معماری هسته پردازنده اینتل

[Admin]

عنوان: معماری هسته پردازنده اینتل

تهیه شده جهت سایت علمی نخبگان جوان

[Admin]

معماری هسته پردازنده اینتل، یک الگو و مبنای جدید برای معماری پردازنده های کامپیوترهای رومیزی، موبایلها و همچنین کامپیوترهای سروری است که از پردازنده های چند هسته ای استفاده می کنند. این تکنولوژی جدیدِ چند هسته ایِ بهینه سازی شده ، برای افزایش کارایی و کارکرد برحسب وات ، طراحی شده است. مثلا، باعث افزایش بازده انرژی مصرفی در انها می شود. این معماری جدید بازده انرژی را در سری اول موبایلهای اینتل که در انها از پردازنده هایی موسوم به "M" استفاده می شد، توسعه می دهد. و مهمتر انکه انرا با بسیاری از ابداعات جدید و کارا و ویژه گی هایی که برای پردازنده های Net Burst اینتل درنظر گرفته شده است، ترکیب می کنند و توانایی های انرا افزایش می دهند. همچنین این معماری بسیاری از ابداعات جدید و مهم را که برای بهینه سازی قدرت مانور ، کارایی و مقیاس پذیری پردازنده های چند هسته ای طراحی شده اند را به کار می گیرد . این معماری جدید نشان میدهد که شرکت اینتل درفکر ادامه دادن ابداعات خود در زمینه افزایش دوجانبه بازدهی انرژی و توانایی محاسبه پردازنده های خود است که امروزه برای حجم های کاری بالا موردنیاز است. با کارایی زیاد و توان مصرفی کمی که این پردازنده های جدید دارند ، این معماری به عنوان یک الگو و پایه برای بسیاری از محصولات الکترونیکی مصرفی خواهد بود.
این کارایی بالا و سروصدای کم و توان مصرفی پایین، علتی برای طراحی کامپیوترهایی است که از آنها در کاربردهای خانگی استفاده میشود.
در مبحث IT ، این تکنولوژی باعث کاهش فضای مورد نیاز و همچنین کاهش بوردهای الکترونیکی در یک کامپیوتر سرور می شود و همچنین کیفیت پاسخگویی کامپیوترهای سرور به سرویس گیرنده ها را بهبود می بخشد. در صنعت موبایل هم باعث کاهش انرژی مصرفی و طول عمر باتری و همچنین توانایی های محاسباتی بالاتر نسبت به پردازنده های قبلی که در موبایل مورد استفاده قرار می گرفت ، می شود.
روی همرفته ، این معماری جدید که توسط شرکت اینتل طراحی شده است ، در همه زمینه های شغلی و کاربردهای خانگی ، باعث افزایش قدرت دستگاه ها در پاسخگویی به نیازهای کاربران می شود.
- اهداف طراحی ریزمعماری پردازنده های اینتل
اینتل این خط مشی را برای بالا بردن و افزایش کارایی طرحهای خود که باعث میشود کاربران در استفاده از دستگاههای الکترونیکی دارای قدرت بیشتری باشند را دنبال می کند.
بعضی از این توسعه های سخت افزاری و نرم افزاری که مدنظر اینتل است در زمینه هایی مانند قدرت ارتباط و اتصال کامپیوترها به یکدیگر و قابلیت اداره کردن بهتر دستگاهها از طرف کاربر و قابلیت اعتماد دستگاه به همراه توانایی محاسباتی بالا، پیاده سازی شده اند. یکی از ابزارهای مهم در افزایش قدرت محاسباتی کامپیوترها و سایر دستگاهایی که از پردازنده استفاده می کنند، پردازنده های چند هسته ای اینتل هستند که باعث بالا رفتن سطح کارایی برحسب توان مصرفی دستگاه ها می شود.حرکت به سوی استفاده از پردازنده های چند هسته ای خود باعث می شود که مسیرهای تازه ای برای ادامه ابداعات و نوآوری ها درزمینه ریز معماری پردازنده ها و حتی بهبود کارایی آنها در آینده باز شود.
ریزمعماری هسته پردازنده اینتل ، یکی از تکنولوژی های جدید است که علاوه بر اینکه کارایی را بهبود می بخشد، باعث بهبود انرژی مصرفی هم می شود. همچنین این ریزمعماری روی بالا بردن و افزایش کاربرد نرم افزارهای موجود و نرم افزارهایی که در آینده خواهند آمد ، و همچنین الگوهای کاربردی در دستگاه های مختلف از جمله کامپیوترهای رومیزی، سرورها و موبایلها متمرکز شده است.


