Compendio de información sobre procesadores de varios núcleos
Temas:
Mejoras que han influido en el rendimiento de los
procesadores.Organización de los procesadores de varios
núcleos.Evolución de los procesadores de varios
núcleos de Intel. Características que influyen
en su rendimiento. Tendencias actuales.
Introducción
El microprocesador (o simplemente procesador) es el
circuito integrado central y más complejo de un sistema
informático; a modo de ilustración, se le suele
llamar por analogía el «cerebro» de un
computador. Es un circuito integrado conformado por millones de
componentes electrónicos. Constituye la unidad central de
procesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador. Es
el encargado de ejecutar los programas, desde el sistema
operativo hasta las aplicaciones de usuario; sólo ejecuta
instrucciones programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando
operaciones aritméticas y lógicas simples, tales
como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas
binarias y accesos a memoria. (Wikipedia, 2014)
La necesidad actual de los consumidores de poseer PCs
cada vez más potentes, ha obligado a los desarrolladores
de microprocesadores a buscar nuevas técnicas para mejorar
las prestaciones en cuanto a rapidez de procesamiento y
respuesta. Para ello comenzaron a añadir mayor cantidad de
núcleos en el interior del chip, reduciendo enormemente el
tamaño de los micros dando más espacio libre a los
ingenieros para poder duplicar o incluso triplicar sus bloques
internos.
Un procesador multi-núcleo es aquel que combina
dos o más microprocesadores independientes en un solo
paquete, a menudo un solo circuito integrado. Un dispositivo de
doble núcleo contiene solamente dos microprocesadores
independientes. En general, los microprocesadores
multi-núcleo permiten que un dispositivo computacional
exhiba una cierta forma del paralelismo a nivel de thread
(thread-level parallelism) (TLP) sin incluir
múltiples microprocesadores en paquetes físicos
separados. Esta forma de TLP se conoce a menudo como
multiprocesamiento a nivel de chip (chip-level
multiprocessing) o CMP. (Wikipedia, 2013)
Los procesadores de doble núcleo o más son
más ágiles en dar respuesta a las órdenes.
El sistema operativo está más desahogado. Pero esto
no significa que acaben el trabajo en la mitad de tiempo. La
forma en que están diseñadas las aplicaciones es
importante, estás deben ser capaces de usar más de
un núcleo de manera simultánea. Sin embargo en
otras situaciones tener dos o más núcleos lleva a
ganancias muy grandes de rendimiento. Sobre todo al evitar
bloqueos como los que ocurren casi de manera continua con
programas que están en memoria como pueden ser los
antivirus.
Desarrollo
Mejoras que han influido en el rendimiento
de los procesadores.
Los grandes avances en la construcción de
microprocesadores se deben más a la Arquitectura de
Computadores que a la miniaturización electrónica.
El microprocesador se compone de muchos componentes. En los
primeros procesadores gran parte de estos estaban ociosos el 90%
del tiempo. Sin embargo hoy en día los componentes
están repetidos una o más veces en el mismo
microprocesador, y los cauces están hechos de forma que
siempre están todos los componentes trabajando. Por eso
los microprocesadores son tan rápidos y tan
productivos.
Los procesadores no sobrepasaban los 3.8 GHz (obtenido
por el Pentium 4 Prescott), necesitaban grandes disipadores y
ventiladores porque generaban mucho calor. No se podía
continuar fabricando procesadores de la misma manera, se estaba
llegando a un "estancamiento"; era necesario tomar otro camino,
utilizar otra variable que hiciera que el rendimiento del
procesador aumentará. Entonces, basándose en el
procesamiento en paralelo, se empezaron a construir los
procesadores multi-núcleo.
Un procesador multi-núcleo hace referencia a un
procesador que tiene más de un núcleo, los que
funcionan como múltiples procesadores. La idea
detrás de tener múltiples núcleos es contar
con varios procesadores para realizar de forma más
rápida las mismas tareas de un procesador único.
