя высокопроизводительными ядрами Cortex-A15. ARM с тех пор ежегодно повторяла этот подход, предлагая более способные чипы для обоих наборов процессорных ядер восьмиядерного чипа.

Некоторые из основных производителей чипов для мобильных устройств сосредоточили свои усилия на этом образце «восьмиядерности» big.LITTLE. Одним из первых и наиболее примечательных стал собственный чип компании Samsung, известный Exynos. Его восьмиядерная модель использовалась начиная с Samsung Galaxy S4, по крайней мере в некоторых версиях устройств компании.

Сравнительно недавно Qualcomm также начала применение big.LITTLE в своих восьмиядерных чипах Snapdragon 810 CPU. Именно на этом процессоре базируются такие известные новинки рынка смартфонов, как HTC One M9 и G Flex 2, ставший большим достижением компании LG.

В начале 2015 года NVIDIA представила Tegra X1, новый суперпроизводительный мобильный процессор, который компания предназначает для автомобильных компьютеров. Основной функцией X1 является его вызываемый консольно («console-challenging») графический процессор, который также основывается на архитектуре big.LITTLE. То есть он также станет восьмиядерным.

Велика ли разница для обычного пользователя?

Велика ли разница между четырех- и восьмиядерным процессором смартфона для обычного пользователя? Нет, на самом деле она очень мала, считает Trasted Reviews.

Термин «восьмиядерный» вносит некоторую неясность, но на самом деле он означает дублирование четырехъядерных процессоров. В итоге получаются два работающих независимо четырехъядерных набора, объединенных одним чипом для повышения энергоэффективности.

Нужен ли восьмиядерный процессор в каждом современном устройстве? Такой необходимости нет, например Apple, обеспечивает достойную энергоэффективность своих iPhone при всего двухъядерном процессоре.

Таким образом, восьмиядерная архитектура ARM big.LITTLE является одним из возможных решений одной из самых важных задач, касающихся смартфонов — времени работы от одной зарядки батареи. Как только найдется другое решение этой задачи, так и прекратится тренд установки в одном чипе двух четырехъядерных наборов, и подобные решения выйдут из моды.

Модуль поиска не установлен.

Одноядерный или двухъядерный?

Виктор Куц

Самым значимым событием последнего времени в области микропроцессоров стало появление в широком доступе CPU, оснащенных двумя вычислительными ядрами. Переход на двухъядерную архитектуру обусловлен тем, что традиционные методы по увеличению производительности процессоров полностью исчерпали себя - процесс наращивания их тактовых частот в последнее время застопорился.

К примеру, в последний год перед появлением двухъядерных процессоров компания Intel смогла увеличить частоты своих CPU на 400 МГц, а AMD и того меньше - всего лишь на 200 МГц. Другие же методы повышения производительности, такие как увеличение скорости шины и размера кэш-памяти, также утратили былую эффективность. Таким образом, внедрение двухъядерных процессоров, обладающих двумя процессорными ядрами в одном чипе и разделяющими между собой нагрузку, в настоящее время оказалось наиболее логичным шагом на сложном и тернистом пути наращивания производительности современных компьютеров.

Что же представляет собой двухъядерный процессор? В принципе, двухъядерный процессор представляет собой SMP-систему (Symmetric MultiProcessing - симметричная многопроцессорная обработка; термин, обозначающий систему с несколькими равноправными процессорами) и по сути своей не отличается от обыкновенной двухпроцессорной системы, состоящей из двух независимых процессоров. Таким образом, мы получаем все преимущества двухпроцессорных систем без необходимости использования сложных и очень дорогих двухпроцессорных материнских плат.

До этого компанией Intel уже была произведена попытка распараллелить выполняемые инструкции - речь идет о технологии HyperThreading, обеспечивающей разделение ресурсов одного "физического" процессора (кэш, конвейер, исполнительные устройства) между двумя "виртуальными" процессорами. Прирост производительности (в отдельных, оптимизированных для HyperThreading приложениях) при этом составлял примерно 10-20%. Тогда как полноценный двухъядерный процессор, включающий в себя два "честных" физических ядра, обеспечивает прирост производительности системы на все 80-90% и даже больше (естественно, при полном задействовании возможностей обоих его ядер).

