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    Eine kurze Geschichte der Multi-Core-Desktop-CPU
    Vor 18 Tagen und 7 Stunden

    Es ist schwer zu betonen, wie weit Computer gekommen sind und wie sie fast jeden Aspekt unseres Lebens verändert haben. Von rudimentären Geräten wie Toastern bis hin zu hochmodernen Geräten wie Raumfahrzeugen, es wird Ihnen schwer fallen, diese Geräte nicht zu finden, die irgendeine Form von Rechenleistung nutzen.

    Das Herzstück jedes dieser Geräte ist eine Art CPU, die für die Ausführung von Programmanweisungen sowie für die Koordination aller anderen Teile verantwortlich ist, die den Computer zum Laufen bringen. Für eine ausführliche Erklärung, was in das CPU-Design einfließt und wie ein Prozessor intern funktioniert, sehen Sie sich diese erstaunliche Serie hier auf TechSpot an. In diesem Artikel liegt der Fokus jedoch auf einem einzigen Aspekt des CPU-Designs: der Multi-Core-Architektur und wie sie die Leistung moderner CPUs antreibt.

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    Es sei denn, Sie verwenden einen Computer von zwei Vor Jahrzehnten haben Sie wahrscheinlich eine Multi-Core-CPU in Ihrem System, und dies ist nicht auf Desktop- und Server-Systeme in voller Größe beschränkt, sondern auch auf mobile und stromsparende Geräte. Um ein einziges Mainstream-Beispiel zu nennen, wirbt die Apple Watch Series 7 für eine Dual-Core-CPU. Wenn man bedenkt, dass es sich um ein kleines Gerät handelt, das sich um Ihr Handgelenk schmiegt, zeigt dies, wie wichtige Designinnovationen dazu beitragen, die Leistung von Computern zu steigern.

    Auf der Desktop-Seite können uns die jüngsten Steam-Hardware-Umfragen zeigen, wie es geht Viele Mehrkern-CPUs dominieren den PC-Markt. Über 70 % der Steam-Benutzer haben eine CPU mit 4 oder mehr Kernen. Bevor wir uns jedoch eingehender mit dem Fokus dieses Artikels befassen, sollte es angebracht sein, einige Begrifflichkeiten zu definieren, und obwohl wir den Anwendungsbereich auf Desktop-CPUs beschränken, gelten die meisten Dinge, die wir besprechen, gleichermaßen für mobile und Server-CPUs in unterschiedlichen Kapazitäten .

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    Zuallererst definieren wir, was ein „Kern“ ist. Ein Kern ist ein vollständig eigenständiger Mikroprozessor, der ein Computerprogramm ausführen kann. Der Kern besteht normalerweise aus Arithmetik, Logik, Steuereinheit sowie Caches und Datenbussen, die es ihm ermöglichen, unabhängig Programmanweisungen auszuführen.

    Der Begriff Multi-Core ist einfach eine CPU, die mehr als eine kombiniert Kern in einem Prozessorpaket und fungiert als eine Einheit. Diese Konfiguration ermöglicht es den einzelnen Kernen, einige gemeinsame Ressourcen wie Caches zu teilen, und dies hilft, die Programmausführung zu beschleunigen. Im Idealfall würden Sie erwarten, dass die Anzahl der Kerne einer CPU linear mit der Leistung skaliert, aber dies ist normalerweise nicht der Fall und wird später in diesem Artikel besprochen.

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    Ein weiterer Aspekt von Das CPU-Design, das bei vielen Leuten ein wenig Verwirrung stiftet, ist die Unterscheidung zwischen einem physischen und einem logischen Kern. Ein physischer Kern bezieht sich auf die physische Hardwareeinheit, die durch die Transistoren und Schaltungen, aus denen der Kern besteht, aktualisiert wird. Andererseits bezieht sich ein logischer Kern auf die Fähigkeit des Kerns zur unabhängigen Thread-Ausführung. Dieses Verhalten wird durch eine Reihe von Faktoren ermöglicht, die über den CPU-Kern selbst hinausgehen und von der Planung dieser Prozessthreads durch das Betriebssystem abhängen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass das auszuführende Programm so entwickelt werden muss, dass es sich für Multithreading eignet. Dies kann manchmal eine Herausforderung darstellen, da die Anweisungen, aus denen ein einzelnes Programm besteht, kaum unabhängig sind.