Sin embargo, aunque un procesador tenga más
núcleos, es posible que no funcione mejor. Los
procesadores funcionan a diferentes velocidades de reloj, por lo
tanto un procesador de doble núcleo de mayor velocidad
puede funcionar mejor que un procesador de cuatro núcleos
que tiene una menor velocidad. Además, el rendimiento del
procesador depende de las limitaciones del hardware y software
(programas). Un procesador de doble núcleo no será
el doble de rápido que uno de un solo núcleo que
tiene la misma velocidad de reloj; los dos núcleos
trabajan en una tarea, en oposición a un núcleo que
realiza una tarea dos veces más rápido.
Además, el software debe ser programado para aprovechar
los núcleos múltiples, de lo contrario sólo
un núcleo se encargará de la tarea. Los programas
de edición de video, de renderizado 3-D y los juegos
pueden experimentar un incremento significativo en el rendimiento
al utilizar procesadores multi-núcleo cuando están
programados para aprovechar el hardware.
Debido a que los núcleos actúan de forma
independiente en un procesador multi-núcleo, éstos
se encuentran mejor equipados para realizar varias tareas al
mismo tiempo, en comparación con los procesadores de un
solo núcleo. Los procesadores multi-núcleo pueden
realizar varias tareas al mismo tiempo de mejor manera que los
procesadores de un solo núcleo, incluso si el software no
está preparado para aprovechar los múltiples
núcleos. (Stone, s.f.)
Los primeros procesadores multi-núcleo se basaron
en los sistemas distribuidos, la computación paralela, y
las tecnologías como el Hyperthreading; que mostraban como
dividir el trabajo entre varias unidades de
ejecución.
El procesamiento en paralelo es la división de
una aplicación en varias partes para que sean ejecutadas a
la vez por diferentes unidades de ejecución. El
procesamiento en paralelo se utiliza en Computación
Paralela y la Computación Distribuida.
El HyperThreading fue creado por Intel, para los
procesadores Pentium 4 más avanzados. El Hyperthreading
hace que el procesador funcione como si fuera dos procesadores.
Esto fue hecho para que tenga la posibilidad de trabajar de forma
multi-hilo (multithread) real, es decir pueda ejecutar muchos
hilos simultáneamente. Un procesador con la
tecnología Hyperthreading tiene un 5% más de
transistores que el mismo procesador sin esa
tecnología.
Los dos procesadores lógicos, que posee el
procesador HyperThreading, tienen su propio estado de la
arquitectura: registros de control, registros de datos, registros
de depuración, etc. y el APIC (controlador avanzado de
interrupción programable). Los dos procesadores
lógicos comparten la memoria caché, la interfaz del
bus del sistema, etc. (Anamaría, 2009)
En la CPU multi-núcleo se añaden los
siguientes elementos, comparándolo con el diagrama de
bloques de la arquitectura Von Neumann:
• Unidad de punto flotante, FPU (FIoating Point
Unit). Se conoce con varios nombres: coprocesador
matemático, unidad de procesamiento numérico (NPU)
y el procesador de datos numérico (NDP). Es Ia encargada
de manejar todas las operaciones en punto fIotante.
• La caché deI procesador, de nivel 1 y de
nivel 2. La memoria caché es usada por el procesador para
reducir el tiempo necesario en acceder a los datos de la memoria
principal La caché es una "minimemoria" más
rápida, que guarda copias de los datos que son usados con
mayor frecuencia.
• Bus frontal, FSB (front Side Bus). Bus que
conecta la CPU con la placa base. Es la interfaz entre la
caché de nivel 2 del procesador y la placa base. EI ancho
de este bus es de 64 bits.
• Bus posterior, BSB (Back Side Bus). Es la
interfaz entre la caché de nivel 1, el núcleo del
procesador y Ia caché de nivel 2. EI ancho de este bus es
de 256 bits.
La tecnología multi-núcleo,
además de contener varios CPU con sus cachés,
incorpora:
• Un controlador de memoria DDR integrado, de baja
latencia y gran ancho de banda, que hace que sea más
rápido el acceso a Ia RAM.