Главным инициатором в продвижении двухъядерных процессоров выступила компания AMD, которая в начале 2005 года выпустила первый серверный двухъядерный процессор Opteron. Что касается настольных процессоров, то здесь инициативу перехватила компания Intel, примерно в это же время анонсировавшая процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Правда, анонс аналогичной линейки процессоров Athlon64 X2 производства AMD запоздал всего лишь на считанные дни.

Двухъядерные процессоры Intel

Первые двухъядерные процессоры Intel Pentium D семейства 8хх были основаны на ядре Smithfield, которое является ничем иным, как двумя ядрами Prescott, объединенными на одном полупроводниковом кристалле. Там же размещается и арбитр, который следит за состоянием системной шины и помогает разделять доступ к ней между ядрами, каждое из которых имеет собственную кэш-память второго уровня объемом по 1 Мбайт. Размер такого кристалла, выполненного по 90-нм техпроцессу, достиг 206 кв. мм, а количество транзисторов приближается к 230 миллионам.

Для продвинутых пользователей и энтузиастов компания Intel предлагает процессоры Pentium Extreme Edition, отличающиеся от Pentium D поддержкой технологии HyperThreading (и разблокированным множителем), благодаря чему они определяются операционной системой как четыре логических процессора. Все остальные функции и технологии обоих процессоров полностью одинаковы. Среди них можно выделить поддержку 64-битного набора команд EM64T (x86-64), технологии энергосбережения EIST (Enhanced Intel SpeedStep), C1E (Enhanced Halt State) и TM2 (Thermal Monitor 2), а также функцию защиты информации NX-bit. Таким образом, немалая ценовая разница между процессорами Pentium D и Pentium EE является по большей части искусственной.

Что касается совместимости, то процессоры на ядре Smithfield потенциально могут быть установлены в любую LGA775 материнскую плату, лишь бы она соответствовала требованиям Intel к модулю питания платы.

Но первый блин, как обычно, вышел комом - во многих приложениях (большинство из которых не оптимизированы под многопоточность) двухъядерные процессоры Pentium D не только не превосходили одноядерные Prescott, работающие на той же тактовой частоте, но иногда и проигрывали им. Очевидно, проблема кроется во взаимодействии ядер через процессорную шину Quad Pumped Bus (при разработке ядра Prescott не было предусмотрено масштабирование его производительности путем увеличения количества ядер).

Устранить недостатки первого поколения двухъядерных процессоров Intel были призваны процессоры на 65-нм ядре Presler (два отдельные ядра Cedar Mill, размещенные на одной подложке), появившиеся в самом начале нынешнего года. Более "тонкий" техпроцесс позволил уменьшить площадь ядер и их энергопотребление, а также повысить тактовые частоты. Двухъядерные процессоры на ядре Presler получили наименование Pentium D с индексами 9хх. Если сравнивать процессоры Pentium D 800-й и 900-й серий, то кроме ощутимого снижения энергопотребления новые процессоры получили удвоение кэш-памяти второго уровня (по 2 Мбайт на ядро вместо 1 Мбайт) и поддержку перспективной технологии виртуализации Vanderpool (Intel Virtualization Technology). Кроме того, был выпущен процессор Pentium Extreme Edition 955 с включенной технологией HyperThreading и работающий на частоте системной шины 1066 МГц.

Официально процессоры на ядре Presler с частотой шины 1066 МГц совместимы только с материнскими платами на чипсетах серии i965 и i975X, тогда как 800-мегагерцевые Pentium D в большинстве случаев заработают на всех системных платах, поддерживающих эту шину. Но, опять же, встает вопрос о питании этих процессоров: термопакет Pentium EE и Pentium D, за исключением младшей модели, составляет 130 Вт, что почти на треть больше, чем у Pentium 4. Согласно заявлениям самой Intel, стабильная работа двухъядерной системы возможна лишь при использовании блоков питания мощностью не менее 400 Вт.

