موضوع مقاله: پردازنده چندهسته‌ای | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # پردازنده چندهسته‌ای | مقدمه: این دستورالعمل‌ها عموماً دستورالعمل‌های معمولی CPU از قبیل اضافه کردن، انتقال داده‌ها، و انشعاب هستند، اما هسته‌های متعدد می‌توانند در همان زمان دستورالعمل‌های بیشتری را اجرا کنند که موجب افزایش سرعت کلی برای برنامه‌های تابع رایانش موازی می‌شود. | ## بخش 1: پردازنده چندهسته‌ای | تولیدکنندگان معمولاً هسته‌ها را بر روی یک قطعه مدار مجتمع (IC) ادغام می‌کنند، یا بر روی چند قطعه در یک بسته تراشه عرضه می‌کنند. پردازنده‌هایی که امروزه در کامپیوترهای شخصی استفاده می‌شوند همگی چند هسته ای هستند. سیستم‌های چند هسته ای همگن شامل هسته‌های همسان و سیستم‌های چندهسته ای ناهمگن شامل هسته‌های ناهمسان هستند. پردازنده‌های چندهسته ای در حوزه وسیعی شامل کاربردهای عمومی و embedded, شبکه و پردازش سیگنال‌های دیجیتال و واحدهای گرافیکی حضور دارند. بهبود عملکرد پردازنده‌های چند هسته ای به الگوریتم نرم‌افزاری و پیاده‌سازی وابسته است. چکیده همچنانکه کامپیوترهای شخصی متداول‌تر شده‌اند و بیشتر برنامه‌های کاربردی برای آن‌ها طراحی شده‌است، کاربر نهایی نیاز به سریعتر شدن و نگهداری بهتر از سیستم را درک کرده‌است. تسریع به وسیلهٔ افزایش سرعت کلاک و به‌تازگی اضافه کردن هسته‌های پردازش چندگانه برای تراشه‌های مشابه به دست آمده‌است اگرچه سرعت تراشه در طی سال‌ها به‌طور نمایی افزایش یافته‌است. این زمان در حال خاتمه یافتن است و تولیدکنندگان به سمت پردازش چندهسته‌ای تمایل دارند اگرچه به وسیله افزایش تعدادی هسته روی یک تراشه تنها چالش‌هایی در رابطه با حافظه و انسجام حافظهٔ نهان و همچنین ارتباط بین هسته‌ها ناشی می‌شود. پروتکل‌های منسجم و شبکه‌های به هم متصل تعدادی از موضوعات را حل کرده‌اند اما تا زمانی که برنامه نویسان نوشتن برنامه‌های کاربردی موازی را یادمی‌گیرند مزیت کامل و کارایی پردازنده‌های چند هسته‌ای‌ها دست نخواهند یافت. پردازنده‌های چندهسته‌ای مسیر و جهت جدیدی برای تولیدکنندگانی است که روی آن متمرکز شده‌اند. استفاده از هسته‌های چندگانه روی یک تراشه در توان پردازشی اولیه سودمند است اما این راحت بدست نمی‌اید. با اضافه کردن هسته اتلاف توان و گرما به یک نگرانی تبدیل می‌شود و باید قبل از چینش به بهترین نحوی که گرما را در سطح تراشه پخش کند تعیین شود تا نقاط داغ در سطح تراشه ایجاد نشوند. حافظه نهان مشترک و توزیعی روی یک تراشه برای منسجم کردن پروتکل‌ها باید با هم یکپارچه باشند تا این اطمینان را ایجاد کنند که وقتی یک هسته از حافظه می‌خواند در واقع در حال خواندن از قطعه جاری است نه مقداری که توسط یک هسته متفاوت به روز شده‌است. در کنار مسایل مربوط به پردازنده‌های چند هسته‌ای مسایلی که قبلاً قابل پیش‌بینی نبودند اهمیت پیدا کرده‌اند. آیا باید هسته‌ها از یک نوع باشند یا اینکه هریک کار خاصی را انجام دهند تا کاراتر باشند؟ و موضوع مهم بعدی این است، آیا برنامه نویسان قادر خواهند بود کدهای چند نخی که می‌توانند روی هسته‌های چندگانه اجرا شوند را بنویسند؟ تاریخچه مختصری از ریزپردازنده‌ها اینتل اولین میکروپروسسوری به نام ۴-bit ۴۰۰۴ در اوایل ۱۹۷۰ که اساساً فقط یک ماشین متراکم بود را تولید کرد. به‌طور خلاصه بعد ازآن ۸۰۰۸ و۸۰۸۰ را تولید کرد که هر دو ۸ بیتی بودند و موتورلا نیز با ارائه ۶۸۰۰ که مانند اینتل ۸۰۸۰ بود خود را با بازار تطبیق داد. قانون مور یک قاعده راهنما برای ساختار کامپیوتر به عنوان قانون مور شناخته شده‌است. در ۱۹۶۸ مور بیان کرد که تعداد ترانزیستورهای روی تراشه تقریباً هر ساله دو برابر می‌شوند. نیازمندی به چند هسته‌ای‌ها به دلیل پیشرفت در تکنولوژی مداری و محدودیت کارایی در زمینه‌های گسترده پردازنده‌های انتزاعی تراشه‌های چند پردازنده یا تکنولوژی چند هسته‌ای مسیر اصلی در طراحی یک cpu شده‌است. ساختارهای کامپیوتری به یک راه حل برای افزایش کارایی نیاز داشتند اضافه کردن یک هسته پردازشی علاوه بر یک تراشه مشابه به صورت تئوری کارایی دو برابر را نتیجه می‌دهد و گرما را کمتر هدر می‌دهد. اگرچه که در عمل سرعت واقعی هر هسته کمتر از سریعترین پردازندهٔ تک هسته‌ای در سپتامبر ۲۰۰۵ شرکت IEEE Reviewer کاملاً متوجه این نکته شد که تا افزایش کلاک بهMHZ ۴۰۰ (در سرعت کلاک) توان مصرفی۶۰٪ افزایش پیدا می‌کند اما رویکرد دو هسته‌ای به این معنی است که شما می‌توانید به اهمیت بالا بردن کارایی بدون نیاز به اجرا در سرعت کلاک ویرانگر دست پیدا کنید. به عنوان مفهومی که قبلاً در سیستم‌های جاسازی شده و برای برنامه‌های کاربردی خاص برای مدتی استفاده شده‌است می‌باشد. اما به‌تازگی تکنولوژی به یک جریان اصلی با استفاده از اینتل و دستگاه‌های ریز پیشرفته AMD که بسیاری از تراشه‌های چند هسته‌ای موجود تجاری را معرفی می‌کند تبدیل شده‌است. برخلاف ماشین‌های ۲یا۴ هسته‌ای در دسترس تجاری در سال ۲۰۰۸ بعضی از متخصصین بر این باورند که به وسیله پردازنده‌های تعبیه شده در سال ۲۰۱۷ می‌توانند ۴۰۹۶ هسته را پشتیبانی کنند. پردازنده‌های سرور می‌توانند از ۵۱۲ هسته و تراشه‌های کامپیوترهای رو میزی می‌توانند از ۱۲۸ هسته استفاده کنند. این نرخ رشد گیج‌کننده‌است چراکه تراشه‌های رومیزی جاری در اوج استفاده از ۴ هسته هستند و تک هسته‌ای‌ها در ۳۰ سال گذشته‌استفاده می‌شدند. مبناهای چند هسته‌ای شرح زیر مخصوص هر طرح چند هسته‌ای نیست اما تقریباً یک مرور کلی از ساختارهای چند هسته‌ای است اگرچه تولیدکننده طراحی را متفاوت از دیگری انجام می‌دهد ساختارهای چند هسته‌ای نیاز دارند تا با جنبه‌های معین تطابق یابند. این یک حافظه خیلی سریع است که اغلب برای ذخیره کردن داده به وسیله پردازنده استفاده‌است. حافظه نهان سطح ۲ بزرگتر از حافظه نهان سطح ۱ است و برای یک هدف یکسان طراحی