Processore multicore: differenze tra le versioni

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{{nd|il tipo tradizionale di processore|Processore scalare|Single core}}

{{spostare|Processore multicore|La voce tratta specificatamente processori}}

{{nd|altri significati|Dual core (disambigua)|Dual core}}

{{F|informatica|marzo 2013}}

[[File:Quad-Core_AMD_Opteron_processor.jpg|thumb|upright=1.5|Interno di un [[Microprocessore]] quad-core]]

In [[elettronica]] ede [[informatica]], con il termine '''processore multicore''' si intende un tipo di [[processore]] parallelo caratterizzato dall'essere costituito da una moltitudine di unità di elaborazione indipendenti, integrate sullo stesso [[chip (elettronica)|chip]], che assumono la denominazione di ''core'' ({{lett|nucleo|lingua=it}}).<ref>{{treccani|microelettronica}}</ref>

== Storia ==

Fino al 2005 quasi tutti i [[microprocessori]] (dall'[[Intel 8086]], fino agli [[Athlon 64]] e [[Pentium 4]]) sono sempre stati ''single core'' e i miglioramenti nelle prestazioni sono passati attraverso aumenti della [[clock|frequenza di funzionamento]], maggiori dimensioni della [[CPU cache|cache]], funzionalità aggiuntive, e miglioramenti dell'efficienza della [[microarchitettura]], grazie anche al continuo progresso dei processi produttivi, che ha consentito di ridurre progressivamente l'energia necessaria al funzionamento e offrire le condizioni necessarie per l'aumento della frequenza.

Fino al 2005 quasi tutti i [[microprocessori]] (dall'[[Intel 8086]], fino agli [[Athlon 64]] e [[Pentium 4]]) sono sempre stati ''single core'' e i miglioramenti nelle prestazioni sono passati attraverso aumenti della [[clock|frequenza di funzionamento]], maggiori dimensioni della [[CPU cache|cache]], funzionalità aggiuntive, e miglioramenti dell'efficienza della [[microarchitettura]], grazie anche al continuo progresso dei processi produttivi che ha consentito di ridurre progressivamente l'energia necessaria al funzionamento e offrire le condizioni necessarie per l'aumento della frequenza.

Intel cercò già con il Pentium 4 [[Northwood (hardware)|Northwood]], che introduceva la tecnologia [[Hyper-Threading]], di migliorare questo limite dei processori ''single core'', sfruttando in maniera più razionale la lunga [[pipeline (CPU)|pipeline]] tipica dei suoi processori basati su architettura [[NetBurst]]; si trattava in buona sostanza di simulare la presenza di due core, rendendo disponibile al sistema due core "logici". In realtà nell'esecuzione delle applicazioni il contributo di tale tecnologia era marginale ma si otteneva un discreto miglioramento nella reattività del sistema, ottimizzando il [[multitasking]], cioè l'esecuzione di più operazioni contemporaneamente.

=== Il raggiungimento dei limiti tecnologici ===

Con il progredire dei processi produttivi (fino ad arrivare a quello a [[90 nm]]) e il raggiungimento di frequenze di funzionamento sempre più elevate e vicini ai limiti fisici della tecnologia a [[semiconduttore]], i due principali produttori di chip, [[Intel]] e [[Advanced Micro Devices|AMD]] decisero di migrare gradualmente<ref>Tra le ultime CPU prodotte per PC a ''single core'' c'è l'Intel Celeron 807 e il Celeron B730, entrambi hanno debuttato nel mercato ad agosto 2012.</ref> all'architettura ''dual core'' (a due ''core''). In pratica, non potendo aumentare più la frequenza massima si cerca di migliorare il [[calcolo parallelo|parallelismo]], mettendo a disposizione del [[sistema operativo]] una configurazione molto simile a quella dei tradizionali sistemi [[multiprocessore]].

Difatti si giunse a un punto tale per cui aumentare ulteriormente le frequenze delle CPU, malgrado le dimensioni minime dei [[transistor]], comportava ormai consumi troppo elevati in relazione al modesto aumento di prestazioni<ref>a quei tempi un processore single core top di gamma superava abbondantemente i 100 W di consumo massimo</ref> e questo ovviamente aveva serie ripercussioni anche sul gravoso problema del raffreddamento dei circuiti.