Наиболее эффективными современными десктопными двухъядерными процессорами Intel, без сомнения, являются Intel Core 2 Duo и Core 2 eXtreme (ядро Conroe). Их архитектура развивает базовые принципы архитектуры семейства P6, тем не менее, количество принципиальных нововведений столь велико, что впору говорить о новом, 8-м поколении процессорной архитектуры (P8) компании Intel. Несмотря на более низкую тактовую частоту, они заметно превосходят процессоры семейства Р7 (NetBurst) по производительности в подавляющем большинстве применений - в первую очередь за счет увеличения числа операций, выполняемых в каждом такте, а также за счет снижения потерь, обусловленных большой длиной конвейера P7.

Десктопные процессоры линейки Core 2 Duo выпускаются в нескольких вариантах:
- серия E4xxx - FSB 800 МГц, общий для обоих ядер L2-кэш 2 Мбайт;
- серия E6ххх - FSB 1066 МГц, размер кэша 2 или 4 Мбайт;
- серия X6ххх (eXtreme Edition) - FSB 1066 МГц, размер кэша 4 Мбайт.

Буквенный шифр "E" обозначает диапазон энергопотребления от 55 до 75 ватт, "X" - выше 75 ватт. Core 2 eXtreme отличается от Core 2 Duo лишь только повышенной тактовой частотой.

Все процессоры Conroe используют хорошо отработанные процессорную шину Quad Pumped Bus и разъем LGA775. Что, однако, совсем не означает совместимости со старыми материнскими платами. Помимо поддержки тактовой частоты 1067 МГц, материнские платы для новых процессоров должны содержать новый модуль регулирования напряжения (VRM 11). Этим требованиям соответствуют в основном обновленные версии материнских плат, выполненных на базе чипсетов Intel 975 и 965 серий, а также NVIDIA nForce 5xx Intel Edition и ATI Xpress 3200 Intel Edition.

В ближайшие два года процессоры Intel всех классов (мобильные, десктопные и серверные) будут базироваться на архитектуре Intel Core, а основное развитие будет идти в направлении увеличения числа ядер на кристалле и усовершенствования их внешних интерфейсов. В частности, для рынка настольных ПК таким процессором станет Kentsfield - первый четырехъядерный процессор Intel для сегмента высокопроизводительных настольных ПК.

Двухъядерные процессоры AMD

В линейке двухъядерных процессоров AMD Athlon 64 X2 используются два ядра (Toledo и Manchester) внутри одного кристалла, произведенные по 90-нм техпроцессу с использованием технологии SOI. Каждое из ядер Athlon 64 X2 обладает собственным набором исполнительных устройств и выделенной кэш-памятью второго уровня, контроллер памяти и контроллер шины HyperTransport у них общие. Различия между ядрами - в размере кэша второго уровня: у Toledo кэш L2 имеет объем 1 Мбайт на каждое ядро, а у Manchester этот показатель вдвое меньше (по 512 Кбайт). Все процессоры имеют кэш-память первого уровня 128 Кбайт, их максимальное тепловыделение не превышает 110 Вт. Ядро Toledo состоит примерно из 233,2 млн. транзисторов и имеет площадь около 199 кв. мм. Площадь ядра Manchester заметно меньше - 147 кв. мм., количество транзисторов составляет 157 млн.

Двухъядерные процессоры Athlon64 X2 унаследовали от Athlon64 поддержку технологии энергосбережения Cool`n`Quiet, набор 64-битных расширений AMD64, SSE - SSE3, функцию защиты информации NX-bit.

В отличие от двухъядерных процессоров Intel, работающих только с памятью DDR2, Athlon64 Х2 способны работать как с памятью типа DDR400 (Socket 939), обеспечивающей предельную пропускную способность в 6,4 Гбайт/с, так и с DDR2-800 (Socket AM2), пиковая пропускная способность которой составляет 12,8 Гбайт/с.

На всех достаточно современных материнских платах процессоры Athlon64 X2 работают без каких-либо проблем - в отличие от Intel Pentium D они не предъявляют каких-либо специфических требований к дизайну модуля питания материнской платы.

До самого последнего времени наиболее производительными среди десктопных процессоров считались AMD Athlon64 X2, однако с выходом Intel Core 2 Duo ситуация в корне изменилась - последние стали безусловными лидерами, особенно в игровых и мультимедийных применениях. Кроме того, новые процессоры Intel имеют пониженное энергопотребление и гораздо более эффективные механизмы управления питанием.