    < p>Darüber hinaus stellt der logische Kern eine Abbildung virtueller Ressourcen auf physische Kernressourcen dar. Falls eine physische Ressource von einem Thread verwendet wird, müssen daher andere Threads, die dieselbe Ressource benötigen, angehalten werden, was die Leistung beeinträchtigt. Dies bedeutet, dass ein einzelner physischer Kern so konzipiert werden kann, dass er mehr als einen Thread gleichzeitig ausführen kann, wobei die Anzahl der logischen Kerne in diesem Fall der Anzahl der Threads entspricht, die er gleichzeitig ausführen kann.

    Fast alle Desktop-CPU-Designs von Intel und AMD sind auf 2-Wege-Simultan-Multithreading (SMT) beschränkt, während einige CPUs von IBM bis zu 8-Wege-SMT bieten, diese werden jedoch häufiger in Server- und Workstation-Systemen verwendet. Die Synergie zwischen CPU, Betriebssystem und Anwenderanwendungsprogramm bietet einen interessanten Einblick, wie sich die Entwicklung dieser unabhängigen Komponenten gegenseitig beeinflusst, aber um nicht abgelenkt zu werden, belassen wir dies für einen zukünftigen Artikel.

    Bevor Multi-Core-CPUs

    Ein kurzer Blick in die Prä-Multi-Core-Ära wird es uns ermöglichen, ein Verständnis dafür zu entwickeln, wie weit wir gekommen sind . Eine Single-Core-CPU bezieht sich, wie der Name schon sagt, normalerweise auf CPUs mit einem einzigen physischen Kern. Die früheste kommerziell erhältliche CPU war die Intel 4004, die zu der Zeit, als sie 1971 auf den Markt kam, ein technisches Wunderwerk war.

    Diese 4-Bit-CPU mit 750 kHz revolutionierte nicht nur das Mikroprozessordesign, sondern die gesamte Industrie der integrierten Schaltungen. Ungefähr zur gleichen Zeit wurden andere bemerkenswerte Prozessoren wie der TMS-0100 von Texas Instruments entwickelt, um auf ähnlichen Märkten, die aus Rechnern und Steuerungssystemen bestanden, zu konkurrieren. Seitdem waren die Verbesserungen der Prozessorleistung hauptsächlich auf die Erhöhung der Taktfrequenz und die Erweiterung der Daten-/Adressbusbreite zurückzuführen. Dies zeigt sich in Designs wie dem Intel 8086, einem Single-Core-Prozessor mit einer maximalen Taktfrequenz von 10 MHz und einer 16-Bit-Datenbreite und einer 20-Bit-Adressbreite, der 1979 veröffentlicht wurde.

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    Ausstieg von Intel 4004 bis 8086 stellten eine 10-fache Zunahme der Transistorzahl dar, die für nachfolgende Generationen mit steigenden Spezifikationen konsistent blieb. Neben den typischen Erhöhungen von Frequenz und Datenbreite umfassten weitere Innovationen, die zur Verbesserung der CPU-Leistung beigetragen haben, dedizierte Gleitkommaeinheiten, Multiplikatoren sowie allgemeine Verbesserungen und Erweiterungen der Befehlssatzarchitektur (ISA).

    Kontinuierliche Forschung und Investitionen führten zum ersten Pipeline-CPU-Design im Intel i386 (80386), das es ihm ermöglichte, mehrere Befehle parallel auszuführen In einer Stufe könnten andere Anweisungen in den anderen Stufen ausgeführt werden.

