Многоядерность процессоров

Концепция нитей и  само понятие многопоточности были придуманы очень и очень давно. Еще во времена, когда все процессоры были исключительно одноядерными, а  про частоты, на которых они при этом работали, даже смешно говорить. Придумано это было вот зачем.

Во-первых, с помощью  такого механизма операционная система  создавала пользователю описанную  выше иллюзию многозадачности. Во-вторых, есть целый ряд случаев, когда  механизм очень сильно помогает программисту даже в рамках работы одной программы — именно поэтому типичный процесс в Windows редко имеет всего лишь один поток. По второму пункту приведем несколько простых и понятных примеров.

Вы открыли несколько  вкладок в браузере, и они грузятся одновременно. Процесс загрузки одной веб-страницы — действие независимое и самодостаточное, поэтому обычно загрузку каждой вкладки обслуживает как минимум один поток, специально созданный для этой цели.

Вы набираете или  просматриваете текст в Word, при этом в фоне происходит проверка орфографии. Код проверки текста обычно обслуживается отдельным потоком, также специально для этого предназначенным.

На уровне программы, выполняющей несколько потоков, абсолютно все равно, сколько  реальных физических ядер в компьютере, на котором она в данный момент выполняется. Количество физических ядер в процессоре сказывается лишь на одном факте — сколько разных потоков одновременно система может исполнять в один момент времени.

Если ядро у вас  только одно, а потоков, которые необходимо исполнять, много, ОС создает иллюзию того, что эти потоки выполняются одновременно. Делается это самым банальным образом — какой-то небольшой промежуток времени (обычно порядка 50-100 мс) выполняется один поток, потом на точно такой же промежуток времени управление передается другому потоку и так далее. Если ядер у нас N, то наблюдается аналогичная картина — потоки по очереди выполняются на всех доступных ядрах. При этом надо помнить, что процесс переключения с потока на поток отнюдь не «бесплатен», и сам факт такого переключения снижает общий КПД потоков.

Программа будет работать равноуспешно на системе с любым  количеством ядер. В случае если у вас всего лишь одно ядро, то программа будет работать чуть хуже, чем наш первый однопоточный вариант. Зато если у вас два ядра, то — теоретически — задачу вы посчитаете в два раза быстрее, так как в системе появляется два потока (главный поток, создавший эти два потока-задания, ложится спать, ожидая окончания выполнения потоков), каждый из которых можно отдать на исполнение физическому ядру процессора, то есть выполнять их одновременно.

Заключение

Итак, рост частоты интегральных микросхем ограничен не только и  не столько потребляемой мощностью  — эту проблему производители  научились решать применением более «тонких» технологических процессов. К сожалению, есть еще одна загвоздка: современный процессор представляет собой крайне сложное устройство, некоторые модели содержат больше миллиарда транзисторов. Физические процессы, которые происходят при работе такого количества транзисторов на высоких частотах, неизбежно приводят к некоторым помехам (наводкам) внутри схемы, а как следствие — проблемам со стабильностью в целом. Очевидно, что простого и эффективного решения этих проблем на данный момент не существует.

Что же делать? К счастью, на помощь приходит как раз пресловутая  возможность совершенствовать техпроцесс. Это значит, что при той же тактовой частоте и потребляемой мощности можно делать процессоры с большим  количеством транзисторов. Возникает  резонный вопрос — как лучше использовать эти «лишние» транзисторы? Хорошая новость заключается в том, что значительное количество «бесплатных» транзисторов попадают в те блоки процессора, которые не связаны напрямую с «многоядерностью», как например блоки SSE/AVX, а также в кеш-память различных уровней. Это дает возможность повышать производительность процессора на десятки процентов от модели к модели при том же количестве основных вычислительных ядер.

Вполне возможно, что  мы стоим на пороге новой великой  эпохи, а уж будет ли она эпохой параллельного программирования, или эпохой неоднородных вычислений, или еще какой-то там новой эпохой — покажет время. И само по себе наличие выбора никак не позволяет нам назвать нашу эпоху «эпохой застоя».

Список использованных источников:

1. http://ru.wikipedia.org/
2. Гук. М. Процессоры intel от 8086 до Pentium; С-Петербург - “Питер Паблишинг” – 1997.
3. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. – М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2003. Микляев А. Учебник пользователя IBM PC.
4. «Информатика базовый курс для студентов технических ВУЗов» - 2-ое издание под ред. / Симонович С. В., СПб «издательский дом» 2005г.
5. Вычислительные машины, системы и сети. Учебник под редакцией  
   А.П. Пятибратов. Москва-Издательство «Наука» 2008г.