Многоядерные процессы и программирование

Преимущества многоядерности (или параллелизма) описаны в статье «Платформа 2015: развитие процессоров и платформ Intel® в ближайшие 10 лет». Авторы статьи сообщают, что Intel в течение нескольких следующих лет планирует выпустить процессоры, которые будут содержать множество ядер – в некоторых случаях сотни. По словам специалистов, архитектура с поддержкой многопроцессорной обработки на уровне кристалла является будущим микропроцессоров, так как «позволяет достичь высокой производительности и в то же время обеспечить эффективное управление питанием и эффективный режим охлаждения».

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ: ЧТО ОБЕЩАЕТ НАМ БУДУЩЕЕ?

Как будет выглядеть компьютерный микропроцессор через несколько дет? Давайте попробуем заглянуть в будущее, основываясь на известных сегодня разработках и планах производителей. Компания Intel остается верна своей стратегии "Тик-Так" и использует плавный переход на новые микроархитектуру и технологический процесс. В рамках этапа "Так" была представлена Sandy Bridge-E, теперь же следующей ступенью "Тик" в нынешнем году станет переключение производства на 22-нанометровый технологический процесс с помощью уникальных трехмерных транзисторов Intel 3D Tri-Gate и выпуск новых восьмиядерных процессоров на базе микроархитектуры Ivy Bridge. Однако одновременно идет работа над следующими этапами создания CPU: не так давно исполнительный директор Intel Пол Отеллини заявил, что компания уже закончила разработку архитектуры Haswell, которая стала преемником Ivy Bridge в 2013 году.

У фирмы AMD на рынке центральных процессоров разработки, похоже, продвигаются со сложностями. Анонсированный ранее выпуск CPU Komodo неожиданно был отменен - на смену им придет новое семейство многоядерных (до восьми включительно) чипов AMD Vishera на основе архитектуры Piledriver (логическое развитие системы Bulldozer) и новой платформы Volan.

Аналитики предполагают, что в ближайшие годы нынешняя модель процессоростроения не изменится. Кремний, которому уже давно предрекают "уход на пенсию", останется основной строительной единицей. Впрочем, ему дышат в спину новые интересные элементы, например графон - кристалл углерода с миниатюрной толщиной в один атом. А в более отдаленной перспективе процессоры столкнутся с революционными изменениями, что приведет к появлению квантовых, оптических и даже молекулярных компьютеров.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МНОГОЯДЕРНЫЕ ЧИПЫ

2006 год. Intel представила прототип 80-ядерного CPU, изготовленного по 32-нанометровому технологическому процессу.

2009 год. Компания Tilera продемонстрировала прототип серверного 100-ядерного процессора, в котором каждое ядро представляет собой отдельный чип с кеш-памятью первого и второго уровней.

2009 год. Intel показала "облачный" компьютер, представляющий собой 48-ядерный CPU. При этом все 48 ядер такого ПК сообщаются между собой как сетевые узлы.

2011 год. Intel разработала новую микроархитектуру Many Integrated Core (MIC). Новые процессоры на ее основе получат более 50 ядер и начнут производиться по 22-нанометровому техпроцессу уже в 2012 году.

2011 год. Компания Adapteva представила 64-ядерные микропроцессоры Epiphany IV, которые показывают производительность до 70 гигафлопс (количество операций с плавающей запятой в секунду), при этом потребляя менее 1 Вт электроэнергии. Данные чипы не могут быть использованы в качестве центральных процессоров, однако компания Adapteva предлагает применять их в качестве сопроцессора для таких сложных задач, как распознавание лиц или жестов пользователя.

2012 год. Компания ZiiLabs - дочернее предприятие Creative Technology - анонсировала 100-ядерную систему на чипе ZMS-40. Пиковая производительность системы при вычислениях с плавающей запятой составила 50 гигафлопс.