http://uc-njavan.ir/uploder/files/y87/aban/intel1.JPG

- کارایی و استفاده دهی بهینه

در دنیای ریزپردازنده ها، مفهوم کارایی معمولا به مقدار زمانی که یک پردازنده نیاز دارد تا یک برنامه یا دستوالعمل را اجرا کند(GHZ) اتلاق می شود و یا به توانایی پردازنده ها برای اجرای برنامه ها و دستوراتی که به صورت همزمان و در یک پریود زمانی معین به ان داده می شود(IPC) ، محدود می شود.اما برخلاف این تصور عمومی ، مفهوم اصلی کارایی نه فقط بسامد زمانسنجی است و نه تعداد دستوراتی است که پردازنده می تواند در یک زمان اجرا کند . بلکه کارایی ترکیبی از هردوی این پارامترهاست به طوری که میتوان کارایی یک پردازنده را با درنظر گرفتن هردوی این آیتمها و با فرمول زیر محاسبه کرد:Performance = Frequency * instructions per clock cycle
این موضوع نشان میدهد که ما می توانیم کارایی را با تغییر و اصلاح در هر کدام از این پارامترها ، بهبود بخشیم و یا هردوی آنها را طوری اصلاح کنیم که کارایی از هر دو جهت افزایش یابد . بنابراین این حقیقت اشکار می شود که مفهوم کارایی تابعی از فرایند ساخت پردازنده و همچنین ریز معماری ای است که در ان استفاده شده است. در یک فرکانس زمانی معین ، IPC تابعی است از ریزمعماری پردازنده و برنامه هایی که درحال اجرا هستند. هرچند همیشه این امکان وجود ندارد که بتوان هردوی این پارامترها را اصلاح کرد و بهبود بخشید اما حتی افزایش یکی از انها و ثابت نگاه داشتن دیگری خود میتواند باعث بالا بردن کارایی پردازنده شود. بعلاوه این دو روش که در بالا توضیح داده شد، امکان افزایش کارایی با کاهش دادن تعداد دستوراتی که زمان زیادی از پردازنده را تلف می کنندهم وجود دارد. تک دستور و داده های چندگانه که اصطلاحاً (SIMD)نامیدهمیشود یکی از الگوریتمهای پیاده سازی این روش است.
اولین تولید شرکت اینتل که در سال 1996 باعنوان پردازنده های پنتیوم وارد بازار شد، از روش SIMD استفاده می کرد. همچنین پردازنده های پنتیوم 3 نیز از طرح توسعه یافتهء SIMD موسوم به SSE,SSE1,2,3 استفاده می کرد.
تکنیک ابداعی دیگری که اینتل در معماری ریزپردازنده های موبایل مورد استفاده قرار داد، Micro fusion نامیده می شود . این معماری ترکیبی از تعداد زیادی از عملیاتها است که در یک عملیات خلاصه شده است بطوری که تعداد این ریز عملیاتها را که برای اجرای دستورات مورد نیاز هستند را کاهش میدهد. باید توجه داشت که کارایی پردازنده با استفاده کردن از پردازندهای چند هسته ای و چند نخی نیز افزایش می یابد.
همانطور که اینتل درحال افزایش امکانات پردازنده ها می باشد، از طرفی دیگر درحال بهبود کارکرد و کاربرد بهینهء آنها هم هست. که اینکار با بهبود راندمان انرژی و نیرویی که یک پردازنده صرف می کند تا یک عمل مشخص را انجام دهد صورت می گیرد.
به طور کلی ، نیروی مصرفی یک پردازنده برای انجام یک عمل مشخص را میتوان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد: Power = Dynamic Capacitance * Voltage * Voltage * Frequency
در این فرمول منظور از ظرفیت یا توان دینامیکی مقدار انرژی ذخیره شده در یک رسانا به نسبت اختلاف پتانسیل دو سر رسانا است که برای پایداری این انرژی ذخیره شده لازم می باشد. و منظور از ولتاژ ، ولتاژی است که بافردستگاههای ورودی و خروجی و همچنین ترانزیستورها تولید میکنند و منظور از فرکانس، زمانی است که پردازنده صرف می کند تا بین سیگنالها و ترانزیستورها سویچ نماید.
برای اینکه بتوان این نیروی مورد نیاز را همراه با کارایی پردازنده سنجید، طراحان میتوانند راندمان انرژی و توان دینامیکی را با توجه به ولتاژ و فرکانس مورد نیازشان ،بالانس و بهینه کنند.

