СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2013

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2013 Многоядерные вычислительные среды и безопасное ПО Часть 2 Рис. 4. Производительность и энергопотребление многоядерных процессоров Во второй части статьи рассматриваются причины перехода к использованию многоядерных процессоров, вызванные этим изменения в программном обеспечении и различные подходы к его разработке и тестированию. Пол Паркинсон, Wind River Перевод Николая Горбунова Производительность Максимальная частота 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 80% от максимума 2 ядра Мощность М НОГОЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ Долгое время в разработке процес- соров доминировала тенденция, опре- делявшаяся так называемым законом Мура, суть которого состоит в том, что число транзисторов, которое мож- но разместить в интегральной схе- ме, со временем растёт экспоненци- ально, удваиваясь каждые два года. Можно предположить, что этот закон будет справедлив ещё несколько лет, хотя единого мнения по вопросу, ког- да будет достигнут предел миниатю- ризации транзисторов, не существу- ет. С 1970 по 2005 год тактовая часто- та процессоров увеличилась от 1 МГц до единиц ГГц, что дало предсказуе- мый прирост производительности. Однако жизнеспособность этого под- хода постепенно подходит к концу, т.к. с повышением тактовой частоты пропорционально растёт энергопо- требление. Кроме того, для повышения тактовой частоты необходимо увели- чивать напряжение питания, что также существенно увеличивает потребляе- мую мощность, т.к. она пропорцио- нальна квадрату напряжения. Суммар- ный эффект можно выразить следую- щим упрощённым уравнением: Мощность = C × V 2 × f, где С – динамическая ёмкость пере- ключающего элемента, V – напряже- ние питания, f – тактовая частота. В результате в эволюции вычисли- тельной техники наметилась в кор- не иная тенденция, выражающаяся в появлении многоядерных процес- соров. Многоядерные процессоры совмещают в одном корпусе инте- гральной схемы два или более незави- симых вычислительных ядер, каждое из которых может работать на более низких тактовых частотах, что ведёт к снижению потребляемой мощно- сти при сохранении производитель- ности. На рисунке 4 слева показаны данные для одноядерного процессо- ра на максимальной тактовой часто- те. Средняя пара колонок демонстри- рует, что снижение тактовой часто- ты до 80% от максимума сокращает энергопотребление вдвое. Наконец, правая пара колонок показывает, что использование двухъядерного процес- сора вместо одноядерного позволяет при том же энергопотреблении полу- чить выигрыш по производительности в 1,6 раза (т.е. как у двух одноядерных процессоров, работающих на 80% мак- симальной тактовой частоты). Однако это не означает, что все при- ложения будут выполняться в 1,6 раза быстрее. Чтобы в полной мере исполь- зовать преимущества двухъядерно- го процессора, приложение должно демонстрировать достаточный уро- вень параллелизма вычислений, то есть чтобы различные его части мог- ли выполняться на двух ядрах парал- лельно. В общем случае прирост про- изводительности приложения за счёт распараллеливания его выполнения по нескольким процессорам (или ядрам) определяется долей кода приложения, который должен выполняться строго последовательно. Эта закономерность известна как закон Амдала и может быть формально выражена следую- щим уравнением: где Р пр – прирост производительности; Доля пар. кода — доля параллельного кода; N Я – число ядер. Допустимая степень распараллели- вания для различных типов приложе- ний может существенно отличаться. Например, ряд вычислительных задач имеет по определению последователь- ный характер, в то время как алгорит- мы, используемые в радио- и гидроло- кации или обработке изображений, параллельны по своей природе. Этот разброс привёл к появлению различ- © СТА-ПРЕСС