Vícejádrový procesor je centrální procesorová jednotka obsahující dvě nebo více procesorových jader na jednom procesorovém čipu nebo v jednom balení .
V angličtině existují dva běžně používané výrazy pro procesory s více jádry: multi-core a many-core .
Termín vícejádrový ( anglicky multi-core [1] ) se obvykle používá pro centrální procesory obsahující dvě nebo více univerzálních jader , ale někdy se používá také pro digitální signálové procesory (DSP) a jednočipové systémy (SoC, SoC ). Pod vícejádrovým procesorem rozumíme, že několik jader je integrováno do jednoho integrovaného obvodu (vyrobeného na stejném křemíkovém čipu). Pokud bylo několik polovodičových krystalů spojeno do jednoho pouzdra , pak se konstrukce nazývá vícečipový modul ( anglicky multi-chip module , MCM).
Termín multiprocesor se týká počítačů, které mají více fyzicky oddělených procesorů (například serverové základní desky mají často 2 nebo 4 patice pro připojení více čipů), ale jsou řízeny jednou instancí operačního systému (OS).
Pojem vícejádrový [1] ( anglicky many-core [2] nebo anglicky massly multi-core ) lze použít k popisu vícejádrových systémů, které mají velký počet jader, od desítek až po stovky i více. Například to byl název „multi-core“ („mnohojádrový“), který používal Intel pro Intel MIC kalkulačky [3] .
Multiprocesor na čipu (single-chip multiprocessor, on-chip multiprocessor, chip multiprocessing, CMP) – tak raní výzkumníci nazývali své projekty umístění několika procesorů na jeden substrát [4] [5] [6] .
Architektura vícejádrových procesorů do značné míry opakuje architekturu symetrických multiprocesorů ( SMP stroje ), pouze v menším měřítku a s vlastními vlastnostmi.
První vícejádrové procesory ( první generace CMP ) byly nejjednodušší schémata: dvě procesorová jádra umístěná na stejném čipu bez sdílení jakýchkoli jiných zdrojů než paměťové sběrnice (například Sun UltraSPARC IV a Intel Pentium D ). O "skutečný vícejádrový" ( druhá generace CMP ) procesor jde, když jeho procesorová jádra sdílejí mezipaměť třetí nebo druhé úrovně: například Sun UltraSPARC IV+, Intel Core Duo a všechny moderní vícejádrové procesory.
U vícejádrových procesorů je taktovací frekvence obvykle záměrně snížena. To vám umožní snížit spotřebu energie procesoru bez ztráty výkonu: spotřeba energie roste jako krychle ze zvýšení frekvence procesoru. Zdvojnásobením počtu jader procesoru a snížením jejich taktu na polovinu můžete získat téměř stejný výkon, přičemž spotřeba takového procesoru se sníží 4krát.
U některých procesorů se takt každého jádra může lišit v závislosti na jeho individuální zátěži. Jádrem je plnohodnotný mikroprocesor, který využívá všechny výdobytky mikroprocesorové technologie: pipelines , spouštění kódu mimo pořadí , víceúrovňová cache , podpora vektorových instrukcí .
Superskalarita není v jádře vždy přítomna, pokud se například výrobce procesoru snaží jádro co nejvíce zjednodušit.
Každé jádro může využívat přechodnou multithreadingovou technologii nebo, je-li superskalární, technologii SMT k provádění více vláken současně , čímž vzniká iluze více „logických procesorů“ založených na každém jádru. U procesorů Intel se tato technologie nazývá Hyper-threading a zdvojnásobuje počet logických procesorů ve srovnání s fyzickými. U procesorů Sun UltraSPARC T2 (2007) může toto zvýšení činit až 8 vláken na jádro.
Vícejádrové procesory lze kategorizovat podle jejich podpory koherence (sdílené) mezipaměti mezi jádry. Existují procesory s takovou podporou i bez ní. Způsob komunikace mezi jádry:
Cache: Ve všech vícejádrových procesorech, které dnes existují , má každé jádro jednotlivě mezipaměť úrovně 1 a existuje několik možností pro mezipaměť úrovně 2:
Vícejádrové procesory mají také homogenní nebo heterogenní architekturu:
Aplikace, které jsou optimalizovány pro multithreading , mají vyšší výkon na vícejádrovém procesoru. Pokud však aplikace není optimalizována, pak nebude moc těžit z extra jader a může dokonce běžet pomaleji než na procesoru s méně jádry, ale vyšším taktem . Většinou se jedná o aplikace vyvíjené před nástupem vícejádrových procesorů, nebo aplikace, které z principu nevyužívají multithreading.
