مقاله پردازنده‌ها: عملكرد بيشتر، مصرف كمتر

[Fahim 9563]

 

 

اشاره: ريزپردازنده‌ها به صورتي كه ما امروزه آن‌ها را مي‌شناسيم در طول ده سال آينده (و شايد كمي بيشتر) ناپديد خواهند شد. در سال 2020 ما از پردازنده‌هاي مركزي با ساختار گرافيكي و چند ويژگي مجتمع ديگر استفاده خواهيم كرد. در طول يك دهه آينده، محصولاتي به بازار ارائه خواهند شد كه بسيار يكپارچه‌تر و مجتمع‌تر از امروز هستند.

ريزپردازنده‌ها به صورتي كه ما امروزه آن‌ها را مي‌شناسيم در طول ده سال آينده (و شايد كمي بيشتر) ناپديد خواهند شد. در سال 2020 ما از پردازنده‌هاي مركزي با ساختار گرافيكي و چند ويژگي مجتمع ديگر استفاده خواهيم كرد. در طول يك دهه آينده، محصولاتي به بازار ارايه خواهند شد كه بسيار يكپارچه‌تر و مجتمع‌تر از امروز هستند.

 

در حال حاضر، پردازنده‌هاي مركزي اساسا‌ همان كاري را انجام مي‌‌دهند كه در طول چند دهه گذشته انجام مي‌‌داده‌اند. اما در طول ده سال آينده، با تغييرات بنيادي در اين وضعيت مواجه خواهيم بود. چند روش براي اعمال چنين تغييراتي وجود خواهد داشت:

1 - جذب موتورهاي گرافيكي توسط پردازنده‌ها، اما به‌طور منطقي اين دو مؤلفه جدا از يكديگر باقي خواهند ماند و سخت‌افزارهاي مختلف مبتني بر آن‌ها براي انجام وظايف متفاوتي مورد استفاده قرار خواهند گرفت. اين وضعيت به‌صورت بالقوه عملكرد بسيار بالايي را تضمين مي‌كند زيرا سخت‌افزار اختصاصي به‌طور طبيعي وظيفه خود را سريع‌تر از يك سخت‌افزار عمومي انجام مي‌دهد. اين رويكرد مي‌تواند به ارايه پردازنده‌هاي (مثلا‌) 64 هسته‌اي با يك موتور گرافيكي تك منظوره كه داراي ده‌ها هزار پردازنده جريان است، منتهي شود.

2 - CPUها و GPUها يك همگرايي را پشت سر گذاشته و واحدهاي FPU (واحد مميزي شناور) آن‌ها كه در حال حاضر وظيفه پردازش داده‌هاي سريال و گرافيك‌هاي موازي را بر عهده دارند، يكپارچه خواهند شد.. به‌‌نظر مي‌رسد پردازنده‌هاي چند هسته‌اي به سرعت در حال توسعه و پيشرفت هستند: اولين تراشه دو هسته‌اي در سال 2003 معرفي شد و در طول ده سال آينده، ما در حال استفاده از پردازنده‌هاي هشت يا دوازده هسته‌آي اينتل و AMD خواهيم بود. در نتيجه پس از گذشت ده سال از امروز، متحدسازي واحدهاي مميزي شناورCPUها و GPUها به منظور بهره‌گيري بهتر از منابع و تضمين دستيابي به بالاترين سطح قابليت برنامه‌ريزي براي كاربردهاي گرافيكي، كاملا‌ منطقي خواهد بود. با اين‌حال، پرسش اصلي اين است كه موتورهاي گرافيكي در ده سال آينده به چه ميزان قابليت برنامه‌ريزي نياز خواهند داشت.

تراشه SCC اينتل

 

طبيعي است كه هر دو روش مذكور داراي محاسن و معايب خاص خود هستند. اما مسير كلي در اين نقطه تقريبا آشكار به نظر مي‌رسد: ريزپردازنده‌ها و پردازنده‌هاي گرافيكي به سمت تركيب شدن در يك تراشه پيش مي‌روند. البته، كارت‌هاي گرافيكي مستقل و همچنين واحدهاي پردازنده مركزي براي وظايف خاص كه قادر به پردازش گرافيك‌ها نيستند همچنان به حيات خود ادامه خواهند داد. با اين‌حال، قابليت‌هاي پردازش جريان معيني را به ارث خواهند برد تا عملكردهاي خاص خود را تسريع كنند.

 

گذشته از گرايش به سمت ادغام ريزپردازنده‌ها با تراشه‌هاي گرافيكي، فرآيندي در رابطه با ريزمعماري‌هاي اين ريزپردازنده‌ها در حال وقوع است كه به‌طور طبيعي جالب‌توجه به نظر مي‌رسد. در حال حاضر ما شاهد هستيم كه اينتل سه مسير متمايز را با معماري‌هاي پردازنده خود دنبال مي‌كند (دو معماري در مورد AMD):

پردازنده‌هاي چند هسته‌اي عمومي با هسته‌هاي چاقي كه قادر به انجام هر كاري هستند. اين نوع پردازنده‌ها براي سيستم‌هاي كلاينت و سرور مناسب هستند زيرا مي‌توانند هر چيزي را پردازش كنند و اعتمادپذيري سيستم را قرباني كاهش مصرف برق آن نمي‌كنند.