• Un bus de transporte con mayor ancho de banda
para Iograr unas comunicaciones de E/S de alta
velocidad.
Técnicas de mejora de
rendimiento
Paralelismo:
Hoy día los procesadores llevan varios
núcleos de proceso (Core) en el mismo encapsulado (en un
sólo zócalo) mejorando la multitarea.
Multi-Tarea (Multi-Task): Habilidad del micro para
simular que realizan varias tareas a la vez. (Ver Figura
1)
Figura 1
Multi-Hilo (Multi-Threading): El trabajo de un
programa (proceso), se divide en varios sub-trabajos para
poder ejecutarse en núcleos o procesadores diferentes.
(Ver Figura 2)Hyper-Hilo (Hyper-Threading): Como Multi-Hilo. Solo
que un mismo núcleo puede procesar varios
sub-programas.Hyper-Threading (Es una patente de INTEL): Simula
dos núcleos lógicos por cada uno físico.
No se consigue el 100% de rendimiento (solo tenemos un micro)
pero se consiguen mejoras de 20% a 30%. (Ver Figura 3 y
4)
Figura 2
Activando Hyper-Threading (normalmente por BIOS):
Nuestro equipo y su Sistema Operativo, verán dos
procesadores (lógicos) cuando realmente tenemos uno
(físico).AMD lo soluciona montando realmente dos
núcleos físicos. Al ocupar mayor espacio, se ve
obligada a quitar una de las FPU de uno núcleos
dejando la FPU del otro compartida.
Figura3
Figura 4
Procesadores de varios núcleos:
INTEL PENRYN: Ofrece mayor rendimiento. (Ver Figura
5)
2 Dual Core unidos para crear un "Quad".
Mayor compatibilidad con SSE4.
Frecuencias más elevadas.
Más cache de 2º nivel
Figura 5
AMD K10 (BARCELONA): (Ver Figura 6)
4 núcleos diferenciados (Quad
nativos).Cache L3 compartida que produce algo de latencia,
aumentando los tiempos de respuesta.
Figura 6
Turbo Boost (Intel) / Turbo Core (AMD): (Figura
7)
Permite aumentar la frecuencia de funcionamiento del
micro automáticamente, en determinadas
circunstancias.
Consecuencia: Se desprende más
calor.
Factores de Activación: Cuando hay pocos
núcleos activos: La mayor parte del tiempo solo
están funcionando 1 o 2 núcleos.
Consumo estimado de Corriente/ Temperatura
/Energía: Analizando varios parámetros deducir
si seguirán bajo un ´limite máximo". (Domingo
Muñoz, Luengo, & Pérez Bueno, 2013)
Figura 7
Organización de los procesadores de
varios núcleos.
Según el libro Organización y Arquitectura
de Computadoras del autor William Stallings, las principales
variables en una organización multi-núcleo son como
sigue:
El número de procesadores de núcleo en
el chipEl número de niveles de memoria
cachéLa cantidad de memoria caché que se
comparte
Figura 8
La figura anterior muestra cuatro comúnmente
usadas dentro de la organización
multi-núcleo.
La figura (a) consta de una organización que se
encuentra en algunos de los chips de los ordenadores
multi-núcleo de años anteriores y todavía se
ve en microcircuitos integrados. En esta organización, la
única caché en el chip es de caché L1, con
cada núcleo que tiene su propia caché L1 dedicado.
Casi invariablemente, la caché L1 se divide en la
instrucción y los datos de ejemplo caches. Un ejemplo de
esta organización es la MPCore ARM11.
En la organización de la figura (b) no se cuenta
con caché compartida. En este sentido, hay suficiente
espacio disponible en el chip para permitir L2 cache. Un ejemplo
de esta organización es el procesador AMD Opteron. Por su
parte la figura con la letra (c) muestra una asignación
similar de espacio a la memoria, pero con el uso de una
caché L2 compartida. El procesador Intel Core Duo es un
claro ejemplo, de un procesador que utiliza este tipo de
organización.
