왜 멀티 코어 프로세서입니까?

왜 칩에 더 많은 코어가 포함되어 있습니까? 더 큰 단일 코어 프로세서를 제조하지 않겠습니까? 제조가 더 쉽습니까? 별도의 코어를 사용하여 프로그램을 멀티 스레드 할 수 있습니까?

다중 코어로 향하는 추세는 CPU 설계자가 주파수 스케일링이 증가함에 따라 발생하는 전력 소비 문제를 피할 수있는 엔지니어링 접근 방식입니다. CPU 속도가 3-4GHz 범위로 상승함에 따라 더 빠르게 진행하는 데 필요한 전력량이 엄청나게 증가했습니다. 이에 대한 기술적 이유는 복잡하지만 열 손실 및 누설 전류 (유용한 작업을하지 않고 단순히 회로를 통과하는 전력)와 같은 요소는 주파수가 증가함에 따라 더 빠르게 증가합니다. 6 GHz 범용 x86 CPU를 구축 할 수는 있지만 그렇게 효율적으로 경제적 인 것으로 입증되지는 않았습니다. 이것이 멀티 코어로의 전환이 시작된 이유이며, 병렬화 문제를 극복 할 수있을 때까지 추세가 계속되는 것을 보게 될 것입니다.

실제 예로서 E5640 Xeon (2.66GHz에서 4 코어)의 전력 범위는 95 와트이며 L5630 (2.13GHz에서 4 코어)에는 40 와트 만 필요합니다. 대부분의 기능과 호환되는 CPU의 경우 24 % 더 많은 CPU 전력으로 137 % 더 많은 전력을 공급합니다. X5677은 몇 가지 더 많은 기능으로 최대 3.46GHz의 속도를 제공하지만 225 % 더 많은 전력을 처리 할 수있는 처리 성능은 60 %에 불과합니다.

이제 X5560 (2.8GHz, 4 코어, 95 와트)을 최신 X5660 (2.8GHz, 6 코어, 95 와트)과 비교하고 소켓에 50 %의 추가 컴퓨팅 성능이 있습니다 (잠재적으로 Amdahl의 법칙 이 우리에게 친절 하다고 가정) 지금) 추가 전력이 필요하지 않습니다. AMD의 6100 시리즈 CPU는 전력 소비량을 일정하게 유지하면서 2400 \ 8400 시리즈에 비해 총체적인 성능이 비슷하게 향상되었습니다.

단일 스레드 작업의 경우 문제가되지만 요구 사항이 분산 처리 클러스터 또는 가상화 클러스터에 많은 양의 집계 CPU 성능을 제공해야하는 경우 이는 합리적인 접근 방식입니다. 이것은 오늘날 대부분의 서버 환경에서 각 CPU의 코어 수를 확장하는 것이 더 빠른 단일 코어 CPU를 구축하는 것보다 훨씬 나은 접근 방법이라는 것을 의미합니다.

이러한 추세는 한동안 지속될 것이지만 도전 과제가 있으며 코어 수를 지속적으로 확장하는 것은 쉽지 않습니다 (메모리 대역폭을 충분히 높게 유지하고 코어 수가 증가함에 따라 캐시 관리가 훨씬 어려워 짐). 이는 소켓 당 코어 수가 상당히 폭발적으로 증가함에 따라 몇 세대 내에 속도가 느려지고 다른 접근 방식이 있음을 의미합니다.

그것들을 유용하게 빨리 만들기가 너무 어려워졌습니다.

문제는 한 번에 많은 명령을 처리해야한다는 것입니다. 현재 x86 CPU는 한 번에 80 개 이상의 명령을 처리하고 있으며 P4에 맞았을 때 한계가있는 것 같습니다. Pentium Pro는 1995 년에 40 세를 기록했습니다. 일반적인 명령 스트림은 한 번에 몇 개 이상의 명령을 실행하기 위해 지점 (메모리 분기 등을 추측해야 함)을 넘어서는 예측할 수 없습니다 (486은 5, Pentium은 10을 거의 수행하지 않았습니다) .