    Die superskalare Architektur wurde ebenfalls eingeführt, die als Vorläufer des Multi-Core-Designs betrachtet werden kann. Superskalare Implementierungen duplizieren einige Befehlsausführungseinheiten, die es der CPU ermöglichen, mehrere Befehle gleichzeitig auszuführen, vorausgesetzt, es gab keine Abhängigkeiten in den ausgeführten Befehlen. Zu den ersten kommerziellen CPUs, die diese Technologie implementierten, gehörten die Intel i960CA, die AMD 29000-Serie und der Motorola MC88100.

    Einer der Hauptfaktoren für den schnellen Anstieg der CPU-Leistung in jeder Generation war die Transistortechnologie, die es ermöglichte die Größe des Transistors verringert werden. Dies trug dazu bei, die Betriebsspannungen dieser Transistoren erheblich zu senken und ermöglichte es CPUs, massive Transistorzahlen zu stopfen, die Chipfläche zu reduzieren und gleichzeitig Caches und andere dedizierte Beschleuniger zu vergrößern.

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    Bild: Matthieu Riegler

    1999 brachte AMD die mittlerweile klassische und bei Fans beliebteste Athlon-CPU auf den Markt, die Monate später die unglaubliche Taktfrequenz von 1 GHz erreichte, zusammen mit all den Technologien, über die wir bisher gesprochen haben. Der Chip bot eine bemerkenswerte Leistung. Besser noch, CPU-Designer optimierten und entwickelten neue Funktionen wie Verzweigungsvorhersage und Multithreading weiter.

    Der Höhepunkt all dieser Bemühungen führte zu einer der besten Single-Core-Desktop-CPUs überhaupt Zeit, der Intel Pentium IV Prozessor mit einer Taktfrequenz von bis zu 3,8 GHz unterstützt 2 Threads. Rückblickend auf diese Ära erwarteten die meisten von uns, dass die Taktfrequenzen weiter steigen würden und hofften auf CPUs, die mit 10 GHz und darüber hinaus laufen könnten, aber man könnte unsere Unwissenheit entschuldigen, da der durchschnittliche PC-Benutzer nicht so technisch informiert war wie heute.

    Die steigenden Taktfrequenzen und schrumpfenden Transistorgrößen führten zu schnelleren Designs, aber dies ging auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs aufgrund des proportionalen Verhältnisses zwischen Frequenz und Leistung. Diese Leistungserhöhung führt zu einem erhöhten Leckstrom, der bei einem Chip mit 25.000 Transistoren kein großes Problem zu sein scheint, aber bei modernen Chips mit Milliarden von Transistoren stellt dies ein riesiges Problem dar.

    Bedeutsam steigende Temperatur kann zum Zerfall der Späne führen, da die Wärme nicht effektiv abgeführt werden kann. Diese Begrenzung der Taktfrequenzerhöhungen bedeutete, dass Entwickler das CPU-Design überdenken mussten, wenn es sinnvolle Fortschritte geben wollte, den Trend zur Verbesserung der CPU-Leistung fortzusetzen.

    Enter die Multi-Core-Ära

    Wenn wir Single-Core-Prozessoren mit mehreren logischen Kernen mit einem einzelnen Menschen mit so vielen Armen wie logischen Kernen vergleichen, dann sind Multi-Core-Prozessoren wie ein einzelner Mensch mit mehreren Gehirnen und auch entsprechende Anzahl von Armen. Technisch gesehen bedeutet dies, dass Ihre Denkfähigkeit dramatisch zunehmen könnte, wenn Sie mehrere Gehirne haben. Aber bevor unsere Gedanken zu weit abschweifen, wenn wir über den Charakter, den wir gerade visualisiert haben, nachdenken, gehen wir einen Schritt zurück und betrachten ein weiteres Computerdesign, das dem Multi-Core-Design vorausging, und das ist das Multi-Prozessor-System.