شده‌است. | ## بخش 2: پردازنده چندهسته‌ای | بسیاری از سیستم‌ها بین ۱GB تا ۴GB از حافظه اصلی و تقریباً ۳۲KB از حافظه نهان سطح ۱ و ۲MB از حافظه نهان سطح ۲ را دارند. سرانجام زمانی‌که داده در حافظه نهان یا حافظه اصلی موجود نیست سیستم باید آن را از دیسک سخت بدست آورد که زمان بیشتری را نسبت به خواندن از حافظه اصلی می‌برد. اگر ما دو هسته را کنار هم قرار دهیم کاملاً واضح است که یک روش ارتباطی بین هسته و حافظه اصلی نیاز است که این موضوع معمولاً یا به وسیله استفاده از یک باس ارتباطی تک یا شبکه به هم متصل بدست می‌آید. رویکرد گذرگاه در مدل حافظه مشترک استفاده می‌شود در حالیکه رویکرد شبکه درون ارتباطی در مدل حافظه‌ای توزیع شده‌استفاده می‌شود؛ و تقریباً بعد از ۳۲ هسته، گذرگاه سربار زیادی به وسیله مقداری از پردازش ارتباط، رقابت که باعث کاهش کارایی می‌شود، پیدا می‌کند؛ بنابراین یک گذرگاه ارتباطی یک مقیاس پذیر محدودی دارد. به نظر می‌آید که پردازنده‌های چند هسته‌ای جواب مناسبی برای عیب‌های پردازنده‌های تک هسته‌ای به وسیلهٔ افزایش پهنای باند در حالیکه اتلاف توان را کاهش می‌دهد، هستند. جدول ۱ که در زیر آمده‌است مقایسهٔ پردازندهٔ تک هسته و چند هسته (در این مثال ۸ هسته) است که به وسیلهٔ مرکز تحقیق و بسته‌بندی در تکنولوژی Georgia ارائه شده‌است. با منبع ولتاژ مشابه و هسته‌های چند گانه که در فرکانس پایین‌تر اجرا می‌شوند، می‌بینیم که تقریباً با افزایش ۱۰ برابری در پهنای باند را داریم در عین حال مصرف توان کل به یک چهارم کاهش پیدا می‌کند. پیاده‌سازی چند هسته‌ای در هر تکنولوژی ساختارهای چند هسته از تولیدکنندگان متفاوت بسیار متنوع اند: در بعضی ساختارهای چند هسته‌ای، هسته‌های متفاوت، عملکردهای متفاوتی دارند؛ بنابراین آن‌ها یکنوع نیستند. اینتل تعداد زیادی پردازنده چند هستهٔ متفاوت تولید می‌کند: پنتیوم D در کامپیوترهای رومیزی استفاده می‌شود. اگر یک حافظه نهان سطح، miss کند هر دوی حافظه نهان سطح ۲ و دومین هستهٔ حافظه نهان سطح ۱ را به صورت موازی قبل از ارسال تقاضا به حافظه اصلی، بررسی می‌کند. این حافظه‌های نهان سطح ۲ واسط درخواست‌های سیستمی را به اشتراک می‌گذارند و نیاز به گذرگاه را حذف می‌کند. واسط درخواست سیستم هسته هارا با یک کنترلر حافظه روی تراشه متصل می‌کند و یک اتصال داخلی که Hyper transport (فرا انتقال) نامیده شده‌است، به‌طور مؤثر تعداد باسن‌های مورد نیاز در یک سیستم را کاهش می‌دهد و تنگناها را کاهش و پهنای باند را افزایش می‌دهد و در عوض Core 2 Due در یک واسط باس استفاده می‌کند. سلول یک پردازنده چند هسته‌ای غیر یکنواخت که شامل ۹ هسته و یک عنصر پردازش توان و هشت عنصر پردازش همکاری‌کننده‌است که در شکل ۵ دیده می‌شود. با ساختار پهن باند بلا درنگ مربوط به CELL تبادل داده همروند با حافظه توسط هر پردازنده ممکن است که PPE (عنصر پردازش توان) فضای اشغال شده‌ای در