miniaturadeimagen|220x220px| Diagrama de un procesador de doble núcleo genérico con cachés de nivel 1 local de CPU y un caché de nivel 2 en matriz compartido miniaturadeimagen|150x150px| Un procesador Intel Core 2 Duo E6750 de doble núcleo miniaturadeimagen|150x150px| Un procesador AMD Athlon X2 6400+ de doble núcleo
Un procesador multinúcleo es un microprocesador en un solo circuito integrado con dos o más unidades de procesamiento separadas, llamadas núcleos, cada una de las cuales lee y ejecuta instrucciones de programa. Las instrucciones son instrucciones ordinarias de CPU (como agregar, mover datos y bifurcar), pero el procesador único puede ejecutar instrucciones en núcleos separados al mismo tiempo, lo que aumenta la velocidad general de los programas que admiten subprocesos múltiples u otras técnicas de computación paralela. Los fabricantes suelen integrar los núcleos en un solo chip de circuito integrado (conocido como chip multiprocesador o CMP) o en varios chips en un solo paquete de chip. Los microprocesadores que se utilizan actualmente en casi todas las computadoras personales son multinúcleo.
Un procesador multinúcleo implementa el multiprocesamiento en un solo paquete físico. Los diseñadores pueden acoplar núcleos en un dispositivo multinúcleo de forma ajustada o suelta. Por ejemplo, los núcleos pueden o no compartir cachés, y pueden implementar métodos de comunicación entre núcleos de memoria compartida o paso de mensajes. Las topologías de red comunes utilizadas para interconectar núcleos incluyen bus, anillo, malla bidimensional y barra transversal. Los sistemas homogéneos de múltiples núcleos incluyen solo núcleos idénticos; los sistemas multinúcleo heterogéneos tienen núcleos que no son idénticos (por ejemplo, big.LITTLE tienen núcleos heterogéneos que comparten el mismo conjunto de instrucciones, mientras que las unidades de procesamiento acelerado de AMD tienen núcleos que no comparten el mismo conjunto de instrucciones). Al igual que con los sistemas de un solo procesador, los núcleos en los sistemas de varios núcleos pueden implementar arquitecturas como VLIW, superescalar, vectorial o multiproceso.
Los procesadores multinúcleo se utilizan ampliamente en muchos dominios de aplicaciones, incluidos los de uso general, integrados, de red, de procesamiento de señales digitales (DSP) y de gráficos (GPU). El recuento de núcleos llega incluso a docenas, y para chips especializados de más de 10 000, y en supercomputadoras (es decir, grupos de chips) el recuento puede superar los 10 millones (y en un caso hasta 20 millones de elementos de procesamiento en total además del host). procesadores).
La mejora en el rendimiento obtenida por el uso de un procesador multinúcleo depende en gran medida de los algoritmos de software utilizados y su implementación. En particular, las posibles ganancias están limitadas por la fracción del software que puede ejecutarse en paralelo simultáneamente en múltiples núcleos; este efecto es descrito por la ley de Amdahl. En el mejor de los casos, los llamados problemas vergonzosamente paralelos pueden generar factores de aceleración cercanos a la cantidad de núcleos, o incluso más si el problema se divide lo suficiente como para caber dentro de los cachés de cada núcleo, evitando el uso de una memoria del sistema principal mucho más lenta. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones no se aceleran tanto a menos que los programadores inviertan esfuerzo en la refactorización.
La paralelización del software es un importante tema de investigación en curso. La cointegración de aplicaciones multiprocesador proporciona flexibilidad en el diseño de arquitectura de red. La adaptabilidad dentro de modelos paralelos es una característica adicional de los sistemas que utilizan estos protocolos.
Terminología Los términos multi-core y dual-core comúnmente se refieren a algún tipo de unidad central de procesamiento (CPU), pero a veces también se aplican a los procesadores de señales digitales (DSP) y al sistema en un chip (SoC). Los términos generalmente se usan solo para referirse a microprocesadores de múltiples núcleos que se fabrican en el mismo troquel de circuito integrado; los troqueles de microprocesador separados en el mismo paquete generalmente se denominan con otro nombre, como módulo de chips múltiples. Este artículo utiliza los términos "multinúcleo" y "doble núcleo" para las CPU fabricadas en el mismo circuito integrado, a menos que se indique lo contrario.
En contraste con los sistemas multinúcleo, el término multi-CPU se refiere a múltiples unidades de procesamiento separadas físicamente (que a menudo contienen circuitos especiales para facilitar la comunicación entre ellas).
Los términos muchos núcleos y multinúcleo masivo se utilizan a veces para describir arquitecturas de varios núcleos con una cantidad especialmente alta de núcleos (de decenas a miles).
