Крылов И.С., Чжао М.Н., Онищенко Б.Р.
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОРОВ *
Аннотация:
в статье рассмотрены основные перспективы развития гетерогенных процессоров. Произведен обзор и анализ платформ с использованием гетерогенных процессоров
Ключевые слова:
гетерогенные архитектуры, энергоэффективность, параллельные вычисления, производительность процессоров, высокопроизводительные вычисления
УДК 004.3
Крылов И.С.
студент бакалавриата направления подготовки
«Информационные системы и технологии»
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
(Россия, г. Калининград)
Чжао М.Н.
студент бакалавриата направления подготовки «Математика»
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
(Россия, г. Калининград)
Онищенко Б.Р.
студент бакалавриата направления подготовки
«Информационные системы и технологии»
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
(Россия, г. Калининград)
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ
ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОРОВ
Аннотация: в статье рассмотрены основные перспективы развития гетерогенных процессоров. Произведен обзор и анализ платформ с использованием гетерогенных процессоров.
Ключевые слова: гетерогенные архитектуры, энергоэффективность, параллельные вычисления, производительность процессоров, высокопроизводительные вычисления.
С учетом нынешних потребностей в увеличении энергоэффективности и производительности вычислительных процессоров большим потенциалом обладает использование гетерогенных процессоров. За последние десятилетие гетерогенные вычислительные системы становятся все более привлекательными [1]. Современные многоядерные процессоры используют большую часть транзисторов для логики и кэшей и потребляют много энергии для блоков, которые не предназначены для вычислений. Альтернативой традиционным процессорам являются гетерогенные архитектуры, объединяющие дополнительные процессоры и вычислительные блоки, где каждый тип больше подходит для определенного типа задач, что может увеличить скорость выполнения некоторых задач в сотни раз. Дополнительные блоки обычно имеют меньшее энергопотребление и меньшее количество логических элементов, что исключает возможность запуска операционной системы, поэтому они обычно обрабатываются обычными процессорами [4].
Классификация гетерогенных систем
Во введении мы обсуждаем текущую тенденцию внедрения параллельной обработки для повышения производительности, а не увеличения тактовой частоты. Поскольку параллелизм на уровне команд стал почти бессмысленным, фокус построения высокопроизводительных систем сместился на многопроцессорный, многоядерный и многоконтекстный параллелизм. По классификации Флинна, архитектуры по параллелизму различают на 4 класса:
ОКОД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и одиночным потоком данных (SISD, SingleInstructionstreamovera SingleData stream) — Последовательная вычислительная машина, которая не использует параллелизм. Один блок управления получает один поток набора инструкций из памяти. После блок управления генерирует соотвествующие сигналы управления для определенного обрабатывающего устройства для оперирования над одним потоком данных, т. е. одной операцией за один раз.
ОКМД — Вычислительная система с одиночным потоком команд и множественным потоком данных (SIMD, SingleInstruction, MultipleData) — Компьютеры которые используют один поток инструкций для нескольких потоков данных для выполнения операций, которые могут быть, естественно параллелизованы. Например, массив процессоров или графический процессор.
МКОД — Вычислительная система со множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD, MultipleInstruction SingleData) — Множество команд оперируют над одним потоком данных. Редкая архитектура, которая, как правило, используется для обеспечения отказоустойчивости.
МКМД — Вычислительная система со множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD, MultipleInstruction MultipleData) — Несколько автономных процессоров одновременно выполняют различные инструкции над различными данными. Распределенные системы, как правило, относятся к MIMD архитектуре [2]. MIMD класс так же делится на подклассы:
Конструкция гетерогенных процессоров, заключается в том, что не все ядра одинаковы, а существуют различные кластеры из разных ядер. К примеру процессор Intel Core i7-8700K, который имеет шесть физических ядер, ядра одинаковы, они работают согласованно с одинаковой скоростью и одинаково выполняют поставленные задачи, распределяя работу между всеми [3].
Основные отличия привычных для нас процессоров, от процессоров с разнородными многоядерными процессорами, заключается в том, что в последних не все ядра одинаковы, но у них есть несколько групп ядер, которые могут быть полностью отличается с точки зрения физического размера так же количеством транзисторов, работающих на различных скоростях и множителях.