ساختار ۶۴ power pc بیتی است و عملکرد سیستم را مدیریت می‌کند و توابع را کنترل می‌کند هر SPE (عنصر پردازش همکاری‌کننده) مجموعه دستور العمل‌هایی که از دستور العمل‌های SIMP ۱۲۸ بیتی استفاده می‌کند را ساده می‌کند. دستیبای مستقیم به حافظه برای انتقال داده بین منبع محلی و حافظه اصلی استفاده شده‌است که برای تعداد زیا دی تبادل داده‌های همروند حافظه اجازه می‌دهد عنصر پردازش توان و عنصر پردازش همکاری توسط عنصر متصل‌کننده یعنی باس که ارتباطات داخلی را فراهم می‌کند به هم متصل شوند. واحد مدیریت توان برای کاهش توان، فرم کاهش یا توقف با کاملاً قطع کردن یک واحد را اجازه می‌دهد. TMV واحد مدیریت حرارتی شامل یک سنسور خطی و ۱۰ سنسور حرارتی دیجیتال است که برای نشان دادن دمای سراسر تراشه و فراهم کردن یک هشدار سریع در زمانی‌که دماها در حال افزایش در یک ناحیه خاصی از تراشه‌است استفاده شده‌است. توانایی اندازه‌گیری و تخمین تغییرات توان و دما یک مزیت بزرگی در آن پردازنده‌ای که نباید زیاد گردم شود یا همچنین توان زیادی را دریافت کند دارد. چالش‌های چند هسته‌ای داشتن هسته‌های چند گانه روی یک تراشه باعث غلبه کردن بر چندین مشکل است. مدیریت توان و دما دو نگرانی هستند که به صورت بالقوه با افزایش هسته‌های چند گانه افزایش می‌یابند. انسجام حافظه نهان و حافظه اصلی یک چالش دیگر است به‌طوری‌که همه طرح‌هایی که در بالا بحث شد دارای حافظه نهان توزیع شده سطح و در بعضی موارد حافظه‌های نهان سطح ۲ که باید هماهنگ باشند و سرانجام استفاده کامل از پردازنده چند هسته مسئله دیگری است. اگر برنامه نویسان برنامه‌های کاربردی که از فایده هسته‌های چند گانه استفاده می‌کنند را ننویسند هیچ بهره‌ای نخواهند برد و در بعضی موارد این به معنای از دست دادن کارایی است. برنامه کاربردی نیاز دارند تا نوشته شوند بنابراین اجزای متفاوت می‌توانند به صورت موازی اجرا شوند بدون هیچ ارتباطی با اجرای دیگر آن برنامه کاربردی که به صورت هم‌زمان اجرا می‌شوند. در مثال نمایی اگر یک پردازنده بسیار گرم شود این امکان وجود دارد که حتی کامپیوتر شما بسوزد. برای تخمین زدن هر طرح بالا هسته‌های چند گانه در یک فرکانس پایین‌تر برای کاهش مصرف توان اجرا می‌شوند. برای کاهش مصرف توان غیرضروری خیلی طرح‌ها با یک واحد کنترل توان که وظیفه خاموش کردن هسته‌هایی که استفاده نمی‌شوند را دارند یا موظف به محدود کردن مقدار توان هستند ترکیب می‌شوند. با خاموش کردن هسته‌هایی که استفاده نمی‌شوند (که البته این روش دردسرهای خاص خود را دارد چون روشن شدن مجدد هسته خود مسلزم زمان است) و استفاده از Clock going مقدار زیادی از نشست تراشه کاهش می‌یابد. برای کمتر شدن گرمای تولیدی به وسیله هسته‌های چند گانه روی یک تراشه تنها تراشه به‌طور ساختار یافته‌است تعداد نقاط زیاد نشود و حرارت روی خام تراشه پخش می‌شوند. همان‌طور که در شکل ۷ دیده می‌شود اکثریت گرما در