Такое положение дел компанию AMD не устроило, и в качестве ответного хода она анонсировала выпуск в середине 2007 года нового 4-ядерного процессора с улучшенной микроархитектурой, известного под названием K8L. Все его ядра будут иметь раздельные L2-кэши по 512 Кбайт и один общий кэш 3-го уровня размером 2 Мбайта (в последующих версиях процессора L3-кэш может быть увеличен). Более подробно перспективная архитектура AMD K8L будет рассмотрена в одном из ближайших номеров нашего журнала.

Одно ядро или два?

Даже беглый взгляд на сегодняшнее состояние рынка десктопных процессоров свидетельствует о том, что эпоха одноядерных процессоров постепенно уходит в прошлое - оба ведущих мировых производителя перешли на выпуск в основном мультиядерных процессоров. Однако программное обеспечение, как это не раз случалось и раньше, пока что отстает от уровня развития "железа". Ведь для того чтобы полностью задействовать возможности несколько процессорных ядер, программное обеспечение должно уметь "разбиваться" на несколько параллельных потоков, обрабатываемых одновременно. Только при таком подходе появляется возможность распределить нагрузки по всем доступным вычислительным ядрам, снижая время вычислений сильнее, чем это можно было сделать путем повышения тактовой частоты. Тогда как подавляющее большинство современных программ не способны использовать все возможности, предоставляемые двухъядерными или, тем более, многоядерными процессорами.

Какие же типы пользовательских приложений наиболее эффективно поддаются распараллеливанию, то есть без особой переработки кода программ позволяют выделить несколько задач (программных потоков), способных исполняться параллельно и, таким образом, загрузить работой сразу несколько процессорных ядер? Ведь только такие приложения обеспечивают сколь-нибудь заметное увеличение производительности от внедрения многоядерных процессоров.

Наибольший выигрыш от мультипроцессорности получают приложения, изначально допускающие естественную паралеллизацию вычислений с разделением данных, например, пакеты реалистичного компьютерного рендеринга - 3DMax и ему подобные. Также можно ожидать хорошего прироста производительности от многопроцессорности в приложениях по кодированию мультимедийных файлов (аудио и видео) из одного формата в другой. Кроме того, хорошо поддаются распараллеливанию задачи редактирования двумерных изображений в графических редакторах вроде популярного Photoshop"а.

Недаром приложения всех перечисленных выше категорий широко используются в тестах, когда хотят показать преимущества виртуальной многопроцессорности Hyper-Threading. А уж о реальной многопроцессорности и говорить нечего.

А вот в современных трехмерных игровых приложениях какого-либо серьезного прироста скорости от нескольких процессоров ожидать не следует. Почему? Потому, что типичную компьютерную игру так просто не распараллелить на два или более процессов. Поэтому второй логический процессор в лучшем случае будет заниматься выполнением лишь вспомогательных задач, что не даст практически никакого прироста производительности. А разработка многопоточной версии игры с самого начала достаточно сложна и требует немалых трудозатрат - порой гораздо больших, чем для создания однопоточной версии. Трудозатраты эти, кстати, могут еще и не окупиться с экономической точки зрения. Ведь производители компьютерных игр традиционно ориентируются на наиболее массовую часть пользователей и начинают использовать новые возможности компьютерного "железа" только в случае его широкой распространенности. Это хорошо заметно на примере использования разработчиками игр возможностей видеокарт. Например, после того как появилась новые видеочипы с поддержкой шейдерных технологий, разработчики игр еще долгое время игнорировали их, ориентируясь на возможности урезанных массовых решений. Так что даже продвинутые игроки, купившие самые "навороченные" видеокарты тех лет, так и не дождались нормальных игр, использующих все их возможности. Примерно аналогичная ситуация с двухъядерными процессорами наблюдается сегодня. Сегодня не так много игр, толком задействующих даже технологию HyperThreading, несмотря на то, что уже не один год вовсю выпускаются массовые процессоры с ее поддержкой.