Finalmente, en la imagen que se muestra con la letra
(d), la cantidad de memoria caché disponible en el chip
continúa creciendo, las consideraciones de rendimiento
dictaron por separado, una caché L3 compartida, con
cachés dedicados L1 y L2 para cada núcleo del
procesador. Teniendo en cuenta esto, el procesador Intel Core i7
es un ejemplo de esta organización.
El Intel Quickpath Interconnect es una nueva
implementación que Intel está aplicando a sus
procesadores Core de 3ra. generación. Corresponde a un bus
de alta velocidad (25. GB/s) que conecta el controlador de E/S a
todos los procesadores y a estos entre sí mismos, es decir
el procesador 1 tiene conexiones independientes con el procesador
2, 3, 4 y el controlador de E/S; por el otro lado el 2 tiene
conexiones independientes con el 1, 3 y 4; y así
sucesivamente. Esto con el fin de eliminar buses compartidos para
la conexión entre procesadores.
Esta implementación tiene memorias dedicadas para
cada procesador controladas por un controlador de memoria y el
QuickPath Interconnect permite que un núcleo haga una
solicitud a la memoria compartida de otro núcleo. Esto
hace que el procesador sea más escalable y ayuda al
rendimiento de los servidores y las estaciones de trabajo. (Ver
Figura 9) (Graziano, 2012)
Figura 9
Evolución de los procesadores de
varios núcleos de Intel. Características que
influyen en su rendimiento. Tendencias actuales.
En julio de 2005, Intel presenta oficialmente su Pentium
D con dos núcleos, 2 Mbytes de caché de nivel 2,
bus del sistema de 800 MHz y un total de 230 millones de
transistores, así como funciones mejoradas de seguridad
parecidas a las introducidas por AMD cuando lanzó el
Ahtlon 64.
Básicamente podría decirse que eran dos
procesadores Pentium 4 metidos en un solo encapsulado y
comunicados entre sí a través del bus frontal del
sistema. En 2006, la plataforma Centrino Duo llevaba el primer
procesador de doble núcleo (Core Duo) al mundo
móvil con 151 millones de transistores; mientras que Apple
presentaba en la MacWorld 2006 su iMac y MacBook Pro
también basados en dichos procesadores.
Destaca en estos microprocesadores la tecnología
Enhanced Deeper Sleep que permitía transferir el contenido
de la caché de segundo nivel a la memoria principal con
eficacia para que la CPU pudiese conmutar a un modo de bajo
voltaje, reduciendo así considerablemente el
consumo.
Posteriormente, en este mismo año,
llegarían los Core 2 Duo y Extreme que, partiendo de los
dos núcleos pero con mejoras en caché y otros
aspectos de la microarquitectura, asentaría las bases para
sucesivos modelos con dos núcleos y dos procesadores y
también cuatro núcleos (Intel Core 2 Quad). A
partir de 2008, se introducían los Atom de 45 nm para
dispositivos móviles, teléfonos inteligentes y
ultraportátiles.
Finalmente, en 2010 Intel presentaría sus
procesadores Core i3, Core i5 y Core i7 de cuatro núcleos
incorporando tanto las tecnologías HyperThreading como
TurboBoost (los dos últimos).
Los transistores Tri-Gate de Intel son los que
permitirán que futuras generaciones de procesadores
(especialmente interesante en los Atom, dirigidos al mercado
móvil) bajen los procesos de fabricación de 14 nm,
si bien recientemente Intel ya anunciado su intención de
llevar estos extremos hasta los 5 nm en 2015 y años
posteriores.
Y es que, en los próximos años, el
principal campo de batalla no será el de los equipos de
sobremesa o portátiles, sino el de los móviles
inteligentes y el de las tabletas, donde Intel lleva cierto
retraso frente a sus principales competidores. (PCActual,
s.f.)