La soluzione che sembrò più ovvia ai progettisti di microprocessori fu quella di puntare tutto sul [[calcolo parallelo|parallelismo]], in modo da poter aumentare il numero di operazioni eseguibili in un unico ciclo di clock. Questo nuovo approccio comunque non era del tutto indolore e comportava anche alcuni svantaggi, in quanto i programmi dovevano essere ottimizzati per un utilizzo [[multi-thread]] ovvero parallelizzati anch'essi per poter sfruttare appieno le caratteristiche di questi processori, in caso contrario essi avrebbero impegnato solo uno dei core, lasciando l'altro pressoché inutilizzato. Paradossalmente, era anche possibile che un programma applicativo non pensato per un'esecuzione di tipo parallelo risultasse di più lenta esecuzione su un processore multi coremulticore rispetto a uno single core, e infatti al momento del lancio dei primi esemplari, erano veramente pochi i [[software]] già pronti per queste nuove architetture. Tale incapacità di raggiungere i livelli di prestazione teorici dei sistemi a parallelismo massiccio è nota come "[[sindrome di von Neumann]]".

Diversi analisti software, infatti, prevedevano già allora che se il software pensato per un utilizzo parallelo in ambito dual core fosse stato realizzato in maniera oculata, tenendo conto non del funzionamento su un sistema dual core, ma su un sistema a più core, esso non avrebbe richiesto poi grosse modifiche per essere utilizzato su un dual core o su un più generico processore multi coremulticore. Secondo altri, invece, gli sforzi necessari per realizzare software multi processore che avrebbe funzionato in maniera ottimale saturando tutti i core e non occupandoli in modo disomogeneo sarebbero stati esagerati in relazione con i reali vantaggi, soprattutto di impatto di costi. Su una materia tanto nuova in ambito desktop, ai tempi non si poteva fare altro che attendere maggiori dettagli, ma il tempo ha poi portato gli sviluppatori ad acquisire sempre maggiore esperienza e dimestichezza con la programmazione parallela e molti dei timori dei primi giorni risultano ormai superati.

=== Le prime CPU multicore ===

I primi esemplari di CPU multi coremulticore vennero presentati da [[IBM]] con l'introduzione linea [[POWER4]] nel 2001. Tuttavia fu solo nel 2005 che l'interesse del mercato mondiale verso la tecnologia multi coremulticore divennnedivenne rilevante: in quell'anno i due maggiori produttori di CPU al mondo, [[Intel]] e [[Advanced Micro Devices|AMD]], misero in commercio i primi esemplari di una nuova generazione di microprocessori per il mercato consumer, basati sui rispettivi prodotti esistenti ma contenenti due core.

Si trattava delle famiglie di processori [[Pentium D]] dalla parte di Intel, e deglidi [[Opteron]] e [[Athlon 64 X2]] dalla parte di AMD.

Intel estese progressivamente l'utilizzo della tecnologia dual core a tutti i segmenti di mercato, incluso quello mobile, di cui il primo esponente fu il [[Core Duo]] [[Yonah]] e successivamente [[Merom (microprocessore)|Merom]], entrambi evoluzioni del [[Pentium M]], e al settore server. In questa categoria i primi dual core furono [[Montecito (processore)|Montecito]] evoluzione del processore a [[64 bit]] [[Itanium 2]] con cache L3 che raggiunse in alcune versioni i 24 MB di capacità, mentre per i server [[x86]] basati sul processore [[Xeon]], videro la luce [[Dempsey (informatica)|Dempsey]] e [[Paxville (hardware)|Paxville]], pensate rispettivamente per i sistemi workstation e server a due e quattro processori. Da Conroe venne derivato anche lo Xeon [[Woodcrest (hardware)|Woodcrest]], per sistemi server di fascia bassa dotati di due [[Socket (elettronica)|socket]].

I primi esemplari di CPU multi core vennero presentati da [[IBM]] con l'introduzione linea [[POWER4]] nel 2001. Tuttavia fu solo nel 2005 che l'interesse del mercato mondiale verso la tecnologia multi core divennne rilevante: in quell'anno i due maggiori produttori di CPU al mondo, [[Intel]] e [[Advanced Micro Devices|AMD]], misero in commercio i primi esemplari di una nuova generazione di microprocessori per il mercato consumer, basati sui rispettivi prodotti esistenti ma contenenti due core.

Si trattava delle famiglie di processori [[Pentium D]] dalla parte di Intel, e degli [[Athlon 64 X2]] dalla parte di AMD.

Intel ha avuto il merito di rendere i processori quad core (4 core) disponibili per il grande pubblico mediante i [[Core 2 Extreme]] e [[Core 2 Quad]] basati su core [[Kentsfield]], ma i primi processori multi core con più di 2 core vennero presentati sul mercato verso la fine del [[2005]]; si tratta del [[Cell (processore)|Cell]], sviluppato congiuntamente da [[IBM]], [[Sony]] e [[Toshiba]] per il mercato [[Console (videogiochi)|console]]/[[blade server]] e composto da 8 core ''eterogenei'', e l'[[UltraSPARC T1]], processore a 8 core ''omogenei'' sviluppato da [[Sun Microsystems]] per il mercato server (In particolare per [[Web server]] con numerosi accessi) capace di gestire 32 [[Thread (informatica)|thread]] simultaneamente.