-نوآوری های ریزمعماری جدید پردازنده های اینتل

شرکت اینتل در کاهش دادن انرژی مصرفی در کامپیوترهای قابل حمل مدت زمان زیادی به عنوان شرکت پیشرو بوده است. ریزمعماری بکار رفته در موبایلهایی که از پردازنده M استفاده میکردند و موبایلهایی که از یک تکنولوژی به نام Centrino بهره میبردند ، ترکیبی از سطح کارایی کامپیوترهای همراه و بازدهی کار نسبت به توان مصرفی و همچنین طول عمر باطری را مدنظر داشتند. و این ترکیب برای اولین بار توسط اینتل ابداع شد. همچنین معماری پردازنده Net Burst اینتل نیز شامل و نشان دهنده نمونه های زیادی از این نوآوری ها است که باعث افزایش کارایی در کامپیوترهای سرور و رومیزی می شد. و حالا این ریزمعماری جدید ترکیبی خواهد بود از توانایی های موجود در معماری های قبلی و همچنین ابداعات و نواوری های تازه ای که برای افزایش کارایی پردازنده در زمینه های مختلف از جمله : انرژی مصرفی ،بهینه سازی کارایی و توانایی محاسباتی در پردازنده های چند هسته ای انجام شده است.

-فرایندهای بالانس کردن نیروی مصرفی و کارایی در پردازنده
1.خاصیت اجرایی پویاIntel Wide Dynamic Execution

اجرای پویا ترکیبی از تکنیکهایی ازقبیل : انالیز کردن گردش داده ها ، اجرای خارج از ترتیب و براساس اولویت دستورات است که اینتل در طراحی معماری پردازنده های اولیه خود نظیر پردازنده های حرفه ای ، پنتیوم 2 و 3 از آن بهره جسته است. همچنین این شرکت در طراحی معماری پردازنده Net Burst یک موتور پیشرفته اجرایی پویا که بسیار دقیق بود و میتوانست دستورات را برحسب اولویت و زمان مورد نیاز برای پردازش اجرا کند ،به همراه یک الگوریتم اصلی و پیشرفته که می توانست دقت اجرا را بالا ببرد و باعث کاهش تعداد الگوریتمهای فرعی شود بکار برد.
اکنون اینتل در طراحی پردازنده جدید خود ، این ویژه گی را که در پردازنده های قبلی وجود داشت گسترش داده است؛ به طوری که پردازنده های جدید میتوانند دستورالعملهای بیشتری را در یک مدت زمان معین پردازش و اجرا کنند. و این خود باعث بالا رفتن کارایی پردازنده های جدید می شود.
در این پردازنده های جدید، هسته های اجرایی پردازنده دارای پهنای باند بیشتری هستند که این ویژگی امکان واکشی و بازگشت دستورالعمل ها و اجرای تا چهار دستورالعمل در یک زمان را ممکن می سازد. در حالی که پردازنده های قبلی میتوانستند تا سه دستورالعمل را در یک زمان اجرا کنند. این ویژگی باعث می شود که دقت بالا رود و به بافرهای بزرگتر نیاز باشد همچنین باعث کاهش زمان کلی اجرای دستورات می شود.
چنین ویژه گی ای که از آن برای کاهش زمان اجرای دستورالعملها استفاده می شود، Micro Fusion نامیده می شود. در پردازنده های قبلی هر دستوری که وارد پردازنده می شد به صورت تکی پردازش می شد اما Micro Fusion این امکان را میدهد ک دو دستورالعمل دریکدیگر ترکیب شوند و به یک دستورالعمل تبدیل شوند. که به این دستورالعمل تولید شده Micro Op گفته می شود.
به این ترتیب در طول دوره رمزگشایی و پردازش ، دو دستورالعمل به صورت همزمان پردازش میشوند. اینکار باعث کاهش میزان کاری می شود که پردازنده باید انجام دهد و تعداد دستورالعمل هایی که در یک زمان مورد پردازش قرار می گیرند را افزایش می دهد. که با اینکار کارایی و بهره وری انرژی اصلاح می شود. همچنین این معماری جدید شامل یک واحد محاسبه منطقی موسوم به ALU است که باعث افزایش قدرت Micro Fusion می شود. و نیز دارای نسخه گسترش یافته تکنیکی است که باعث صرفه جویی در میزان انرژی می شود که قبلا از این تکنیک در پردازنده M استفاده می کرد.


