Processore multicore
In elettronica ed 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, che assumono la denominazione di core (lett. "nucleo" in italiano).[1]
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 frequenza di funzionamento, maggiori dimensioni della 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, che introduceva la tecnologia Hyper-Threading, di migliorare questo limite dei processori single core, sfruttando in maniera più razionale la lunga 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.
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, i due principali produttori di chip, Intel e AMD decisero di migrare gradualmente[2] all'architettura dual core (a due core). In pratica, non potendo aumentare più la frequenza massima si cerca di migliorare il parallelismo, mettendo a disposizione del sistema operativo una configurazione molto simile a quella dei tradizionali sistemi multiprocessore.
Le prime CPU multicore
I primi esemplari di CPU multi core vennero presentati da IBM con il suo PowerPC nel 2003, ma solo nel 2005 si hanno prodotti per il mercato consumer, con Intel alla fine del 2005, mediante i processori Pentium D basati su core Smithfield, mentre la rivale AMD lanciò i nuovi Athlon 64 X2 nel 2005.
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, sviluppato congiuntamente da IBM, Sony e Toshiba per il mercato 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 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 parallelismo.
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; 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.
La soluzione che sembrò più ovvia ai progettisti di microprocessori fu quella di puntare tutto sul 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
Esistono differenti approcci attraverso i quali si possono realizzare chip multi core, 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 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.[3][4]
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)[5].
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.
Nei sistemi basati su kernel Linux, si ha il primo supporto all'hardware SMP con la versione 2 del kernel, che comprendeva un big kernel lock (BKL) per la gestione degli interrupt, successivamente con la versione 2.2 i gestori d'interrupt avevano spinlock differenziati, alcune distribuzioni e ottimizzazioni inclusero il codice di supporto per sistemi NUMA. Nella versione 2.4 sempre più sottosistemi vennero gestiti al di fuori del BKL, grazie all'introduzione di nuovi database lock, ma presenta ancora spinlocks che coprono interi sottosistemi, questo permise di migliorare la scalabilità, che migliorò ulteriormente con la versione 2.5 del kernel, che ottimizzò la cache della pagina dei lock di conversione da un singolo blocco di codice a più blocchi di dati.
Con la versione 2.6 il BKL venne relegato ad una piccola parte del codice del kernel, in quanto la maggior parte del BKL venne convertito in database lock con elevata sintonizzazione e scalabilità per eliminare il ripetersi della linea di cache condivisa, mentre nei sottosistemi critici c'è un certo uso di approcci di lock meno avanzati, quali Read-Copy-Update (RCU), venne introdotto un nuovo programmatore multi CPU di coda, risolvendo le contese sulle code di esecuzione globali condivise da più CPU, riducendo il sovraccarico dei processi di pianificazione in parallelo. Questo scheduler venne introdotto anche su alcuni kernel 2.4 delle ultime distribuzioni.[6][7]
Questa strategia ha permesso al kernel linux in elevata scalabilità ed effettivi miglioramenti con sistemi multicore[8]
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[9]
Lo sfruttamento da parte delle applicazioni e situazioni operative varia molto a seconda degli stessi e a seconda del sistema operativo utilizzato[10]
Note
- ^ Processore multicore, in Treccani.it – Enciclopedie on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
- ^ 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.
- ^ Windows poco efficiente con le CPU multi-core
- ^ Sistemi multiprocessore e multicore
- ^ Windows e le CPU Multi-Core
- ^ Linux multi-core scalability
- ^ How well does Linux support multi-core CPUs?, su tuxradar.com. URL consultato il 13 settembre 2014 (archiviato dall'url originale il 13 settembre 2014).
- ^ Linux 2.6.38: benchmark del kernel multi-core scaling Archiviato il 29 settembre 2014 in Internet Archive.
- ^ Brad Wardell svela perché Microsoft, AMD, Nvidia e Intel non vogliono parlare dei benefici delle DirectX 12
- ^ Multi-Core, Multi-OS Scaling Performance
Voci correlate
Collegamenti esterni
- Architetture multicore: solo moda o reale necessità?, su appuntidigitali.it.
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