Questo tipo di architettura, al pari dei sistemi dual core e più generalmente, di tutti i sistemi [[biprocessore]] e [[multiprocessore]], consente di aumentare la potenza di calcolo senza aumentare la frequenza di lavoro, a tutto vantaggio del calore dissipato, oltre a garantire maggiori prestazioni in ambiti molto specifici dove più che un'alta potenza di calcolo è richiesto un grande [[calcolo parallelo|parallelismo]].

Intel ha avuto il merito di rendere i processori quad core (4 core) disponibili per il grande pubblico mediante i [[Core 2 Extreme]] e [[Core 2 Quad]] basati su core [[Kentsfield]], ma iI primi processori multi core con più di 2due core vennero presentati sul mercato già verso la fine del [[2005]];: si trattatrattava del [[Cell (processore)|Cell]], sviluppato congiuntamente da [[IBM]], [[Sony]] e [[Toshiba]] per il mercato [[Console (videogiochi)|console]]/ e [[blade server]] e composto da 8 [[sistema multiprocessore asimmetrico|core ''eterogenei'',]]; e l'[[UltraSPARC T1]], processore a 8 core ''omogenei'' sviluppato da [[Sun Microsystems]] per il mercato server, (Incomposto particolareda per8 [[Websistema server]]multiprocessore consimmetrico|core numerosi accessi) capace di gestire 32 [[Thread (informatica)|threadomogenei]] simultaneamente.

=== L'evoluzione a partire dal 2005 ===

Nel corso del [[2005]] arrivarono i primi chip dual core per mercato desktop, sempre grazie a Intel che presentò i primi [[Pentium D]] [[Smithfield (informatica)|Smithfield]]; in quel periodo si era giunti a un livello tecnologico di sviluppo hardware che non consentiva più di aumentare la potenza di elaborazione incrementando semplicemente la frequenza di [[clock]]. Fino a quel momento il continuo aumento delle prestazioni era stato basato soprattutto sull'aumento della frequenza operativa grazie alle innovazioni offerte dai processi produttivi sempre più miniaturizzati. Si giunse però a un punto tale per cui aumentare ulteriormente le frequenze delle CPU single core, malgrado le dimensioni minime dei [[transistor]], comportava ormai consumi troppo elevati in relazione al modesto aumento di prestazioni (a quei tempi un processore single core top di gamma superava abbondantemente i 100 W di consumo massimo) e questo aveva serie ripercussioni anche sul gravoso problema del raffreddamento dei circuiti.

Nel 2006 Intel continuò ad investire sul mercato consumer introducendo i processori [[Core 2 Extreme]] e [[Core 2 Quad]], a quattro core in architettura [[Kentsfield]].

La soluzione che sembrò più ovvia ai progettisti di microprocessori fu quella di puntare tutto sul [[calcolo parallelo|parallelismo]] in modo da poter aumentare il numero di operazioni eseguibili in un unico ciclo di clock. Questo nuovo approccio comunque non era del tutto indolore e comportava anche alcuni svantaggi, in quanto i programmi dovevano essere ottimizzati per un utilizzo [[multi-thread]] parallelizzati anch'essi (ciascun programma eseguito in più parti) per poter sfruttare appieno le caratteristiche di questi processori, in caso contrario essi avrebbero impegnato solo uno dei core, lasciando l'altro pressoché inutilizzato. Paradossalmente, era anche possibile che un programma applicativo non pensato per un'esecuzione di tipo parallelo, risultasse di più lenta esecuzione su un processore multi core rispetto a uno single core, e infatti al momento del lancio dei primi esemplari, erano veramente pochi i [[software]] già pronti per queste nuove architetture. Tale incapacità di raggiungere i livelli di prestazione teorici dei sistemi a parallelismo massiccio è nota come ''[[sindrome di von Neumann]]''.

== Tipologie di architetture multicore ==

{{Vedivedi anche|Architettura dual core}}

Esistono differenti approcci attraverso i quali si possono realizzare chip multi coremulticore, ciascuno con precise peculiarità; per ulteriori informazioni si rimanda alle seguenti voci di approfondimento che, sebbene riferite a processori dual core, espongono comunque concetti di carattere generale che ben si adattano a considerazioni su CPU a più core in generale:.

* ''[[Dual core (tecniche di realizzazione)]]'' - illustra i dettagli sulla realizzazione fisica di queste CPU.

* ''[[Dual core (gestione della cache)]]'' - descrive le differenze tra i vari metodi di gestione della cache da parte di ciascun core.