Většina operačních systémů umožňuje spouštět více aplikací současně . Tím se dosáhne výhody výkonu, i když jsou aplikace jednovláknové.
V dnešní době je u mnoha výrobců procesorů, zejména Intel , AMD , IBM , ARM , další zvyšování počtu procesorových jader považováno za jednu z prioritních oblastí pro zvýšení výkonu.
Prvním procesorem určeným spíše pro běžné použití než pro vestavěné systémy byl POWER4 se dvěma jádry PowerPC na jednom čipu, který IBM vydala v roce 2001.
2jádrový IBM PowerPC-970MP ( G5 ) byl představen v roce 2005. Tímto procesorem byly vybaveny nejnovější Power Mac G5 .
SPARCV březnu 2004 představil Sun Microsystems první 2jádrový procesor architektury SPARC: UltraSPARC IV , první generaci CMP. Druhou generací CMP procesoru byl UltraSPARC IV+ (polovina roku 2005), kde dvě procesorová jádra sdílela mimočipovou mezipaměť úrovně 3 a mezipaměť na čipu úrovně 2.
Fujitsu představilo 2jádrový procesor SPARC64 VI ve své řadě SPARC64 teprve v roce 2007.
x86V dubnu 2005 vydala AMD pro servery dvoujádrový procesor Opteron architektury AMD64 .
V květnu 2005 společnost Intel vydala procesor Pentium D s architekturou x86-64 , první 2jádrový procesor určený pro osobní počítače. To byla „rychlá“ reakce Intelu na výzvu AMD. Pentium D, založené na přední architektuře NetBurst od Intelu, se v podstatě skládalo ze dvou samostatných procesorů umístěných na stejném substrátu bez jakýchkoli společných prvků. Protože Intel opustil architekturu NetBurst na konci roku 2005, Pentium D nebylo vyvinuto. Skutečný vícejádrový procesor Core Duo založený na ekonomičtější architektuře Core vydal Intel v lednu 2006.
V březnu 2010 se objevily první 12jádrové sériové procesory, kterými se staly serverové procesory AMD Opteron 6100 ( architektura x86 / x86-64 ). [7]
V roce 2011 AMD zvládlo výrobu 8jádrových procesorů pro domácí počítače [8] a 16jádrových procesorů pro serverové systémy [9] .
V srpnu 2011 vydala společnost AMD první 16jádrové sériové serverové procesory Opteron řady 6200 (kódové označení Interlagos ). Procesor Interlagos kombinuje dva 8jádrové (4modulové) čipy v jednom balení a je plně kompatibilní se stávající platformou AMD Opteron řady 6100 ( Socket G34 ). [deset]
Od roku 2016 Intel vydává procesory pro servery Xeon E7 - s počtem jader od 4 do 24. [11] [12] (E5 - až 22 jader).
V únoru 2020 uvedla AMD na trh první 64jádrový procesor pro domácí počítače AMD Ryzen Threadripper 3990X [13] .
Shrnutí historie mikroprocesorů a jejich parametrů přináší aktualizovaný anglický článek: Timeline of microprocessors , 2010s . Chcete-li získat počet jader procesoru, vynásobte pole "Cores per die" a "Dies per module"; pro získání počtu hardwarových vláken vynásobte počet jader počtem "threads per core". Například pro Xeon E7, Intel: "4, 6, 8, 10" jader na 1 matrici na 1-2 hardwarová vlákna = maximálně 10 jader a 20 hardwarových vláken, AMD FX "Bulldozer" Interlagos "4-8" na 2 na 1 = maximálně 16 jader a 16 vláken.
27. září 2006 na vývojářském fóru „IDF Fall“ Intel předvedl experimentální 80jádrový čip s výkonem až 1 TFLOPS. Každé jádro pracovalo na taktovací frekvenci 3,16 GHz, spotřeba čipu dosahovala cca 100 W [14] .
