طرز کار پردازنده ای 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 کننده‌های حافظه (MCH) پیشقدم شد که در عملکرد Athlon 64 و چیپهای"optron" یک پیشرفت قابل ملاحظه نسبت به پروسسورهای intel به حساب می‌آید. اینتل به طور متقابل پروسسور سازگار 64 بیتی را عرضه نمود. به تازگی نیز هر دو شرکت پردازشگرهای دوهسته ای را عرضه نموده‌اند، این پروسسورها بهتر از آن چیزی که شما انتظار دارید کار می‌کنند.


پروسسورهای اینتل و AMD هر دو دارای دو هسته پروسسور، در حال کار در یک قالب می‌باشند که هر یک ازهسته‌ها بصورت مستقل توابع و پردازشهای داده را انجام می‌دهند (در مورد اینتل اینمورد کامل تر است) و هر دو این هسته‌ها توسط نرم افزار سیستم عامل هم آهنگ میگردند. در این مقاله سعی شده تا تکنولوژی که در این دو محصول استفاده شده ومقدار افزایش کارایی که شما می توانید از آنها انتظار داشته باشید بررسی گردد. درحال حاضر AMD فقط پروسورهای کلاس سرور opteron با دو هسته را بطور کامل به بازارعرضه کرده و بزودی Athlon 64x2 برای کامپیوترهای رومیزی را نیز به بازار عرضهمی‌کند. در طرف مقابل اینتل در حال حاضر پنتیوم Extreme Edition 840 رومیزی با دوهسته را به بازار عرضه نموده در حالی که خطهای تولید Pentium D و dual xeons هنوزمتوقف نشده اند. با توجه به اینکه پروسسورهای دو هسته‌ای در اصل یک سیستم چندپروسسوره که در یک قالب قرار گرفته اند، می باشد. اجازه بدهید اینک چندین تکنولوژیکه 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 L2 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 939 نصب کرد .
چند پردازشگرهای متقارن SMP (symmetric Multi processing)
روش مشترکی می باشد که چندین پردازشگر بطورجداگانه با یکدیگر در یک مادربرد کار می‌کنند. سیستم عامل با هر دو cpu تقریباًبطور یکسان کار می‌کند و کارهای مورد نیاز را به آنها ارجاع می‌دهد. چیپ‌های دوهستهای جدید intel و AMD توانایی SMP را بصورت داخلی مورد توجه قرار داده‌اند. پروسسورهای سرور opteron دوهسته ای می‌تواند همچنین بصورت خارجی با دیگر چیپ‌هایدوهسته ای ارتباط برقرار کند. (بشرط آنکه چیپ متقابل نیز دارای این خاصیت باشد)محدودیت اصلیSMP در پشتیبانی سیستم عاملها و نرم افزارها از این تکنولوژیمی‌باشد. خیلی از سیستم عاملها (مانند ویندوز XP سری خانگی ) توانایی پشتیبانی ازSMP را ندارند و از دومین پردازشگر استفاده نمی‌کنند. همچنین بیشتر برنامه‌هایپیشرفته بصورت تکرشته ای کار می‌کنند، در اصل در هر زمان فقط یک پردازشگر در حالتفعال می باشد. برنامه های چند رشته‌ای از پتانسیل موجود در سیستم‌های دو یا چندپرازشگر، می‌توانند نتایج مفیدتری بگیرند، ولی به صورت کامل عمومیت ندارد. درگذشته intel و AMD سعی داشته‌اند تا تکنولوژی جدیدی مثل SMP را بیشتر برایپردازشگرهای سرور پیشرفته مانند opteron و Xeon استفاده نمایند ( البته تا قبل ازپنتیوم 3)

