MULTICORE Bruno Cardoso RA 023241 Sávio R. A. dos Santos Rosa RA 025144 Tiago Monteiro Fernandes RA 025313 Professor Rodolfo Jardim de Azevedo MC 722 - 2º semestre de 2005

INTRODUÇÃO Processadores Multicore são uma grande revolução na tecnologia computacional Maior capacidade de processamento com melhor custo/benefício Vantagens, princípios de funcionamento, comparação Intel/AMD

LIMITES DO SINGLE-CORE Aplicações demandam alto poder de processamento Solução: aumentar freqüência de operação dos processadores Fabricação de transistores em camadas de silício cada vez menos espessas está com dias contados Problemas da arquitetura Single-Core Isolamento fonte/dreno no transistor Alta dissipação de energia Em média, 75% do tempo da CPU gasto com espera de acesso à memória

LIMITES DO SINGLE-CORE Protótipos de processadores Intel Largura de 5nm = probabilidade 50% da corrente passar sem tensão aplicada (dreno/fonte não isolados) Transistor não é mais confiável como dispositivo de processamento de dados

LIMITES DO SINGLE-CORE Lei de Moore: duplica número de transistores numa mesma área de silício a cada 18 meses Quanto menor o transistor, maior sua densidade no circuito Alta densidade = alta dissipação de energia pela passagem de corrente elétrica nos transistores Se a energia não é removida rapidamente, chip derrete

LIMITES DO SINGLE-CORE

A TECNOLOGIA MULTICORE Multicore (múltiplos núcleos): colocar duas ou mais unidades de execução (cores) no interior de um único 'pacote de processador' (um único chip) Sistema operacional trata como se cada um fosse um processador diferente, com seus próprios recursos Maioria dos casos: cada unidade possue seu próprio cache, processa várias instruções simultaneamente Adicionar novos núcleos: instruções das aplicações passam a ser executadas em paralelo em vez de serialmente “Abrir nova pista em uma estrada para aliviar o trânsito” Carros não precisam dirigir mais rápido, mas não são atrasados por gargalos

A TECNOLOGIA MULTICORE

A TECNOLOGIA MULTICORE

VANTAGENS DO MULTICORE Maior eficácia (troughput) do sistema e desempenho aprimorado de aplicativos em computadores executando vários aplicativos simultaneamente Desempenho aprimorado para aplicativos multi-threaded Compatibilidade para mais usuários ou tarefas em aplicativos com muitas transações Desempenho superior em aplicativos que utilizam processamento de forma intensiva Economia no preço de licenciamento de softwares proprietários, passando a ter um maior poder de processamento sem necessitar de uma nova máquina Redução da dissipação térmica quando comparado ao Single-Core

VANTAGENS DO MULTICORE Melhora o paralelismo no nível de threads Ajuda aplicações que não conseguem se beneficiar dos processadores superescalares atuais por não possuirem um bom paralelismo no nível de instruções Melhor localidade de dados Melhor comunicação entre as unidades Economia de espaço e de energia Throughput não aumenta para aplicações únicas não paralelizáveis, mas sim nos outros casos e no sistema como um todo

ARQUITETURA MULTICORE Geralmente é multiprocessamento simétrico (SMP) Dois ou mais processadores idênticos são conectados a uma única memória principal Permite que qualquer processador trabalhe em qualquer tarefa, não importando onde que ela esteja localizada Possibilita otimizar a carga de trabalho, movendo as tarefas entreos processadores Agrava o problema de espera pela memória que ocorre na situação Single-Core

ARQUITETURA MULTICORE NUMA (Non-Uniform Memory Access) Cada processador tem a sua própria parte da memória Permite acesso paralelo à memória, melhorando em muito o throughput se os dados de um processo forem bem localizados Custo de mover dados de um processador ao outro fica bem mais caro, ou seja, balancear a carga de trabalho é bem mais custoso Multiprocessamento Assimétrico (ASMP) diferentes processadores especializados para tarefas específicas Multiprocessamento com clusters de computadores nem toda a memória está disponível para todos os processadores

IMPLEMENTAÇÕES MULTICORE

INTEL Dois processadores Pentium 4 no mesmo chip Inclui instruções de 64 bits e tecnologias que visam diminuir a dissipação de calor Cada núcleo possui as suas unidades de execução e seu próprio Cache L2 O restante do processador é exatamente igual ao Pentium 4 Single-Core

MODELO INTEL DUAL CORE

FRONT SIDE BUS: O GRANDE PROBLEMA A comunicação entre os dois núcleos é feita através do FSB externo, gerando disputa para a utilização do barramento Esse tipo de comunicação é razoavelmente lento. A banda de memória disponível é dividida entre eles e é também compartilhada com os dispositivos do Super I/O Surge um grande gargalo que causa uma boa perda de desempenho

FRONT SIDE BUS: O GRANDE PROBLEMA

INTEL DUAL CORE: CARACTERÍSTICAS GERAIS Modelo da placa precisa ser especial Processadores necessitarem de reguladores de tensão mais robustos Não pode trabalhar a freqüências tão elevadas como a dos processadores Single-Core devido ao aumento excessivo de dissipação de calor ao adicionar o segundo core Desempenho inferior ao Single-Core em várias aplicações não otimizadas Protocolo MESI (Modified, Exclusive, Shared and Invalid) resolve a concorrência entre as caches Exemplo: exclusivo, compartilhado, modificado, inválido

INTEL DUAL CORE: MODELOS DISPONÍVEIS O Intel Dual-Core é vendido nos modelos Pentium D e Pentium Extreme Edition, sendo que este último possui tecnologia HyperThreading em cada processador Sistema operacional reconhece apenas dois processadores no caso do Pentium D e quatro no caso do Pentium Extreme Edition (devido ao HyperThreading)