پردازنده‌های CELL در عنصر پردازش توان پراکنده شده‌است؛ و مابقی در سطح عناصر پردازشی همکار پخش می‌شوند. یک پردازنده CELL یک روند متداول برای ساخت نشان دهندهٔ دمای سیستم با یک خسگر خطی و ده حسگر دیجیتال داخلی را طی می‌کند. انسجام حافظه نهان انسجام حافظه نهان به خاطر حافظه نهان سطح ۱و۲ توزیع شده، یک نگرانی در محیط چند هسته‌ای است؛ چون هر هسته دارای حافظه نهان مخصوص به خودش است. | ## بخش 3: پردازنده چندهسته‌ای | یک کپی از داده‌ای که در آن حافظه نهان است، شاید همیشه نسخه به روز شده اطلاعات نباشد. برای مثال، فرض کنید یک پردازنده دو هسته‌ای که هر هسته آن یک بلوک از حافظه را به حافظه نهان شخصی خودش می‌آورد را داریم. وقتی که هسته دوم تلاش می‌کند مقداری را از حافظه نهان خودش بخواند مقدار خوانده شده مقدار به روزرسانی شده نخواهد بود مگر اینکه مدخل حافظه نهان خودش تامعتبر باشد یا حافظه نهان MISS کرده باشد. اگر این سیاست انسجام وجود نداشت داده‌های غلط خوانده می‌شوند و نتیجه‌های نامعتبر تولید می‌شوند و در آن هنگام شاید یک برنامه یا کل کامپیوتر از کار بیفتد. از پروتکل جستجوگر ۲ پروتکل مبتنی برdirectory پروتکل جستجو گر فقط با سیستم بر پایه گذرگاه کار می‌کند و به تعدادی حالت برای تعیین اینکه آیا این بروزرسانی مدخل‌های حافظه نهان مورد نیاز است یا نه و اینکه آن کنترلی روی نوشتن در بلوک داشت یا نه، نیاز دارد. در این نقشه یک directory استفاده می‌شود طوری‌که اطلاعات مربوط به مکان‌های حافظه که بین حافظه‌های نهان چند گانه مشترک است را نگه می‌دارد و آن‌ها را به صورت انحصاری توسط یک حافظهٔ نهان مربوط هسته استفاده می‌شوند. Core 2 Duo اینتل تلاش کرد تا انسجام حافظه نهان را به وسیله توانایی در حافظه نهان L۱ و حافظه نهان L۲ اشتراکی به صورت هم‌زمان فراهم آورد. داشتن یک حافظه نهان سطح ۲ اشتراکی همچنین فایده‌ای دیگر را اضافه می‌کند بنابراین پروتکل انسجام نیازی ندارد که برای این سطح تعیین گردد. سرعت آن از طریق استفاده از اتصال فرا انتقال افزایش می‌یابد اما این روش نسبت به مدل اینتل سربار زیادی دارد. چند نخی در نهایت مهم‌ترین موضوع استفاده به صورت چند نخی یا تکنیک پردازش موازی برای رسیدن به بالاترین کارایی یک پردازنده چند هسته می‌باشد. ساختن دوباره برنامه کاربردی تا چند نخی شوند، به معنی دوباره کاری برنامه‌نویس در بیشتر موارد است. برنامه نویسان باید برنامه‌های کاربردی را به صورت زیر برنامه‌های مختلف بنویسند تا بتوانند روی هسته‌های مختلف اجرا کنند این بدان معنی است که وابستگی‌های داده باید حل شود (برای مثال، تأخیر در ارتباطات یا استفاده از حافظه نهان مشترک) برنامه‌های کاربردی باید متعادل باشند. اگر یک هسته خیلی بیشتر از هسته دیگر مورد استفاده قرار گیرد برنامه‌نویس نمی‌تواند به تمام فواید یک سیستم چند هسته‌ای برسد. بعضی شرکت‌ها محصولات جدید خود را با قابلیت چند