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    Dies sind Systeme, die mehr als eine physische CPU und einen gemeinsam genutzten primären Speicherpool und Peripheriegeräte auf einem einzigen Motherboard haben. Wie die meisten Systeminnovationen waren diese Designs in erster Linie auf spezielle Workloads und Anwendungen ausgerichtet, die von dem geprägt sind, was wir in Supercomputern und Servern sehen. Das Konzept hat sich auf der Desktop-Front nie durchgesetzt, da seine Leistung für die meisten typischen Verbraucheranwendungen schlecht skaliert ist. Dadurch, dass die CPUs über externe Busse und RAM kommunizieren mussten, mussten sie mit erheblichen Latenzen umgehen. RAM ist „schnell“, aber im Vergleich zu den Registern und Caches, die sich im Kern der CPU befinden, ist RAM ziemlich langsam. Auch die Tatsache, dass die meisten Desktop-Programme nicht dafür ausgelegt waren, diese Systeme zu nutzen, bedeutete, dass sich die Kosten für den Aufbau eines Mehrprozessorsystems für den Heim- und Desktop-Einsatz nicht lohnten.

    Umgekehrt, weil die Kerne von ein Multi-Core-CPU-Design sind viel näher und bauen auf einem einzigen Paket auf, auf dem sie schnellere Busse zur Kommunikation haben. Darüber hinaus haben diese Kerne gemeinsam genutzte Caches, die von ihren einzelnen Caches getrennt sind, und dies trägt dazu bei, die Kommunikation zwischen den Kernen zu verbessern, indem die Latenz drastisch verringert wird. Darüber hinaus bedeutete der Grad an Kohärenz und Kernkooperation, dass die Leistung im Vergleich zu Mehrprozessorsystemen besser skaliert wurde und Desktop-Programme dies besser nutzen konnten. Im Jahr 2001 sahen wir den ersten echten Multi-Core-Prozessor, der von IBM unter ihrer Power4-Architektur veröffentlicht wurde und wie erwartet auf Workstation- und Server-Anwendungen ausgerichtet war. Im Jahr 2005 veröffentlichte Intel jedoch seinen ersten verbraucherorientierten Dual-Core-Prozessor, der ein Multi-Core-Design war, und später im selben Jahr veröffentlichte AMD seine Version mit der Athlon-X2-Architektur.

    Als das GHz-Rennen langsamer wurde , mussten sich Designer auf andere Innovationen konzentrieren, um die Leistung von CPUs zu verbessern, und dies resultierte hauptsächlich aus einer Reihe von Designoptimierungen und allgemeinen Architekturverbesserungen. Einer der Schlüsselaspekte war das Multi-Core-Design, bei dem versucht wurde, die Anzahl der Kerne für jede Generation zu erhöhen. Ein entscheidender Moment für Multi-Core-Designs war die Veröffentlichung von Intels Core 2-Serie, die als Dual-Core-CPUs begann und in den folgenden Generationen zu Quad-Core-Prozessoren führte. Ebenso folgte AMD mit dem Athlon 64 X2, einem Dual-Core-Design, und später der Phenom-Serie, die Tri- und Quad-Core-Designs umfasste.

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    Heute liefern beide Unternehmen Multi-Core-CPUs aus Serie. Die Intel Core-Serie der 11. Generation erreichte die maximale Leistung von 10 Kernen/20-Threads, während die neuere Serie der 12. nicht. Inzwischen hat AMD sein Zen-3-Kraftpaket mit satten 16 Kernen und 32 Threads. Und es wird erwartet, dass diese Kernzahlen steigen und sich auch mit big.LITTLE-Ansätzen vermischen, wie es gerade die Core-Familie der 12. sowie neue ISA-Erweiterungen und Architekturoptimierungen hinzugefügt. Dieser Kampf um die totale Desktop-Dominanz hat für beide Unternehmen zu einigen Hits and Misss geführt.

    Bis zu diesem Zeitpunkt haben wir den mobilen CPU-Raum ignoriert, aber wie alle Innovationen, die von einem Raum zum anderen sickern , Fortschritte im Mobilsektor, die sich auf Effizienz und Leistung pro Watt konzentrieren, haben zu einigen sehr effizienten CPU-Designs und -Architekturen geführt.





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