따라서 더 넓게 (각 명령을 수행하는 더 많은 기능 단위), 더 길게 (지연을 숨기려면 더 깊은 파이프 라인) 만들 수는 있지만별로 좋지는 않습니다. 그리고 우리는 시계 속도로 벽에 부딪친 것 같습니다. 그리고 우리는 여전히 메모리를 초과하고 있습니다. 따라서 많은 CPU로 분할하면 승리하는 것 같습니다. 또한 캐시를 공유 할 수 있습니다.

이것에는 꽤 많은 것이 있지만, 우리가 디자인하고 구축하는 방법을 상상할 수있는 모든 하드웨어에서 기존 프로그램으로 훨씬 빨리 실행될 수는 없습니다.

예를 들어, 많은 과학적 문제와 그래픽과 같이 예측 가능성이 문제가되지 않는 경우 (이 숫자에 해당 숫자 세트를 곱하는 경우가 종종 있음), 이는 사실이 아니므로 인텔의 IA64 ( Itanium) 및 GPU는 계속 빨라지지만 Word를 더 잘 실행하는 데 도움이되지는 않습니다.

단일 프로세서의 컴퓨팅 성능과 클럭 주파수는 몇 년 전 최고치에 도달했으며 현재 프로세서보다 더 강력하고 빠른 프로세서를 만드는 것은 쉽지 않습니다. 따라서 주요 CPU 제조업체 (Intel, AMD)는 전략을 바꾸고 멀티 ​​코어로 전환했습니다. 물론 멀티 태스킹의 모든 기능을 활용하려면 애플리케이션 개발자의 작업이 훨씬 더 많이 필요합니다. 단일 작업에서 실행되는 프로그램은 멀티 코어 CPU의 이점을 얻지 못합니다 (시스템은 단일 프로세스가 단일 CPU를 100 % 사용하는 경우 잠기지 않기 때문에 전체 보너스).

물리적 아키텍처 (여러 개의 단일 코어 프로세서 대신 다중 코어 프로세서)에 대해 ... 인텔에 문의해야합니다. 그러나 이것은 단일 CPU 소켓이있는 마더 보드와 관련이 있으며, 여러 개의 보드가있는 보드보다 설계 및 제조가 훨씬 쉽습니다.

클럭 속도를 높이려면 칩의 실리콘 트랜지스터를 더 빠르게 전환 할 수 있어야합니다. 이러한 더 빠른 속도는 더 높은 입력 전압과 반도체 제조 공정을 필요로하므로 누설 이 커져 전력 소비와 열 출력이 증가합니다. 결국 과도한 양의 전력을 요구하지 않거나 이국적인 냉각 솔루션을 사용하지 않으면 클럭 속도를 더 이상 높일 수없는 지점에 도달하게됩니다.

이 문제를 설명하기 위해 두 가지 최신 AMD 프로세서를 비교해 보겠습니다. AMD의 FX-9590 박스에서 5 GHz의 클럭 속도를 달성 할 수 있지만, 코어는 32 나노 칩 매우 높은 1.912 V, 최대 전압에서 동작하고, 미친 소산 220w 가열한다. 동일한 다이를 기반으로하는 FX-8350은 최대 4.2GHz에서 작동하지만 최대 1.4V에서 작동하고 125 와트를 소산합니다.

결과적으로, 엔지니어들은 클럭을 더 높이려고하는 대신 여러 프로세스를 동시에 실행하도록 설계하는 등 멀티 코어 프로세서를 설계하는 등 칩을 다른 방식으로 더 빠르게 처리하도록 노력했습니다.

무어의 법칙 . 기본적으로 프로세서는 더 빨라질 수 없으며 (5 년 전 3GHz에 주파수를 맞았지만 그 이상은 지나치지 않았습니다), 더 많은 코어를 확보함으로써 더 강력 해졌습니다.