هسته‌ای تولید می‌کنند مانند سیستم عامل‌های جدید مایکروسافت و Apple که می‌توانند تا ۴ هسته را پشتیبانی کنند. مسائل باز تعداد زیادی هسته روی یک تراشه تنها، یک نیاز بزرگ برای افزایش حافظه وجود دارد. با هسته‌هایی که امروز از آدرس‌های ۶۴ بیتی استفاده می‌کنند میزان حافظه قابل آدرس دهی تقریباً نامحدود است یک سیستم حافظه بهبود یافته ضروری است. طراحی مجدد اتصالات داخلی شبکه بین هسته‌ها یک کانون بزرگی (اصلی) از تولیدکنندگان تراشه‌است. یک شبکه سریعتر یک تأخیر کمتر و ارتباط بین هسته و تبادلات حافظه را مورد نظر قرار می‌دهد. Intel در حال توسعه و اون (ایجاد کردن) مسیر سریع اتصالات است که پهنای باس آن ۲ بیت است که بین ۸/۴ و ۴/۶ گیگ هرتز در حال اجرا است. AMDهای جدید فرااتصالی ۳٫۰ یک پهنای باس ۳۲ بیتی دارند و در ۲/۵ گیگا هرتز اجرا می‌شوند یک نوع متفاوتی از اتصالات در imesh, TILE ۶۴’s دیده شده‌است که شامل پنج شبکه استفاده شده به منظور تکمیل کردن I/O و ارتباط حافظه خارج از تراشه می‌باشد. استفاده از ۵ شبکه توری، ساختار قطعه به ازای هر پهنای باند قطعه (یا هسته) تا ۲۸ ترا بیت بر ثانیه می‌دهد. نتیجه‌گیری قبل از پردازنده‌های چند هسته‌ای افزایش کارایی از یک نسل به نسل دیگری مثل افزایش فرکانس، خیلی ساده دیده می‌شد. وقتی که فرکانس‌های بالا سبب می‌شدند که پردازنده‌ها در سرعتی باعث افزایش اتلاف توان و اتلاف حرارت در سطوح زیان بار اجرا می‌شدند منسوخ شدند. اضافه کردن هسته‌های چندگانه در خلال یک پردازنده، یک راه حل از اجرا در فرکانس‌های پایین‌تر می‌دارد. پردازنده‌های چند هسته‌ای به منظور اینکه اتلاف توان معقولی اتلاف گرمای معقولی و پروتکل‌های انسجام حافظه نهان دست یابند ساخته شدند. اگر چه خیلی از مسائل حل نشده باقی ماند به منظور استفاده از پردازنده‌های چند هسته‌ای با ۳ ظرفیت شامل برنامه‌های کاربردی روی سیستم‌های چند نخی اجرا می‌شوند. تقریباً برنامه‌های کاربردی کمی وجود دارد که در هر سطحی از موازی‌سازی نوشته شده‌اند (سیستم‌های حافظه و شبکه‌های به هم متصل نیاز به بهبود دارند و همچنان هنوز مشخص نیست که آیا هسته‌های یکنواخت کاراترند یا هسته‌های ناهمگون. با طرح‌های زاید و گوناگون تقریباً غیرممکن است که هر استانداردی را برای انسجام حافظه نهان، اتصالات داخلی و چینش آن‌ها تنظیم کنیم. بزرگ‌ترین سختی که در آموزش تکنیک‌های برنامه‌نویسی موازی (چون بیشتر برنامه نویسان در برنامه‌نویسی ترتیبی خیلی منظم هستند) و دوباره طراحی کردن برنامه‌های کاربردی جاری باقی می‌ماند این است که روی سیستم‌های چند هسته به‌طور بهینه اجرا کنیم. توسط برنامه نویسان ماهر و توانا نوشتن برنامه‌های کاربردی چند هسته‌ای موازی شده می‌تواند افزایش یابد. | ## جمع‌بندی | در این سال‌ها ما بهبودی ای زیادی در این سیستم‌ها می‌بینیم که این بهبودها برنامه‌ها را سریعتر می‌کند و تجربهٔ محاسبات بهتری را فراهم می‌کند.