20. srpna 2007 Tilera oznámila čip TILE64s 64 procesorovými jádry a vestavěnou vysoce výkonnou sítí, jejímž prostřednictvím může probíhat výměna dat mezi různými jádry rychlostí až 32 Tbps. [15] [16]
Dne 26. října 2009 Tilera oznámila [ 17] 100jádrový univerzální procesor řady TILE-Gx . Každé jádro procesoru je samostatný procesor s mezipamětí úrovně 1 a úrovně 2 . Jádra, paměť a systémová sběrnice jsou propojeny pomocí topologie mesh sítě . Procesory jsou vyráběny 40nm procesní technologií a pracují na taktovací frekvenci 1,5 GHz. Vydání 100jádrových procesorů je naplánováno na začátek roku 2011.
Dne 2. prosince 2009 Intel představil jednočipový " cloud " Jednočipový cloudový počítač (SCC), což je 48jádrový čip. „ Zamračenost “ procesoru spočívá v tom, že všech 48 jader spolu komunikuje jako síťové uzly. SCC je součástí projektu, jehož cílem je vytvořit 100jádrový procesor [18] .
V červnu 2011 Intel odhalil detaily vyvíjené architektury Many Integrated Core (MIC) – tato technologie vyrostla z projektu Larrabee . Mikroprocesory založené na této architektuře dostanou více než 50 x86 mikrojader a budou vyráběny v roce 2012 22nm procesní technologií. Tyto mikroprocesory nelze použít jako centrální procesorovou jednotku , ale výpočetní akcelerátory budou sestaveny z několika čipů této architektury ve formě samostatné rozšiřující karty a budou konkurovat na trhu GPGPU a vysoce výkonných počítačů s řešeními jako Nvidia Tesla a AMD FireStream . . [19] Podle popisu architektury zveřejněného v roce 2012 jsou možné čipy s až 60 jádry.
V říjnu 2011 , Adaptevapředstavila 64jádrové mikroprocesory Epiphany IV, které vykazují výkon až 70 gigaflopů (SP), přičemž spotřebují méně než 1 watt elektřiny. Mikroprocesory jsou navrženy pomocí architektury RISC a zkušební vzorky měly být vyrobeny v roce 2012 pomocí 28nm procesní technologie GlobalFoundries. Tyto procesory nelze použít jako centrální procesorovou jednotku , ale Adaptevanavrhuje použít je jako koprocesor pro složité úkoly, jako je rozpoznávání obličeje nebo uživatelská gesta. Adapteva tvrdí, že počet jader tohoto mikroprocesoru může být v budoucnu zvýšen na 4096. Předpokládá se, že 4096jádrový procesor v hlavní verzi (700 MHz) bude podle odhadů dosahovat 5,6 TFLOPS při spotřebě pouhých 80 wattů.
V lednu 2012 , ZiiLabs(dceřiná společnost Creative Technology ) oznámila 100jádrový systém založený na čipu ZMS-40 . Tento systém kombinuje 4jádrový procesor ARM Cortex-A9 1,5 GHz (s multimediálními bloky Neon) a pole 96 jednodušších a méně všestranných výpočetních jader StemCell . Jádra StemCell jsou energeticky úsporná SIMD architektura s 50 gigaflopy špičkového výkonu s plovoucí desetinnou čárkou (32 bit) , přičemž tato jádra fungují spíše jako GPU v jiných systémech na čipu a lze je použít pro zpracování videa, obrazu a zvuku, pro 3D akceleraci. - a 2D grafika a další multimediální úlohy (podporované OpenGL ES 2.0 a OpenCL 1.1) [22] .
V srpnu 2019 společnost Cerebras Systems představila největší vícejádrový superprocesor na světě, Cerebras Wafer Scale Engine ; má více než 1,2 bilionu tranzistorů na 400 000 jádrech a zabírá téměř celou plochu polovodičové destičky o průměru 300 mm. [23] . V roce 2020 také vytvořili největší procesor v historii výpočetní techniky; v testech předčil superpočítač z top 100 globálních žebříčků [24] .
Existuje také trend zavádět do mobilních zařízení vícejádrové mikrokontroléry .
Například:
| Technologie digitálních procesorů | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Architektura | |||||||||
| Architektura instrukční sady | |||||||||
| strojové slovo | |||||||||
| Rovnoběžnost |
| ||||||||
| Implementace | |||||||||
| Komponenty | |||||||||
| Řízení spotřeby | |||||||||