AMD Combinação de dois processadores “K8” na mesma pastilha de silicío Desde o começo, o desenvolvimento da arquitetura K8 (Opteron e Athlon 64) foi feito com Multicore em mente Com a tecnologia de HyperTransport e controlador de memória integrado, tem-se um sistema de comunicação inovador, compatível e bem mais eficiente

AMD DUAL CORE: O FIM DO GARGALO Controlador de memória integrado dispensa a comunicação com as memórias através do Chipset Memórias são acessadas diretamente pelo processador através de um barramento exclusivo (HyperTransport), o que resulta em um melhor aproveitamento da banda Não há mais dependência do FSB Comunicação com os outros componentes é feita também através do HyperTransport (não compartilha os recursos com os dispositivos do Super I/O) HyperTransport: conexão ponto-a-ponto, paralela, de alta performance, alta velocidade, alta largura de banda e de baixa latência

MODELO AMD DUAL CORE

AMD DUAL CORE: CARACTERÍSTICAS GERAIS Cada núcleo possui as suas unidades de execução e Cache L2 individuais Apenas o controlador de memória e o HyperTransport são divididos entre os dois núcleos Dessa forma para mantem-se a compatibilidade com os atuais Chipsets e placas mãe Os dois núcleos comunicam-se com os recursos compartilhados através do “Crossbar Switch” e do “System Request Queue” Assim, a comunicação entre os núcleos é feita internamente e não depende do barramento externo e nem do barramento das memórias Protocolo MOESI para concorrência entre as caches “O” = Owner. Uma CPU pode apropriar-se de um dado em seu cache local e, se alterá-la, ela mesma dá uma cópia do dado à outra CPU, sem qualquer acesso adicional à RAM, tudo através do barramento HyperTransport

AMD DUAL CORE: CARACTERÍSTICAS GERAIS

AMD DUAL CORE: CARACTERÍSTICAS GERAIS O “gargalo” da arquitetura Dual Core AMD é banda da memória: são 6.4 GB/s compartilhados pelos dois núcleos DDR2 deve resolver este problema em partes Nova tecnologia de fabricação de silício esticado "Dual Stress Liner" mantém o consumo do processador baixo mesmo em maiores freqüências Duas implementações de AMD Dual Core: Athlon 64 X2 (Desktop), e Opteron (Servidor)

AMD: OPTERON & ATHLON 64 X2 Opteron possui capacidade de multiprocessamento, sendo então destinado a servidores Pode trabalhar em sistemas com até oito processadores Divide-se em três famílias: 1xx, 2xx e 8xx (1, 2, 8 soquetes & 1, 2, 3 barramentos HyperTransport) O Athlon 64 X2 trabalha com freqüências relativamente elevadas (2.0, 2.2 e 2.4 Ghz) Mesmo sem otimização para multiprocessamento (jogos atuais) esse processador terá bom desempenho Opção para quem procura rapidez para o seu trabalho, mas pior do que o Athlon 64 FX-57 em aplicações sem otimização para multiprocessamento

AMD: OPTERON & ATHLON 64 X2

AMD: OPTERON & ATHLON 64 X2

EXEMPLO DE DESEMPENHO: EFICIÊNCIA EM RENDERIZAÇÃO 3D

EXEMPLO DE DESEMPENHO: JOGOS

DISSIPAÇÃO TÉRMICA

REFERÊNCIAS Multi-Core Processors – The Next Evolution In Computing. http://multicore.amd.com/WhitePapers/Multi-Core_Processors_WhitePaper.pdf, visitado em 25/10/2005. Lançamento da tecnologia de múltiplos núcleos. http://multicore.amd.com/pt-BR/Technology/, visitado em visitado em 25/10/2005. Vantagens da tecnologia de múltiplos núcleos da AMD. http://multicore.amd.com/pt-BR/Products/Benefits/, visitado em 25/10/2005. O que é a tecnologia de múltiplos núcleos?. http://multicore.amd.com/WhatIsMC/, visitado em 25/10/2005. Multi-Core Technology Brief. http://www1.us.dell.com/content/topics/topic.aspx/global/products/precn/topics/en/multi_core_precn?c=us&l=en&s=gen, visitado em 25/10/2005. Intel Multi-Core Platforms. http://www.intel.com/technology/computing/multi-core/, visitado em 25/10/2005. Multicore. From Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Multicore, visitado em 25/10/2005. Symmetric multiprocessing. From Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Symmetric_multiprocessing, visitado em 25/10/2005. Non-Uniform Memory Access. From Wikipedia, the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Non-Uniform_Memory_Access, visitado em 25/10/2005 Lei de Moore: até quando? – V A razão do limite. http://www.forumpcs.com.br/coluna.php?b=107220, visitado em 27/10/2005 Características e recursos dos processadores. http://www.guiadohardware.net/tutoriais/processadores/caracteristicas_e_recursos/parte-4/index.php, visitado em 27/10/2005 First Tests of Intel's Dual-Core Processor. http://www.pcworld.com/reviews/article/0,aid,120264,00.asp, visitado em 27/10/2005 Intel's Dual-Core Chips Debut. http://www.pcworld.com/news/article/0,aid,117718,00.asp, visitado em 27/10/2005 Let the Dual-Core Revolution Begin. http://www.intel.com/personal/desktopcomputer/dual_core/index.htm, visitado em 27/10/2005 Fórum do Clube do Hardware > Processadores Dual-Core. http://forum.clubedohardware.com.br/index.php?showtopic=263159, visitado em 27/10/2005