В офисных приложениях ситуация не столь однозначная. Прежде всего, программы такого класса редко работают в одиночку - гораздо чаще встречается ситуация, когда на компьютере запущено нескольких работающих параллельно офисных приложений. Например, пользователь работает с текстовым редактором, и одновременно происходит загрузка web-сайта в браузер, а также в фоновом режиме осуществляется сканирование на вирусы. Очевидно, что несколько работающих приложений позволяют без особого труда задействовать несколько процессоров и получить прирост производительности. Тем более что все версии Windows XP, включая Home Edition (которой изначально было отказано в поддержке мультиядерных процессоров), уже сейчас способны использовать преимущества двухъядерных процессоров, распределяя программные потоки между ними. Обеспечивая тем самым высокую эффективность исполнения многочисленных фоновых программ.

Таким образом, можно ожидать некоторого эффекта даже от неоптимизированных офисных приложений, если они запускаются параллельно, но вот стоит ли такой прирост производительности существенного увеличения стоимости двухъядерного процессора, понять сложно. Кроме того, определенным недостатком двухъядерных процессоров (особенно это касается процессоров Intel Pentium D) является то, что приложения, производительность которых ограничена не вычислительной способностью самого процессора, а скоростью доступа к памяти, могут не так сильно выиграть от наличия нескольких ядер.

Заключение

Несомненно, что будущее определенно за многоядерными процессорами, однако сегодня, когда большая часть существующего программного обеспечения не оптимизирована под новые процессоры, достоинства их не столь очевидны, как пытаются показать производители в своих рекламных материалах. Да, чуть позже, когда произойдет резкое увеличение количества приложений, поддерживающих многоядерные процессоры (в первую очередь это касается 3D-игр, в которых CPU нового поколения помогут существенно разгрузить графическую систему), приобретение их будет целесообразно, но сейчас... Давно известно, что покупка процессоров "на вырост" - далеко не самое эффективное вложение средств.

С другой стороны, прогресс стремителен, а для нормального человека ежегодная смена компьютера - это, пожалуй, перебор. Таким образом, всем обладателям достаточно современных систем на базе одноядерных процессоров в ближайшее время волноваться особо не стоит - ваши системы еще какое-то время будут "на уровне", тогда как тем, кто собирается приобрести новый компьютер, мы бы все-таки порекомендовали обратить свое внимание на относительно недорогие младшие модели двухъядерных процессоров.

Одним из этапов совершенствования архитектуры фон Неймана является распараллеливание потоков (Thread Level Parallelism , TLP ). Различают одновременную многопоточность (Simultaneous Multithreading , SMT ) и многопоточность на уровне кристалла (Chip - level Multithreading , CMT ). Эти два подхода в основном различаются представлением о том, что такое поток. Типичным представителем SMT является так называемая технология HTT (Hyper - Threading Technology ).

Первыми представителями архитектурыCMP стали процессоры, предназначенные для использования в серверах. Это был простой тандем, в таких приборах на одной подложке размещались два, по сути, независимых ядра (Рис.8,). Развитием этой схемы сначала стала структура с общей кэш – памятью рис. 9, а затем структура с многпоточностью в каждом ядре.

Преимущества многоядерных процессоров состоят в следующем.

Простота (естественно относительная) проектирования и производства. Разработав одно эффективное ядро, его можно тиражировать в кристалле, дополняя архитектуру нужными системными компонентами.

Заметно уменьшается энергопотребление. Если, к примеру, на кристалле разместить два ядра и заставить их работать на тактовой частоте, обеспечивающей производительность равную производительности, одноядерного «собрата», а потом сравнить энергопотребление обоих, то обнаружится, что энергопотребление уменьшается в несколько раз, поскольку оно растет почти пропорционально квадрату частоты.

В целом же, если внимательно посмотреть на рисунки 8 и 9, можно увидеть, что принципиальной разницы между, скажем, 2-х процессорной системой и ЭВМ на 2-х ядерном процессоре нет. Проблемы одинаковые. И одна из первых – соответствующая операционная система.

Способы организации работы процессоров

Главным стимулом развития архитектуры ЭВМ является повышение производительности. Один из способов повышения производительности ЭВМ - специализация (как отдельных элементов ЭВМ, так и создание специализированных вычислительных систем).