http://uc-njavan.ir/uploder/files/y87/aban/intel2.JPG

2. قابلیت بالای پردازنده های اینتل در مبحث انرژی Intel Intelligent Power Capability

این قابلیت مجموعه ای از امکانات طراحی شده برای کاهش انرژی مصرفی و تجهیزات ساخت می باشد. این ویژه گی انرژی مورد نیاز هر یک از هسته های پردازنده را که در زمان پردازش اطلاعات نیاز دارند را مدیریت می کنند.
این تکنیک ، یک تکنیک قطع و وصل کردن سریع برق است که باعث یک مدیریت منطقی عالی روی هسته ها می شود و فقط وقتی که یکی یا هر دو هسته در حال پردازش اطلاعات باشند انرژی آنها را به صورت تکی یا کلی فراهم می کند که این کار باعث کاهش میزان انرژی مصرفی در مواقعی که کل پردازنده یا حتی یکی از هسته های ان بیکارند ، می شود.علاوه براین، گذرگاهها به بخشهای مجزایی تقسیم می شوند که هرکدام از این بخشها دارای یک انرژی مصرفی مربوط به خود هستند بنابراین وقتی که یک داده نیاز به انرژی زیادی برای پردازش شدن ندارد،میتوان ان را روی گذرگاهی با کمترین انرژی مصرفی قرار داد.
در گذشته این قطع و وصل سریع انرژی ، به یک چالش تبدیل شده بود زیرا این کم و زیاد کردن انرژی ، باعث کاهش پاسخگویی پردازنده می شد. با این قابلیت جدید در پردازنده های اینتل ، می توان این امکان را به وجود اورد که بدون اینکه کارایی پایین بیاید ، می توان انرژی را کاهش یا افزایش داد و نتیجه این عمل بالا رفتن کارایی پردازنده و بهینه شدن انرژی مصرفی ان می شود.

3. حافظه پنهان مربوط به پردازنده های اینتل Intel Advanced Smart Cache

در پردازنده های جدیدی که شرکت اینتل تولید می کند ، برخلاف گذشته که در یک پردازنده برای هر هسته یک حافظه پنهان مستقل وجود داشت، در این پردازنده ها از حافظه پنهان L2 به صورت مشترک بین هسته ها استفاده می شود.به طوری که در گذشته اگر دو هسته یک پردازنده نیاز به اطلاعات یکسانی داشتند، هرکدام از انها می بایست به صورت جداگانه این اطلاعات را به حافظه مربوط به خود بار می کرند که این، خود ، باعث دوباره کاری می شد . اما در پردازنده های جدید وقتی که هردو هسته به یک نوع اطلاعات نیاز دارند ، نیازی به این نیست که هرکدام جداگانه ان اطلاعات را بار کنند بلکه می توانند ان را یکبار بارگذاری کرده و هردو از آن استفاده کنند. این تکنیک باعث این می شود که از صد در صد حافظه به صورت مفید استفاده شود یعنی وقتی که یک هسته نیاز به درصد کمی از حافظه دارد، هسته دیگر می تواند از بقیه حافظه به نفع خود استفاده کند.