Hyperthreading
این تکنولوژی بصورت اختصاصی توسط اینتل درپردازشگرهای چند هسته‌ای بکار گرفته شده است. این تکنولوژی قبلاً نیز توسط این شرکتبکار گرفته ‌شده‌ بود. اینتل برای آنکه از منابع CPUبه نحو بهتری استفاده نماید فقطقسمتهایی که کار پردازش اطلاعات را انجام می دهد را تکثیر کرده است. یعنی آنکهمنابع داده در داخل CPU بصورت مشترک استفاده می‌شد. ایده hyperthreading برای دوبرابرکردن مقدار فعالیت چیپ می‌باشد تا آنکه کاهش عملکرد سیستم که در اثر فقدانحافظه Cache روی می‌دهد کمتر گردد همچنین بصورت تئوری نشان داده شده که منابع سیستمکمتر تلف می‌‌گردند. در صورتی که CPU های hyperthreading مانند دو پروسسورحقیقی بنظر می رسد. ولی این CPU ها نمی‌توانند عملکردی مشابه دو CPU مجزا مانند CPU های دوهسته ای داشته باشند. زیرا در CPU های دو هسته ای دو "Threads"مشابه بطورهمزمان و باCache ‌های جداگانه L1 و L2 می‌توانند اجرا گردند که این عمل درپردازشگرهای hyperthreading قابل انجام نمی‌باشد. یکی از چیپهای جدید اینتلبنام ، پردازشگر پنتیوم Extreme Edition 840 ، در داخل هر هسته خود از تکنولوژیhyperthreadings نیز پشتیبانی می‌کند، یعنی آنکه در یک سیستم عامل آن بصورت چهارپردازشگر حقیقی دیده می‌شود.
دو چیپ در یک قالب ... چرا؟
چرا دو شرکت اینتل و AMD بطور ناگهانی شروع به توزیعپردازشگرهای دو هسته‌ای کردند؟
اول از همه رقابت چنانچه بعداً بیان خواهیم کرد AMD از ابتدا توانائی بالقوه دوهسته‌ای را در پردازشگرهای 64 بیتی خود داشت. ساختمان ورودی و خروجی برای دومین هسته در CPU های فعلی 64 بیتی AMD موجود می‌باشد. هیچ شرکتی نمی تواند دیگران را از بدست آوردن تکنولوژی‌های 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 می‌باشد که دارای یک تولید تخصصی در تکنولوژیدوهسته ای ‌باشد تا رقابت با شرکاء تجاری خود را حفظ نماید. دوم، کاراییمی‌باشد. مطمئناً برنامه‌های کاربردی چند رشته‌ای در پردازشگرهایی که توانایی انجامچند پردازش را دارند در پردازشگرهایی که یک پردازش را در هر زمان انجام می‌دهند،بهتر عمل خواهند نمود. البته برای سیستم های چند پردازشگره یک ایراد عمومی وجوددارد و آن تاْخیری می‌باشد که این CPU ها در اجرای کار سیستم بوجود می آورند. بهبیان ساده در حال حاضر روشی برای سیستم عامل‌های موجود وجود ندارند تا پردازشها رابطور کاملاً مساوی در بین پردازشگرها تقسیم نماید، پردازشگر دوم عموماً بایک مداخلهکمتر و کارایی پایین‌تر کارمی‌کند، در صورتی که ممکن است پردازشگر اول بصورت 100% در حال پردازش ‌باشد. سومین دلیل کمتر نمایان است، ناامیدی AMD و اینتلمی‌باشد، هر دو شرکت با یک مانع جدی برای افزایش سرعت پردازشگرها و کوچکتر کردناندازه قالب آنها روبرو شده اند تا این مانع حذف نشود و یا اینکه تا کاربران عمومیمتوجه نشوند که GHZ به تنهایی کارایی را بیان نمی‌کند. هر دو شرکت برای دست یافتنبه هر پیشرفت که کارایی پردازشگرها را بهبود بخشید تلاش خواهند نمود و تقریباً دلیلاصلی بوجود آمدن پردازشگرهای دو هسته ای را می‌توان همین دلیل سوم بیان نمود.
دسترسی AMD به تکنولوژی دو هسته ای
فرم فاکتور فعلی پردازشگر 64 اتلن به طراحی دو هستهای خیلی نزدیک می‌باشد. وجود کنترل کننده‌های Hypertransport و کنترل کننده حافظهدرقالب چیپهای فعلی 64 اتلن به معنی آنست که اضافه نمودن دومین هسته در داخل چیپچندان مشکل نمی‌باشد. بدلیل رابط NorthBridge که AMD برای اتلن 64 تهیه کرده‌است کنترل کننده حافظه و رابط Hypertransport در داخل چیپ پشتیبانی می گردد. این بهچیپ‌های دوهسته‌ای امکان می دهد که از داخل خود پردازشگر با یکدیگر ارتباط برقرارکنند.


تعداد ترانزیستورهای پردازشگرهایاتلن 2X64بیش از دو برابر پردازشگرهای اتلن 64 می‌باشد. با توجه به اینکه در ساختن CPU های جدید از روش 90nm استفاده می شود سایز کل چیپ کمی افزایش پیدا کرده و ولتاژعملکرد 1.35 تا 1.4 می‌باشد و گرمای خروجی به بیش از 110w کمی افزایش می‌یابد. هر هسته پردازشگر حافظه Cache L1 و L2 مخصوص به خود را دارد، 128 KB برای L1 وبسته به مدل 512 KB تا 1 MB برای L2. L2 دارای Advaced Trsnsfer Cache(ATC) می باشد. ATC وظیفه هدایت توان عملیاتی و تبادل اطلاعات بین هسته پردازنده و حافظه نهان L2 را بر عهده دارد . L 2 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 KB512 حافظه نهان L 2 است ، دارای حافظه نهان Mb1 می باشد. ضمنا با توجه به فناوری ساخت 90نانو افزایش KBبه512 MB1 تاثیری در تغییر اندازه Die پردازنده بوجود نیاورده است.
حافظه نهان L1 به دو قسمت حافظه نهان داده L1 و حافظه نهان ردیابی اجرا L1تقسیم می شود. حافظه نهان داده L1 دارای 8کیلو 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 وکاهش خط لوله می شود.دو برتری مهمی که AMD در CPU های دوهسته‌ای دارد عبارتند از اینکه :
"Crossbar Switch" که آدرسها را جمع‌آوری کردهو توزیع می کند و داده را از هر هسته به هسته دیگر یا باقی سیستم توزیع می کند درحال حاضر امکان اضافه شدن دومین هسته را دارد. موفقیت دیگر AMD که از نظر مصرفکننده خیلی مهم می‌باشد امکان استفاده اتلن2X64 از مادربردهای سوکت 939/940 میباشد و فقط لازم است که شرکت تولید کننده مادربرد BIOS را برای پشتیبانی از خصوصیاتجدید به روز رسانی نماید.