نگاهی به ساختار پردازنده های دو هسته ای

در چندین ماه گذشته پیشرفت های جدیدی در طراحی پروسسورها، بویژه از طرف شرکت AMD حاصل شد. این شرکت علاوه بر اینکه یک cpu با طراحی کاملا 64 بیتی عرضه کرد که باعث برتری یافتن این شرکت در بازار کامپیوترهای رومیزی پیشرفته گردید، همچنین در حذف کنترل کننده*های حافظه (MCH) پیشقدم شد که در عملکرد Athlon ۶۴ و چیپهای"optron" یک پیشرفت قابل ملاحظه نسبت به پروسسورهای intel به حساب می*آید. اینتل به طور متقابل پروسسور سازگار 64 بیتی را عرضه نمود. به تازگی نیز هر دو شرکت پردازشگرهای دوهسته ای را عرضه نموده*اند، این پروسسورها بهتر از آن چیزی که شما انتظار دارید کار می*کنند.

پروسسورهای اینتل و AMD هر دو دارای دو هسته پروسسور، در حال کار در یک قالب می*باشند که هر یک از هسته*ها بصورت مستقل توابع و پردازشهای داده را انجام می*دهند (در مورد اینتل این مورد کامل تر است) و هر دو این هسته*ها توسط نرم افزار سیستم عامل هم آهنگ می گردند. در این مقاله سعی شده تا تکنولوژی که در این دو محصول استفاده شده و مقدار افزایش کارایی که شما می توانید از آنها انتظار داشته باشید بررسی گردد. در حال حاضر AMD فقط پروسورهای کلاس سرور opteron با دو هسته را بطور کامل به بازار عرضه کرده و بزودی Athlon ۶۴ x2 برای کامپیوترهای رومیزی را نیز به بازار عرضه می*کند. در طرف مقابل اینتل در حال حاضر پنتیوم Extreme Edition ۸۴۰ رومیزی با دو هسته را به بازار عرضه نموده در حالی که خطهای تولید Pentium D و dual xeons هنوز متوقف نشده اند. با توجه به اینکه پروسسورهای دو هسته*ای در اصل یک سیستم چند پروسسوره که در یک قالب قرار گرفته اند، می باشد. اجازه بدهید اینک چندین تکنولوژی که در سیستم های چند پردازشگر استفاده می شود را مورد بررسی قرار دهیم.

* ساختار پردازنده های دو هسته ای

همانطور که از نام آن ها پیداست در این تراشه ها ، دو پردازشگر و دو کش L۲ در یک واحد سیلیکونی قرار گرفته اند . مزیت این گونه پردازنده ها ، پردازش بهتر دستورات مالتی تسک است . در واقع مزایای پردازنده های دو هسته ای زمانی بهتر لمس خواهد شد که به طور همزمان چندین کار انجام پذیرد . تراشه های دو هسته ای اینتل نیاز به یک مادربرد جدید دارند در صورتی که پردازنده های دو هسته ای AMD نیاز به مادربورد جدید ندارند و فقط با به روز رسانی بایوس می توان این پردازنده ها را روی مادربورد های سوکت ۹۳۹ نصب کرد .

* چند پردازشگرهای متقارن ( SMP (symmetric Multi processing

روش مشترکی می باشد که چندین پردازشگر بطور جداگانه با یکدیگر در یک مادربرد کار می*کنند. سیستم عامل با هر دو cpu تقریباً بطور یکسان کار می*کند و کارهای مورد نیاز را به آنها ارجاع می*دهد. چیپ های جدید دو هسته ای intel و AMD توانایی SMP را به صورت داخلی مورد توجه قرار داده اند. پروسسور های سرور opteron دو هسته ای همچنین می تواند بصورت خارجی با دیگر چیپ*های دوهسته ای ارتباط برقرار کند. (بشرط آنکه چیپ متقابل نیز دارای این خاصیت باشد) محدودیت اصلیSMP در پشتیبانی سیستم عاملها و نرم افزارها از این تکنولوژی می*باشد. خیلی از سیستم عاملها (مانند ویندوز XP سری خانگی ) توانایی پشتیبانی از SMP را ندارند و از دومین پردازشگر استفاده نمی*کنند. همچنین بیشتر برنامه*های پیشرفته بصورت تک رشته ای کار می*کنند، در اصل در هر زمان فقط یک پردازشگر در حالت فعال می باشد. برنامه های چند رشته*ای از پتانسیل موجود در سیستم*های دو یا چند پرازشگر، می*توانند نتایج مفیدتری بگیرند، ولی به صورت کامل عمومیت ندارد. در گذشته intel و AMD سعی داشته اند تا تکنولوژی جدیدی مثل SMP را بیشتر برای پردازشگر های سرور پیشرفته مانند opteron و Xeon استفاده نمایند (البته تا قبل از پنتیوم 3)

