Процессоры (рис. 2.25)

Процессор (CPU – Central Processing Unit) управляет взаимодействием между программным обеспечением и всеми прочими компонентами компьютера.

Процессоры выполняются конструктивно как микропроцессоры, представляющие интегральную схему в виде тонкой пластины кристаллического кремния площадью несколько квадратных миллиметров. Микропроцессор помещен в пластмассовый или керамический корпус и крепится к системной плате компьютера.

До недавнего времени основной характеристикой процессора считалась тактовая частота, которая и определяла вычислительные мощности компьютера.

Используемые технологии производства микропроцессоров с большим количеством транзисторов показали, что дальнейшее наращивание вычислительных мощностей за счет повышения тактовой частоты нерентабельно. Высокоплотные технологии изготовления микропроцессоров привели к большому энергопотреблению и, как следствие, значительному тепловыделению. Всё это значительно ухудшает надежность и увеличивает затраты на охлаждение элементов в ПК.

Для решения указанных технологических трудностей вместо увеличения тактовой частоты основное внимание теперь уделяется разработке и внедрению многоядерной архитектуры микропроцессоров.

Многоядерная архитектура основана на использовании двух или более вычислительных ядер в одном процессоре. Многоядерный процессор использует один разъем, но операционная система воспринимает каждое из его исполняющих ядер как отдельный процессор, обладающий всеми соответствующими вычислительными ресурсами.

Разделяя реализуемую программу между несколькими исполнительными ядрами, многоядерный процессор может выполнять больше операций за фиксированный интервал времени. При этом ПО должно обеспечивать распределение нагрузки между несколькими ядрами. Это называется параллелизмом на уровне потоков, а поддерживающие такое распараллеливание операционные системы и приложения (например, Microsoft Windows XP) — многопоточными. Такой процессор может выполнять полностью обособленные потоки кода, например, поток приложения и поток операционной системы или два потока одного приложения.

В 2006 г. исполнительный директор Intel Пол Отеллини (Paul S. Otellini) продемонстрировал ряд новых разработок, в числе которых прототип процессора с 80 ядрами (рис. 2.26).

Опытная микросхема конструктивно представляет собой массив, в котором 80 элементов расположены в виде матрицы 8*10. Каждый элемент содержит небольшое вычислительное ядро, поддерживающее набор простых инструкций для обработки данных с плавающей запятой. Кроме того, каждый элемент содержит маршрутизатор для подключения ядра к сетевому решению на одном кристалле, соединяющий ядра друг с другом и предоставляющий им доступ к памяти.

Экспериментальная микросхема, содержащая 80 ядер и работающая на частоте 3,1 ГГц, способна обеспечить производительность уровня терафлоп, т.е. 1 трлн. операций с плавающей запятой в секунду.

Обеспечивая повышенную производительность и обладая сниженным энергопотреблением, многоядерная архитектура обеспечивает несколько важных возможностей, улучшающих работу пользователей: увеличение числа одновременно выполняемых задач, выполнение требовательных к вычислительной мощности приложений и увеличение числа пользователей, работающих с одним ПК.