МОБИЛЬНЫЕ ЧЕТЫРЕХЪЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ

Я уже не раз упоминал о мобильных телефонах с многоядерными процессорами. Теперь же, кратко приведу одну из самых продвинутых и перспективных технологий. В конце прошлого года компания NVIDIA основательно взволновала всех энтузиастов выпуском мобильного процессора Tegra 4i, который располагает пятью ядрами ARM Cortex-A9. Четыре из них работают на частоте 2,3 ГГц, но активируются только в случае необходимости, а дополнительное, пятое ядро, разгоняясь до 500 МГц, функционирует постоянно и служит для решения простых задач, и 60-ядерный видеоускоритель NVIDIA GeForce ULP, а также LTE модем NVIDIA i500. Подобная технология позволяет значительно снизить энергопотребление CPU. Первым устройством на основе нового процессора стал телефон NVIDIA Phoenix.

Заключение

В заключении хотелось бы упомянуть, что не смотря на всю прогрессивность многоядерных процессов и программирования. У них есть и несколько весьма значительных недостатков.  
 Во-первых элементная база. Подложка, на которой располагаются ядра процессора, может вместить только определённое их количество. И в скором времени, учитывая текущий прогресс, это число будет достигнуто. Что может завести индустрию в новый тупик прогресса. А так же, чем больше ядер в процессоре, тем больше тепла он излучает. И значит что необходимо решать проблему теплоотвода, которая на данный момент не позволяет создавать компактные ноутбуки с большим количеством ядер.

Во-вторых, как уже упоминалось ранее, не все алгоритмы имеют возможность распараллеливания. И тут уже как ни крути, но придётся обходиться одним ядром для вычислений.

В любом случае, как бы медленно всё не продвигалось, с какими бы проблемами не сталкивалось, но многоядерные архитектуры плотно вошли в нашу жизнь. Примеры использования параллельных вычислительных систем или суперкомпьютеров можно найти в разных областях промышленности, медицины, образования. Вот лишь небольшой список областей человеческой деятельности, где использование суперкомпьютеров действительно необходимо:

• автомобилестроение;

• нефте - и газодобыча;

• фармакология;

• прогноз погоды и моделирование изменения климата;

• сейсморазведка;

• проектирование электронных устройств;

• синтез новых материалов и многие, многие другие.

Ведь многоядерные системы делают нашу жизнь проще, а так же, что немаловажно, делают её быстрее. Нам нужно, что бы компьютер работал быстрее, а телефон был умнее и мог с правится всё с большим и большим количеством функций. А значит будет спрос. И предложение не заставит себя ждать. А иначе и нельзя, так как многоядерные компьютеры и вычисления - не будущее, а реальность.

Список использованной литературы

1. Многоядерные процессоры и программирование [Электронный ресурс]. – Введ. 2005.-08.-01. - URL: http://www.osp.ru/os/2005/07-08/185743/
2. МНОГОЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ИЗМЕНЯТ НАШЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРОГРАММИРОВАНИИ [Электронный ресурс]. – Введ. 2005.-04.-01. - URL: http://reflex-language.narod.ru/articles/05parallel.pdf
3. Параллельные вычисления [Электронный ресурс]. – Введ. 2014.-03.-20. - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%CF%E0%F0%E0%EB%EB%E5%EB%FC%ED%FB%E5_%E2%FB%F7%E8%F1%EB%E5%ED%E8%FF
4. Справочник по цифровой вычислительной технике, под ред. Б. Н. Малиновского, К., 1974.
5. Григорьев В. Л. «Микропроцессор i80486». - М.: БИНОМ, 2003 277 с.
6. Статья Сергея Золотарева, Алексей Рыбакова: «Програмное обеспечение многоядерных систем»
7. Басманов А. С. «МП и ОЭВМ». - М.: «Мир», 2002 321с.
8. Статья А.В. Калачёв «Многоядерные процессоры» (Интернет университет информационных технологий www.intuit.ru)
9. Особенности использования многоядерных процессоров [Электронный ресурс]. - URL: http://www.swsys.ru/print/article_print.php?id=727
10. Программирование параллельное [Электронный ресурс]. –URL: http://slovare.coolreferat.com/словарь/словарь=математическая_энциклопедия_слово=Программирование_параллельное
11. Антонов А.С. Введение в параллельные вычисления, М.: Изд-во МГУ, 2002, 346 с.
12. NVIDIA представляет первый процессор Tegra со встроенным LTE-модемом [Электронный ресурс]. – Введ. 2014.-03.-20. - URL:  http://www.nvidia.ru/object/tegra-4i-4g-lte-mobile-processor-feb-19-2013-ru.html