 

پردازنده‌هاي چندين هسته‌اي (مانند SCC ياKnights Ferry و Knights Corner) با هسته‌هاي نسبتا‌ ساده‌اي كه به تنهايي در زمينه عملكرد و پشتيباني از ويژگي‌ها محدوديت دارند. اين تراشه‌ها خصوصا‌ براي كاربردهاي محاسباتي با عملكرد بالا و مراكز داده Cloud مناسب هستند كه به حداكثر عملكرد به ازاي هر وات برق مصرفي نياز دارند. با توجه به اين واقعيت كه انتقال از محاسبات 32 بيتي به محاسباتي 64 بيتي از هفت سال پيش آغاز شده و هنوز به اتمام نرسيده است، بعيد به نظر مي‌رسد كه تراشه‌هاي چندين هسته‌اي به پردازنده‌هاي اصلي براي سرورهاي يا كلاينت‌هاي عمومي تبديل شوند.

 

پردازنده‌هاي كم مصرف Atom كه نه به هسته‌هاي x86 چاق تراشه‌هاي چند هسته‌اي همه منظوره مجهز هستند و نه انبوهي از هسته‌هاي x86 ساده را مانند پردازنده‌هاي چندين هسته‌اي در خود جا داده‌اند. اين تراشه‌ها و SoCها (System-on-Chip) به‌خصوص براي ابزارهاي دستي مناسب هستند.

 

با در نظر گرفتن اين واقعيت كه اينتل تلاش مي‌كند فقدان يك معماري گرافيكي موفق مناسب براي محاسبات را با معماري (MIC (Many Intel Core خود جبران كند، اين احتمال وجود دارد كه بزرگ‌ترين توليد‌كننده تراشه در دنيا سرانجام براي ادغام اين دو طراحي به هر شكل ممكن، تلاش كند.

 

در حال حاضر، هيچكس نمي‌تواند با اطمينان بگويد كه CPUها چه آينده‌اي خواهند داشت و بسياري از گرايش‌هايي كه مي‌توانند امكان استنباط و نتيجه‌گيري راجع به پردازنده‌هاي سال 2020 را فراهم كنند، همزمان با عرضه Hasswell و ريزپردازنده‌هاي پس از آن در سال 2013 (و سال‌هاي بعد) از راه خواهند رسيد. در واقع، مثال طراحي Bulldozer شركت AMD (كه در آن پردازنده حاوي ماژول‌هايي متعددي است و دو واحد INT يك FPU را براي هر ماژول به اشتراك مي‌گذارند) نشان مي‌دهد كه شركت‌ها به سختي تلاش مي‌كنند تا واحدهاي اجرايي بيشتري را در تراشه‌هاي خود جا دهند و عطش بيشتري براي حذف ساير موارد پيدا كرده‌اند. به‌طور كلي، روش هسته «دورگه» طراحي Bulldozer مي‌تواند يك نگاه لحظه‌اي از آينده بلند مدت CPUها باشد.

 

خط‌سيرهاي بلند‌مدت‌تر هر دو شركت اينتل و AMD به‌وضوح نشان مي‌دهند كه اين دو طراح پيشتاز پردازنده‌ها به توسعه معماري‌هاي كم‌مصرف براي رقابت در برابر طراحي‌هاي مبتني بر ARM ادامه خواهند داد. در حال حاضر، همه چيز حاكي از اين است كه x86 و ARM در بازارهاي واحدي به رقابت مستقيم با يكديگر خواهند پرداخت، اما x86 تسلط خود بر سيستم‌هاي با عملكرد بالا را حفظ خواهد كرد، در حالي كه ARM همچنان حاكم بلامنازع بازار فوق‌‌العاده كم مصرف باقي مي‌ماند.

 

اجازه بدهيد حدس‌هاي خودمان را خلاصه كنيم:

اكثريت مطلق پردازنده‌هاي كلاينت در سال 2020 به كنترلرهاي حافظه مجتمع و هسته‌هاي گرافيكي مجهز خواهند بود كه براي پردازش گرافيكي و افزايش سرعت نرم‌افزارهاي كاربردي عمومي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. بسياري از مدل‌هاي Thin-client به SoCهاي مبتني بر ARM تكيه خواهند داشت.

 

پردازنده‌هاي سرور همچنان به هسته‌هاي x86 چاق با عملكرد تك رشته‌اي بالا مجهز خواهند بود. با اين‌حال، سرورهاي HPC به آرامي اما بدون هيچ ترديدي به سمت معماري MIC يا پردازنده‌هاي محاسبات فوق‌العاده موازي (FireStream، Tesla و...) در يك قالب مجتمع يا مجزا حركت خواهند كرد. ابزارهاي دستي كم‌مصرف از ريزمعماري‌هاي x86 خاص (Atom، Bobcat و...) يا معماري ARM استفاده خواهند كرد.