К примеру, на рисунке 1 изображена архитектура процессора MediaTek Helio X20, который имеет четырехъядерный энергоэффективный кластер Cortex-53 UPL, также есть еще один, но более мощный Cortex-A53 и, наконец, третий кластер с двумя высокопроизводительными ядрами Cortex-A72.
Рисунок 1.Архитектура MediaTek Helio X2
Это гетерогенный многоядерный процессор, который имеет несколько различных (гетерогенных) ядер (мульти-ядер). Как уже упоминалось, эти кластеры физически и эмпирически отличаются по скорости, множителю и даже напряжению, и ведут себя так, как будто это разные процессоры.
Если от процессора требуется больше мощности, можно активировать следующий кластер ядер, чтобы результирующая производительность соответствовала ожидаемой, а при необходимости можно активировать высокопроизводительные ядра, чтобы полностью раскрыть их потенциал. Эта система очень эффективна, поскольку все процессоры могут обеспечивать питание, когда это необходимо, но каждый кластер может вести себя как независимый процессор, позволяя отключать группы ядер, когда они не нужны в целях экономии энергии.
Конечно многие знают, что в процессоре с однородными ядрами ядра также могут быть отключены, но «секрет» гетерогенных процессоров заключается в том, чтобы иметь ядра с низким энергопотреблением, достаточные для базовых задач, которые не требуют много энергии и потребляют меньше чем ядра общего назначения, которыми до сих пор оснащались процессоры; Другими словами, имея определенные ядра с низким потреблением, достигается гораздо лучшая эффективность.
Еще один момент, который делает возможными гетерогенные вычисления, заключается в том, что всем ядрам не обязательно использовать один и тот же ISA (набор команд), поэтому, например, они могут содержать определенные ядра искусственного интеллекта, которые находятся в состоянии покоя и появляются только тогда, когда необходимо выполнить определенные задачи. Это позволяет процессору с огромным количеством ядер, такому как видеокарта, выполнять специфическую обработку, предназначенную ядром для каждого типа кластера, и вновь повышать эффективность.
Есть две очень специфические «проблемы» при использовании гетерогенных многоядерных процессоров на ПК. Это связано с тем, что, если каждый кластер ядер работает с разной скоростью и увеличением, весь процессор не может быть разогнан, и только определенное ядро (кластер) может быть разогнано. Однако это правда, что ни Intel, ни AMD пока не раскрыли технические данные по этому поводу. В любом случае, было бы логично предполагать, что не все ядра могут быть разогнаны, поскольку разбиты на кластеры и предполагают под собой разгон конкретного.
Вторая проблема с гетерогенными архитектурами: поддержка программного обеспечения, поскольку, в конце концов, операционная система должна поддерживать этот тип реализации, чтобы назначить рабочую нагрузку правильным ядрам. В случае Linux ядро, есть модули, которые отвечают за управление тактовой частотой процессора или активацию и деактивацию ядер соответственно, но проблема с этими модулями заключается в том, что они работают независимо и могут создавать конфликты между ними, снижая эффективность в некоторых случаях или снижая производительность в других.
Очевидно, что такой тип архитектуры рано или поздно обречен стать популярным, поэтому, учитывая, что наиболее используемая операционная система - это Microsoft Windows нам придется подождать, пока Microsoft начнет переход на мобильный формат, чтобы принять этот тип архитектуры, и посмотреть, как она в конечном итоге будет работать.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Светличный, А. Н. Краткий обзор достижений в области гетерогенных вычислений / А. Н. Светличный. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 1 (105). — С. 213-216.
Основные архитектуры процессоров // Информационный портал «Soft-setup» URL: https://soft-setup.ru/osnovnye-arhitektury-processorov/ (дата обращения: 05.07.2022).
Планы Intel до 2024 — самое главное // Российский информационный портал «habr» URL: https://habr.com/ru/company/intel/blog/652899/ (дата обращения: 07.07.2022).
Что такое гетерогенный многоядерный процессор и как он повышает эффективность // Информационный портал «itigic» URL: https://itigic.com/ru/what-is-heterogeneous-multicore-and-how-it-improves-efficiency/ (дата обращения: 10.07.2022).
Номер журнала Вестник науки №7 (52) том 3
Ссылка для цитирования:
Крылов И.С., Чжао М.Н., Онищенко Б.Р. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОРОВ // Вестник науки №7 (52) том 3. С. 44 - 50. 2022 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/6048 (дата обращения: 26.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2022. 16+