* Hyperthreading

این تکنولوژی بصورت اختصاصی توسط اینتل در پردازشگرهای چند هسته*ای بکار گرفته شده است. این تکنولوژی قبلاً نیز توسط این شرکت بکار گرفته *شده* بود. اینتل برای آنکه از منابع CPU به نحو بهتری استفاده نماید فقط قسمتهایی که کار پردازش اطلاعات را انجام می دهد را تکثیر کرده است. یعنی آنکه منابع داده در داخل CPU بصورت مشترک استفاده می*شد. ایده hyperthreading برای دو برابر کردن مقدار فعالیت چیپ می باشد تا آنکه کاهش عملکرد سیستم که در اثر فقدان حافظه cache روی می*دهد کمتر گردد همچنین بصورت تئوری نشان داده شده که منابع سیستم کمتر تلف می**گردند. در صورتی که CPU های hyperthreading مانند دو پروسسور حقیقی بنظر می رسد، ولی این CPU ها نمی توانند عملکردی مشابه دو CPU مجزا، مانند CPU های دو هسته ای داشته باشند زیرا در CPU های دو هسته ای دو thread مشابه بطور همزمان و با Cache های جداگانه L1 و L2 می توانند اجرا گردند که این عمل در پرادزشگر های Hyperthreading قابل انجام نمی باشد. یکی از چیپ های جدید اینتل بنام ، پردازشگر پنتیوم Extreme Edition ۸۴۰ ، در داخل هر هسته خود از تکنولوژی hyperthreadings نیز پشتیبانی می*کند، یعنی آنکه در یک سیستم عامل آن بصورت چهار پردازشگر حقیقی دیده می*شود.

* دو چیپ در یک قالب ... چرا؟

چرا دو شرکت اینتل و AMD بطور ناگهانی شروع به توزیع پردازشگرهای دو هسته*ای کردند؟

اول از همه رقابت. چنانچه بعدا بیان خواهیم کرد AMD از ابتدا توانایی بالقوه دو هسته ای را در CPU های 64 بیتی خود داشت. ساختمان ورودی و خروجی برای دومین هسته در CPU های فعلی 64 بیتی AMD موجود می*باشد. هیچ شرکتی نمی تواند دیگران را از بدست آوردن تکنولوژی* های جدید منع نماید و AMD در حال حاضر با موفقیت چشمگیر خط تولید پرداشگرهای 64 بیتی آسودگی را از intel سلب نموده *است. برای اینتل ضروری می*باشد که دارای یک تولید تخصصی در تکنولوژی دوهسته ای *باشد تا رقابت با شرکاء تجاری خود را حفظ نماید. دوم، کارایی می*باشد. مطمئناً برنامه*های کاربردی چند رشته*ای در پردازشگرهایی که توانایی انجام چند پردازش را دارند بهتر عمل خواهند نمود. البته برای سیستم های چند پردازشگره یک ایراد عمومی وجود دارد و آن تاْخیری می باشد که این CPU ها در کار سیستم به وجود می آورند. به بیان ساده در حال حاضر روشی برای سیستم عامل های موجود وجود ندارد تا پردازش ها را بطور کاملاً مساوی در بین پردازشگرها تقسیم نماید، پردازشگر دوم عموماً با یک مداخله کمتر و کارایی پایین* تر کار می کند در صورتی که ممکن است پردازشگر اول به صورت 100% در حال پردازش باشد. سومین دلیل کمتر نمایان است، ناامیدی AMD و اینتل می باشد، هر دو شرکت با یک مانع جدی برای افزایش سرعت پردازشگر ها و کوچکتر کردن اندازه قالب آنها روبرو شده اند تا این مانع حذف نشود و یا اینکه تا کاربران عمومی متوجه نشوند که GHZ به تنهایی کارایی را بیان نمی*کند. هر دو شرکت برای دست یافتن به هر پیشرفت که کارایی پردازشگرها را بهبود بخشند تلاش خواهند نمود و تقریباً دلیل اصلی بوجود آمدن پردازشگرهای دو هسته ای را می*توان همین دلیل سوم بیان نمود.