Специализация процессоров началась с 60-х годов, когда центральный процессор больших ЭВМ был освобожден от выполнения рутинной операции по вводу-выводу информации. Эта функция была передана процессору ввода-вывода, осуществляющему связь с периферийными устройствами.

Другой путь повышения производительности – отход от последовательной архитектуры фон Неймана, ориентация на параллелизм. М. Флин обратил внимание на то, что существует всего две причины, порождающие вычислительный параллелизм - независимость потоков команд, одновременно существующих в системе, и несвязанность данных, обрабатываемых в одном потоке команд. Если первая причина параллелизма вычислительного процесса достаточно известна (это прост мультипроцессирование), то на параллелизме данных остановимся более подробно, поскольку в большинстве случаев он существует скрыто от программистов и используется ограниченным кругом профессионалов.

Простейшим примером параллелизма данных является последовательность из двух команд: А=В+С; D=E*F;

Если строго следовать принципу фон Неймана, то вторая операция может быть запущена на исполнение только после завершения первой операции. Однако очевидно, что порядок выполнения этих команд не имеет никакого значения - операнды А, В и С первой команды никак не связаны с операндами D, Е и F второй команды. Другими словами, обе операции являются параллельными именно потому, что операнды этих команд не связаны между собой. Можно привести множество примеров последовательности из трех и более команд с несвязанными данными, которые приведут к однозначному выводу: практически любая программа содержит группы операций над параллельными данными.

Другой вид параллелизма данных, как правило, возникает в циклических программах обработки массивов данных. Например, при сложении элементов двух массивов одна команда может обрабатывать большой массив (множественный поток) данных. Подобные команды называются векторными, а процессор, реализующий такой режим – векторным. Можно дать такое определение: «Векторный процессор - процессор, обеспечивающий параллельное выполнение операции над массивами данных (векторами). Он характеризуется специальной архитектурой, построенной на группе параллельно работающих процессорных элементов, и предназначен для обработки изображений, матриц и массивов данных».

Существует несколько достаточно близких по смыслу классификаций программного параллелизма, из которых наиболее признанной считается классификация по шести уровням (Рис.10). Три верхних уровня параллелизма занимают крупные программные объекты - независимые задания, программы и процедуры программы. Несвязанные операторы, циклы и операции образуют нижние уровни параллелизма. Если совместить такое ранжирование с категориями М. Флина «параллельные потоки команд» и «параллельные потоки данных», то видно, что параллелизм верхнего уровня в основном достигается за счет множества независимых потоков команд, а параллелизм нижнего уровня обязан своим существованием главным образом несвязанным потокам данных.

Конвейерная обработка и конвейерные структуры

Одним из эффективных способов повышения производительности ЭВМ является конвейеризация. На рис. 11а) показана обработка в одиночном универсальном блоке, а на рис.11 б) и в) – в конвейере. Идея конвейерной обработки заключается в разбиении функции, реализуемой универсальным функциональным блоком (ФБ), между несколькими, специализированными. Все функциональные блоки конвейера должны работать с одинаковой скоростью (хотя бы в среднем). На практике последнего добиться удается редко и, как следствие, производительность конвейера снижается, поскольку период поступления входных данных определяется максимальным временем их обработки в каждом функциональном блоке. Для компенсации флуктуаций времени работы ФБ между ними включают буферные регистры. Более универсальным приёмом является включение буферных запоминающих устройств типа FIFO (рис 11 в ). Следует обратить внимание на ещё одно различие между рисунками б) и в) . В структуре в) отсутствует линия синхронизации СИ. Это не значит, что её не может быть в подобной структуре, просто существует два типа конвейеров: синхронные с общей линией синхронизации и асинхронные , без таковой. Первые ещё называют с управлением командами , а вторые – с управлением данными . Примером асинхронных конвейеров могут служить систолические массивы.

Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку блоков. Иногда оказывается выгодным, функциональные блоки соединят между собой не последовательно, а по более сложной схеме в соответствии с логикой обработки, при этом одни блоки в цепочке могут пропускаться, а другие – образовывать циклические структуры. Структура нелинейного конвейера, способного вычислять две функции X и Y, и диаграммы, в которой функциями X и Y востребуются те или иные функциональные блоки приведена на рис. 12