Algunos de los procesadores de Intel y sus
características fundamentales.
Evolución de los Intel Core 2
Duo.
Características del i7.
Desaparece el FSB: Sustituido por un bus punto a
punto QPI(Quick Path Interconnect): Ancho de banda 25.6 GB/s
(bidireccional) y 3.2 Ghz.Controlador de Memoria Integrado (en el procesador):
Como AMD, Intel lo elimina del chipset y lo instalarla en el
propio procesador, aumentando el rendimiento de sus
procesadores. Implementan memorias de triple canal y cuatro
canales que aumentan el ancho de banda disponible en el
sistema. Pero curiosamente, parece ser más eficiente
el doble (aunque ésto podría ser debido
más a que las Bios de las nuevas placas base
están todavía muy verdes).Quad/Octo Core nativo: Los Core2 Quad que se
comunican entre si a través de un canal externo (FSB).
El Core i7, puede comunicar sus cuatro núcleos entre
sí sin tener que depender de un canal
externo.Disminución de las caché:
L1 permanece intacta: 32KB + 32KB
L2 desciende a 256 kB (pero más
rápida)L3 de 8/12/15 MB (más
rápida)Nuevos Zócalos: La inclusión nuevos
elementos en el micro hace necesarios bastantes más
contactos, de los 775, 1366, 1150, 2011 pines y para el
núcleo.Nuevos Set de Instrucciones: SSE4.1/2, (AVX: Sandy,
Ivy), (AVX2, FMA3: Hanswell) incorporan nuevas instrucciones
para el tratamiento multimedia, Representación 3d y
procesos de encriptación/
desencriptación.
Procesadores Haswell:
Haswell (Intel Core de 4º Generación
ix-4xxx). (Ver Figura 10)
Toda una gama de micros desde Smartphone hasta
servidores:
DT (Pcs)
E (Gama alta 140W)
EP (Servidores)
ULT (Ultrabooks.- Equipos con la mayor parte de
componentes integrados en micro y bajo consumo
15W).ULX (Equipos de bajo consumo 10W)
Características:
Tecnología de 22 nm.
Menor consumo en Standby
Tarjeta Gráfica Integrada 2x
Nuevos juegos de instrucciones AVX2 y FMA3
(gráficos y video) + TSX para procesamiento en
paralelo.Soporte para memoria DDR4.
Aumento de memoria caché. (Domingo
Muñoz, Luengo, & Pérez Bueno,
2013)
Figura 10
Conclusiones
Los procesadores multi-núcleo representan una
evolución importante en la tecnología de la
computación. Este importante desarrollo parte del momento
en que las empresas y consumidores empiezan a requerir mayores
beneficios debido al crecimiento exponencial de los datos
digitales y la globalización de Internet.
Los procesadores multi-núcleo se
convertirán eventualmente en el modelo penetrante porque
ofrecen mayores ventajas en el funcionamiento y productividad,
mas allá de las capacidades de los procesadores de un solo
núcleo.
Un procesador multi-núcleo combina dos o mas
núcleos independientes en un solo circuito integrado. Un
circuito dualcore contiene dos procesadores independientes y un
quad-core contiene cuatro microprocesadores. Los cores en un
dispositivo multi-núcleo comparten un cache (Intel) o
pueden tener varios caches separados (AMD). Cada núcleo
independientemente implementa optimizaciones tales como la
ejecución superescalar, pipelining y multithreading. Un
sistema con N núcleos es efectivo cuando presenta N o mas
threads concurrentemente. Los procesadores multi-núcleo de
mayor significancia comercial son usados en computadoras Intel y
AMD.
El desarrollo de la siguiente generación de
software será probablemente orientado para el uso de
procesadores multi-núcleo, debido al funcionamiento y
eficacia comparados con el de un solo núcleo.
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Autor:
Ing. Maidileydys Castellano
Báez
Lic. Lourdes Vázquez de la
Barrera
Ing. Decímiz Reyes Díaz
Varadero, 2014