* دسترسی AMD به تکنولوژی دو هسته ای

فرم فاکتور فعلی پردازشگر Athlon 64 به طراحی دو هسته ای خیلی نزدیک می*باشد. وجود کنترل کننده های Hypertransport و کنترل کننده حافظه در قالب چیپ های فعلی Athlon 64 به معنی این است که اضافه نمودن دومین هسته در داخل چیپ چندان مشکل نمی باشد. بدلیل رابط NorthBridge که AMD برای Athlon 64 تهیه کرده* است کنترل کننده حافظه و رابط Hypertransport در داخل چیپ پشتیبانی می گردد. این به چیپ*های دوهسته*ای امکان می دهد که از داخل خود پردازشگر با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

تعداد ترانزیستورهای پردازشگرهای Athlon 64X2 بیش از دو برابر پردازشگرهای Athlon 64 می*باشد. با توجه به اینکه در ساختن CPU های جدید از روش 90nm استفاده می شود سایز کل چیپ کمی افزایش پیدا کرده و ولتاژ عملکرد 1.35 تا 1.4 می باشد و گرمای خروجی به بیش از 110w کمی افزایش میابد. هر هسته پردازشگر حافظه Cache L۱ و L۲ مخصوص به خود را دارد، 128 KB برای L۱ و بسته به مدل 512 KB تا ۱ MB برای L۲. L۲ دارای (ATC (Advance transfer Cache می باشد. ATC وظیفه هدایت توان عملیاتی و تبادل اطلاعات بین هسته پردازنده و حافظه نهان L۲ را بر عهده دارد . L۲ دارای رابط 256 بیتی (32 بایتی) می باشد که باعث تبادل داده در هر سیکل Clock هسته می شود. هسته Prescott در مقایسه با هسته Northwood که دارای KB ۵۱۲ حافظه نهان L۲ است ، دارای حافظه نهان 1MB می باشد. ضمنا با توجه به فناوری ساخت 90 نانومتری افزایش 512KB به 1MB تاثیری در تغییر اندازه Die پردازنده بوجود نیاورده است.

حافظه نهان L۱ به دو قسمت حافظه نهان داده L۱ و حافظه نهان ردیابی اجرا L۱ تقسیم می شود. حافظه نهان داده L۱ دارای ۸ کیلو بایت ظرفیت و حافظه نهان ردیابی اجرا ریز عمل های کد گشایی (Decode) شده را در خود نگهداری می نماید که باعث حذف کد گشا از حلقه اجرایی و کاهش خط لوله می شود. دو برتری مهمی که AMD در CPU های دو هسته*ای دارد عبارتند از اینکه :

"Crossbar Switch" که آدرسها را جمع*آوری کرده و توزیع می کند و داده را از هر هسته به هسته دیگر یا باقی سیستم توزیع می کند در حال حاضر امکان اضافه شدن دومین هسته را دارد. موفقیت دیگر AMD که از نظر مصرف کننده خیلی مهم می باشد، امکان استفاده از Athlon 64 X2 از مادربرد های سوکت 939/940 می باشد و فقط لازم است که شرکت تولید کننده مادربرد BIOS را برای پستیبانی از خصوصیت جدید بروز رسانی کند.

* دسترسی اینتل به پردازشگر دو هسته ای

پردازنده های دو هسته ای اینتل که قبلا با نام رمز Conroe شناخته می شدند از تکنولوژی ساخت کوچکتری بهره میبرند که باعث کاهش طول خط لوله ها و افزایش کارایی پردازنده می شوند. این سری جدید از پردازنده ها از خط لوله های 14 مرحله ای (در برابر خط لوله 31 مرحله ای یا بیشتر که در خانواده Xeon یافت می شد) و تکنولوژی Intel Wide Dynamic Execution بهره می برند. همچنین واحد FPU در این پردازنده ها نیز تقویت شده است. از دیگر ویژگی های این پردازنده حافظه نهان یکپارچه L۲ است که با استفاده از آن یکی از هسته ها در حالی که هسته دیگر در حالت بیکاری به سر میبرد به تنهایی می تواند از تمام فضای این حافظه استفاده کند. از مهمترین مزایای پردازنده ها Conroe افزایش بازدهی با وجود مصرف کمتر است و این بدان معناست که این هسته ها بسیار خنک تر خواهند بود و با استفاده از آنها می توان کامپیوتر های کوچکتر با صدا و حرارت کمتری تولید کرد. درطی سه سال گذشته این اولین سری پردازنده است که شرکت اینتل برای مقابله با محصولات شرکت AMD در زمینه بازی و برنامه های حرفه ای تولید می کند که شهرت آنها را در میان این دسته از کاربران افزایش می دهد. یکی از بزرگترین معایب طراحی اینتل نسبت به AMD که سوکت های 939 را برای طراحی پردازنده های خود حفظ نموده آن است که راه حل دو هسته ای اینتل نیاز به یک جفت چیپست جدید به نام های 955X و 945P دارد. شرکت nvidia اخیراً ویرایش اینتل SLI که پروسسورهای دو هسته*ای را پشتیبانی می*کند را به بازار عرضه کرده *است که این مورد هم زمان بیشتری را مصرف و هم هزینه*ای اضافی برای مصرف کننده در پی دارد.