Ci sono casi in cui ci possono essere prodotti con un numero dispari di core, come il triple core di AMD (Athlon II X3 435). Questo tipo di architettura, rispetto alla [[single core]], consente di aumentare la potenza di calcolo di una CPU senza aumentare la [[Clock|frequenza di clock]] di lavoro, a tutto vantaggio del [[calore]] dissipato (che diminuisce rispetto nel caso di più processori separati) così come l'energia assorbita.

== Utilizzo da parte dei sistemi operativi ==

Ogni [[sistema operativo]] gestisce in modo differente le potenzialità dei processori multicore, in alcuni casi queste gestioni variano anche a seconda della versione del sistema operativo (Windows XP, Windows XP SP2 professional, ecc), tuttavia pur implementando il supporto a varie tecnologie hardware e soluzioni software non è detto che si possa assistere a reali vantaggi, in quanto i programmi non sempre supportano queste architetture hardware in modo efficiente, limitando i vantaggi all'utilizzo di più programmi contemporaneamente, per questo bisognerebbe riscrivere il kernel per poter sfruttare le potenzialità multicore a pieno.<ref>[http://www.tomshw.it/cont/news/windows-poco-efficiente-con-le-cpu-multi-core/24514/1.html?pag_commenti=1 Windows poco efficiente con le CPU multi-core]</ref><ref>[http://tesi.cab.unipd.it/26364/1/Tesi_Lorenzo_Baesso_578440.pdf Sistemi multiprocessore e multicore]</ref>

Le prime implementazioni nei sistemi Microsoft si ha con la versione SP2 professional di Windows XP, con un supporto limitato all'architettura hardware SMP ([[Symmetric multiprocessing]] o [[Symmetric multiprocessor]]) dove i core o processori accedono ad uno spazio di memoria condiviso, mentre dal punto di vista software viene usata la funzionalità processor affinity che identifica i core come Core0 e Core1, consentendo all'utente di decidere su quale di essi avviare ed eseguire l'applicazione, successivamente l'approccio venne rivisto prima con Windows Vista poi con Windows 7, quest'ultimo supporta soluzioni hardware NUMA ([[Non-Uniform Memory Access]])<ref>[{{Cita web |url=http://www.storiainformatica.it/windows/44-sistemi-operativi/windows/22-windows-e-le-cpu-multi-core |titolo=Windows e le CPU Multi-Core] |accesso=13 settembre 2014 |dataarchivio=13 settembre 2014 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20140913130825/http://www.storiainformatica.it/windows/44-sistemi-operativi/windows/22-windows-e-le-cpu-multi-core |urlmorto=sì }}</ref>.

Nei sistemi Apple [[macOS]] con la versione 10.6 c'è l'introduzione del [[Grand Central Dispatch]] per implementare il [[parallelismo a livello di thread]], migliorando il supporto ai multicore.

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Questa strategia ha permesso al kernel linux in elevata scalabilità ed effettivi miglioramenti con sistemi multicore<ref>[http://www.oneopensource.it/08/03/2011/linux-2-6-38-benchmark-del-kernel-multi-core-scaling/ Linux 2.6.38: benchmark del kernel multi-core scaling] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20140929193541/http://www.oneopensource.it/08/03/2011/linux-2-6-38-benchmark-del-kernel-multi-core-scaling/ |data=29 settembre 2014 }}</ref>

In ambito videoludico e in particolar modo delle librerie grafiche le [[DirectX 12]], [[Vulkan (API)]] e [[Mantle]] hanno permesso il migliore sfruttamento dei diversi core del processore, permettendone il dialogo attivo e diretto con la GPU, cosa che in precedenza non era attuabile se non in modo limitato<ref>[{{Cita web |url=http://www.tmag.it/2015/03/18/brad-wardell-svela-perche-microsoft-amd-nvidia-e-intel-non-vogliono-parlare-dei-benefici-delle-directx-12/ |titolo=Brad Wardell svela perché Microsoft, AMD, Nvidia e Intel non vogliono parlare dei benefici delle DirectX 12] |accesso=26 aprile 2015 |dataarchivio=23 marzo 2015 |urlarchivio=https://web.archive.org/web/20150323071136/http://www.tmag.it/2015/03/18/brad-wardell-svela-perche-microsoft-amd-nvidia-e-intel-non-vogliono-parlare-dei-benefici-delle-directx-12/ |urlmorto=sì }}</ref>

Lo sfruttamento da parte delle applicazioni e situazioni operative varia molto a seconda degli stessi e a seconda del sistema operativo utilizzato<ref>[https://www.phoronix.com/scan.php?page=article&item=multi_os_scaling&num=1 Multi-Core, Multi-OS Scaling Performance]</ref>

== Note ==

<references />

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* [[Architetture di sistemi multiprocessore]]

* [[Calcolo parallelo]]

* [[Single core]]

* [[Dual core]]

* [[Scalabilità]]

* [[Sindrome di von Neumann]]