Duo- und Quad Prozessor-Architektur

Ein Vortrag von Roman Funk und Stefan Landsiedel

Rüsselsheim, 13. Januar 2010

Duo-Core-Prozessor Quad-Core Prozessor

Was sind Duo- bzw. Quad-Core-Prozessoren?

Gründe für die Multikern-Prozessor-Technologie

Leistungssteigerungen sind mit bloßer Taktfrequenzssteigerung nicht mehr realisierbar

Die Multikern-Prozessor-Technologie bietet den Vorteil von weniger Wärmeentwicklung bei niedrigerem Stromverbrauch

Mehrere Befehle können gleichzeitig abgearbeitet werden in einem realen Mehrkernprozessor im Gegensatz zum Hyper-Threading

„Es stehen mehrere Prozessoren zur Verfügung“

Sinn und Zweck

Kosten für den Einsatz eines einzelnen Chips mit mehreren Ressourcen häufig geringer als bei mehreren einzelnen Chips

Mit Mehrkernprozessoren deutlich flüssigeres Arbeiten möglich, da ein weiterer Kern für neue Aufgaben bereit steht und das System dann nicht erst warten muss, bis Ressourcen verfügbar sind.

Wärmeabgabe geringer als bei Zwei separaten Prozesskernen.

Wie ist ein Prozessor aufgebaut?Beispiel: Einfache logische Schaltungen

UND-Schaltung ODER-Schaltung

Durch Millionenfache Verknüpfung dieser und anderer logischer Schaltungen, Speichereinheiten, Bussen, Taktgebern, … erhält man einen Prozessor

ALU

Schaltbild mit Prozessor-Komponenten

Bench-Performed UnitProgramm CacheData CacheAkkumulatorALUFPURegisterBus

NetBurst ArchtitekturPrinzipiell: Hohe Taktrate und lange „Pipelines“

Pipelining:

Was ist ein Prozessorkern?

Ein Prozessorkern besteht aus: - ALU- Adress-Decoder- Instruction-Decoder- Akkumulator- Registern

- Bussen

Multikern-ProzessorenDie Duo-Core-Prozessoren bestehen aus eben zwei solcher Prozessorkerne

Die Quad-Core-Prozessoren bestehen aus vier solchen Prozessorkerne

Die einzelnen Prozessorkerne können dabei völlig unabhängig voneinander arbeiten so als ob in zwei bzw. vier echte Prozessoren eingebaut wären.

Voraussetzung für die Nutzung von Mehrkern-Prozessoren

Auf Multi-Core-Prozessoren laufen prinzipiell alle Software ProgrammeDoch um die Vorteile des Multi-Core auszunutzen müssen die Programmteile tatsächlich auf mehrere Prozessorkerne aufgeteilt werden. Andernfalls ist wie „früher“ eben nur ein Prozessorkern mit der Abarbeitung des Programms beschäftigt.

In der Zukunft wir die Software immer mehr an Multi-Core-Technologie angepasst sein, weil es diese Technik schon seit 2004 gibt.

Und natürlich muss auch die restliche Hardware darauf ausgerichtet sein.

Der Duo-Core-Prozessor

- Besteht aus zwei Kernen- Geringere Taktung = weniger

Stromverbrauch- Zwei Prozesse gleichzeitig- Schnellere Ausführung dank

Parallelisierung- Abschaltung von CPU Komponenten- 45 nm Fertigung- 291 Millionen Transistoren

Der Quad-Core-Prozessor

- Besteht aus vier Kernen- Geringere Taktung = weniger Stromverbrauch- Vier Prozesse gleichzeitig- Schnellere Ausführung dank

Parallelisierung- Abschaltung von CPU Komponenten- 45 nm Fertigung- 582 Millionen Transistoren

Shared-Memory Programmierung

Parallelisierung durch Compiler-Optionen oder direkt mit Parallelisierungs-Direktiven bzw. mit Verwendung von parallelen mathematischen Bibliotheken in der Anwendung.

Beispiel OpenMP-Standard definiert spezielle Compiler-Direktiven, die diesen dann anweisen z. B. die Abarbeitung einer for-Schleife auf mehrere Threads und/oder Prozessoren zu verteilen.

Vorteil: bessere parallele Effizienz durch schnellen breitbandigen Datenbus

Nachteil: große Shared-Memory-Parallelrechner relativ teuerProzessoranzahl begrenzt

Message-Passing ProgrammierungStandard, der den Nachrichtenaustausch bei parallelen Berechnungen auf verteilten Computersystemen beschreibt. Festlegung einer Sammlung von Operationen und ihre Semantik, also eine Programmierschnittstelle, aber kein konkretes Protokoll und keine Implementierung.

Das Rechengebiet (Domain) wird zerlegt und auf alle Prozessoren verteilt (Domain-Decomposition)Jeder Prozessor rechnet lokal und kommuniziert über optimierte MPI-Funktionen mit den anderen Prozessoren.

Vorteil: Kostengünstige Hardware, theoretisch unendliche Prozessoranzahl

Nachteil: Geringere Effizienz, bei steigender Prozessoranzahl

Ausblick

Da derzeit die Multi-Core-Technologie die einzige Möglichkeit der Leistungssteigerung darstellt wird auch dahingehend entwickelt.

AMD hat 2008 die Lücke mit Dreikernprozessoren geschlossen

Heute gibt es schon Prozessoren mit bis zu 64 Kernen. Diese haben aber eine andere Busbreite und können daher nur von speziellen OS gesteuert werden.