* گرما و پهنای باند :

هر دو پردازشگرهای تک هسته AMD و اینتل گرمای فوق العاده زیادی تولید می کردند. حال با اضافه کردن یک هسته اضافی چگونه می*توان این پردازشگرها را خنک نمود. AMD و Intel از چندین روش برای خنثی کردن این موضوع استفاده کرده* اند، ابتدا آنکه در ساخت این پردازشگر ها از تکنولوژی 90 نانومتری استفاده شده است که اعث کوچکتر شدن CPU و نزدیکتر شدن قسمتهای مختلف بر روی CPU شده و در نتیجه گرمای تولید شده را به مقدار زیادی کاهش می یابد و دوم آنکه فرکانس کاری این نوع CPU ها به مقدار حدود 400MHz نسبت به آخرین CPU های تک هسته ای کاهش پیداکرده و همچنین هسته دوم همیشه بصورت کامل کار نمی کند. این سه مطلب باعث می گردد گرمای تولید شده به مقدار زیادی نسبت به CPU های تک هسته*ای افزایش نیابد.

* دو پردازشگر تک هسته ای در مقابل یک پردازشگر دو هسته*ای

محاسبات و بررسی طرحهای موجود نشان می دهد که دو چیپ اپترون AMD باید دارای سرعت بالاتری نسبت به یک چیپ دو هسته ای باشد زیرا هر یک از این OPTERON ها دارای یک کنترل کننده حافظه مجزا می*باشد ولی در چیپ*های دو هسته*ای هر دو هسته باید یک کنترل کننده حافظه را بصورت مشترک استفاده کنند. در مورد اینتل این موضوع مطرح نمی*باشد زیرا در هر دو طرح یک کنترل کننده حافظه در خارج پردازنده استفاده می شود و فقط در طراحی دوهسته ای این مسیرها کوتاه*تر می*باشند که چندان پارامتر مطرحی در افزایش سرعت نمی*باشد.

یکی از بزرگترین مزایای پردازشگرهای دو هسته* ای نسبت به دو پردازشگر تک هسته ای بحث اقتصادی آن می باشد، زیار اولا خرید یک CPU دو هسته ای از دو CPU تک هسته*ای ارزانتر می*باشد و از طرف دیگر باید قیمت مادربرد را نیز لحاظ کرد که در این صورت این موضوع بیشتر جلب توجه می*نماید.

* استفاده از پردازنده های دو هسته ای در لپ تاپ ها

كارشناسان رایانه*ای عقیده دارند با آغاز استفاده از پردازنده*های دو هسته*ای در "لپ تاپها"، در آینده از یك سو شاهد قوی*تر و ظریفتر شدن این رایانه*ها و از سوی دیگر افزایش عمر باتری*های آنها خواهیدم بود. به گزارش سایت اینترنتی "ای ام یی اینفو"، درحالی كه تا پیش از این پردازنده*های دوهسته*ای تنها در رایانه*های شخصی رومیزی(دسكتاپ) به كار گرفته می*شدند، شركت "اینتل" ماه گذشته نخستین پردازنده*های دوهسته*ای و "چیپست" ویژه استفاده در رایانه ای لپ تاپ را با نام Centrino Duo Mobile معرفی کرد و شرکت اپل نیز نخستین لپ تاپ های بر پایه پردازنده های دو هسته ای Intel Core 2 Duo خود را به بازار داد. پردازنده های دو هسته ای جدید اینتل ویژه استفاده در لپ تاپ ها، حدود 68% سریع تر از بهترین نمونه ای تک هسته ای همین شرکت بوده است، بعلاوه مصرف انرژی آن ها نیز در مقایسه با پردازنده های تک هسته ای، 28% کاهش پیدا کرده است این بدان معناست که استفاده از پردازنده های دو هسته ای جدید فاصله موجود میان توان محاسباتی لپ*تاپها و توان محاسباتی رایانه*های رومیزی را كاهش داده و به علاوه عمر باتری لپ تاپها را نیز افزایش خواهد داد. از سوی دیگر، یك پردازنده دو هسته*ای، كوچكتر از دو پردازنده تك هسته*ای است و به همین علت با استفاده از این پردازنده*ها امكان ساخت لپ*تاپهای قدرتمند سبك و ظریف فراهم خواهد شد. مهمترین مشكل فعلی در زمینه استفاده از پردازنده*های دوهسته*ای، كمبود نرم*افزارهایی است كه بتوانند به درستی از قابلیتهای این پردازنده*ها استفاده كنند كه این مشكل نیز با ورود نرم*افزارهای جدید شركتهای مختلف به بازار، در آینده نزدیك برطرف خواهد شد.