4. دسترسی سریع و هوشمند به اطلاعات در پردازنده های اینتلIntel Smart Memory Access

این ویژهگی پردازنده های جدید اینتل ، باعث بهبود کارایی پردازنده و استفاده بهینه از پهنای باند مسیرهای داده ای که داده ها را از حافظه به پردازنده منتقل می کنند،می شود. همچنین باعث کاهش یافتن زمان دستیابی می شود. هدف از طراحی این سیستم جدید ، اطمینان از این موضوع است که اطلاعاتی که موردنیاز پردازنده هستند در نزدیکترین مکان ممکن ذخیره شده باشد و همچنین با کمترین زمان مصرفی به پردازنده منتقل شود.
این سیستم شامل یک امکان جدید و مهم است که Memory Disambiguation نامیده می شود که باعث افزایش کارایی در پردازش های خارج از نوبت ( پشته ای ) می شود. این کار توسط قابلیتهایی که در خود پردازنده پیش بینی شده اند و می توانند داده هایی را قبل از اینکه نوبت به آنها برسد به پردازنده بار کرده و انها را قبل از پردازه های جلوی صف اجرا کند. برای اینکه بفهمیم این سیستم چگونه کار می کند باید بدانیم که دراین پردازش های خارج از نوبت چه اتفاقاتی رخ میدهد؟؟؟؟؟؟
به طور معمول ، وقتی یک ریز پردازنده ، یک پردازه خارج از نوبت را فراخوانی می کند، نمی تواند پیش بینی کند که آیا برای این پردازه جدید در صف پردازه ها یی که منتظر ورود به پردازنده هستند جایی وجود دارد یا خیر. بخاطر همین ، تکنیک Disambiguation اینتل از الگوریتمای ویژه ای استفاده می کند تا بتواند محاسبه کند که آیا جایی برای پردازه ای تازه در صف وجود دارد یا نه.
اگر محاسبه دارای جوابی مثبت بود، آنگاه پردازه جدید فراخوانی شده و قبل از همه پردازه های موجود پردازش می شود و در این صورت پردازنده زمان کمتری را معطل می ماند. در موارد کمی هم که جواب منفی است، و نمی توان پردازه ای را بار کرد، پردازنده خودش قابلیتی دارد که می تواند نارسایی موجود را شناسایی کند ، ان را برطرف کرده و دوباره عمل بارگزاری راانجام دهد.
علاوه بر این،تکنیک دسترسی سریع به اطلاعات درحافظه شامل یک موتور( الگوریتم ) بارکننده است که می تواند تعداد زیادی از اطلاعات را قبل از اینکه به انها نیاز باشد ، در زمانهای بیکاری پردازنده ، به حافظه پنهان بار کند و در مواقع اوج کار ، که رجوع به حافظه رَ م زمانگیر است، اینکار صورت نمی گیرد و پردازنده از همان اطلاعات داخل حافظه پنهان استفاده می کند ؛ که اینکار باعث کاهش زمان انتظار و بالا رفتن کارایی می شود.
برای اطمینان از اینکه اطلاعاتی که موردنیاز هریک از هسته ها می باشد در محل اصلی خود وجود دارد یا خیر، اینتل از دو بارکننده برای حافظه L1 و همچنین دوبار کننده برای حافظه L2 استفاده میکند. این بارکننده ها جریان های چندگانه ی اطلاعات را شناسایی کرده و انها را به صورت همزمان مورد دستیابی قرار می دهند. این ویژه گی آنها را قادر می سازد تا داده ها را زودتر از موعد در حافظه L1 برای پردازش به موقع (Just-In-Time) و در حافظه L2 برای پردازشی که بعداً ممکن است پیش بیاید، قرار دهند.