Algunos sistemas usan muchos núcleos de microprocesadores suaves colocados en un solo FPGA. Cada "núcleo" puede considerarse un "núcleo de propiedad intelectual de semiconductores", así como un núcleo de CPU.
Desarrollo Si bien la tecnología de fabricación mejora, reduciendo el tamaño de las puertas individuales, los límites físicos de la microelectrónica basada en semiconductores se han convertido en una importante preocupación de diseño. Estas limitaciones físicas pueden causar problemas significativos de disipación de calor y sincronización de datos. Se utilizan varios otros métodos para mejorar el rendimiento de la CPU. Algunos métodos de paralelismo a nivel de instrucción (ILP), como la canalización superescalar, son adecuados para muchas aplicaciones, pero son ineficientes para otras que contienen código difícil de predecir. Muchas aplicaciones se adaptan mejor a los métodos de paralelismo a nivel de subprocesos (TLP), y comúnmente se utilizan varias CPU independientes para aumentar el TLP general de un sistema. Una combinación de mayor espacio disponible (debido a procesos de fabricación refinados) y la demanda de mayor TLP condujo al desarrollo de CPU multinúcleo.
Incentivos comerciales Varios motivos comerciales impulsan el desarrollo de arquitecturas multinúcleo. Durante décadas, fue posible mejorar el rendimiento de una CPU al reducir el área del circuito integrado (IC), lo que redujo el costo por dispositivo en el IC. Alternativamente, para la misma área de circuito, se podrían usar más transistores en el diseño, lo que aumentó la funcionalidad, especialmente para arquitecturas de computación de conjuntos de instrucciones complejas (CISC). Las velocidades de reloj también aumentaron en órdenes de magnitud en las décadas de finales del , desde varios megahercios en la década de 1980 hasta varios gigahercios a principios de la década de 2000.
A medida que se ralentizaba el ritmo de las mejoras en la velocidad del reloj, se buscaba un mayor uso de la computación paralela en forma de procesadores multinúcleo para mejorar el rendimiento general del procesamiento. Se utilizaron varios núcleos en el mismo chip de CPU, lo que podría conducir a mejores ventas de chips de CPU con dos o más núcleos. Por ejemplo, Intel ha producido un procesador de 48 núcleos para la investigación en computación en la nube; cada núcleo tiene una arquitectura x86.
Factores técnicos Dado que los fabricantes de computadoras han implementado durante mucho tiempo diseños de multiprocesamiento simétrico (SMP) utilizando CPU discretas, los problemas relacionados con la implementación de la arquitectura de procesador de múltiples núcleos y el soporte con software son bien conocidos.
Además:
El uso de un diseño de núcleo de procesamiento comprobado sin cambios en la arquitectura reduce significativamente el riesgo de diseño. Para los procesadores de propósito general, gran parte de la motivación para los procesadores multinúcleo proviene de la gran disminución de las ganancias en el rendimiento del procesador al aumentar la frecuencia operativa. Esto se debe a tres factores principales:Patterson, David A. "Future of computer architecture." Berkeley EECS Annual Research Symposium (BEARS), College of Engineering, UC Berkeley, US. 2006. El muro de la memoria; la creciente brecha entre las velocidades del procesador y la memoria. Esto, en efecto, empuja a que los tamaños de caché sean mayores para enmascarar la latencia de la memoria. Esto ayuda solo en la medida en que el ancho de banda de la memoria no sea el cuello de botella en el rendimiento. El muro de la ILP; la creciente dificultad de encontrar suficiente paralelismo en un solo flujo de instrucciones para mantener ocupado un procesador de un solo núcleo de alto rendimiento. El muro de poder; la tendencia de consumir energía que aumenta exponencialmente (y, por lo tanto, también genera calor que aumenta exponencialmente) con cada aumento factorial de la frecuencia de funcionamiento. Este aumento se puede mitigar "reduciendo" el procesador mediante el uso de trazas más pequeñas para la misma lógica. El muro de potencia plantea problemas de fabricación, diseño de sistemas e implementación que no se han justificado frente a las ganancias disminuidas en el rendimiento debido al muro de memoria y al muro de ILP .
Con el fin de continuar brindando mejoras de rendimiento regulares para los procesadores de uso general, los fabricantes como Intel y AMD han recurrido a diseños de múltiples núcleos, sacrificando menores costos de fabricación por un mayor rendimiento en algunas aplicaciones y sistemas. Se están desarrollando arquitecturas multinúcleo, pero también las alternativas. Un competidor especialmente fuerte para los mercados establecidos es la mayor integración de funciones periféricas en el chip.
Ventajas La proximidad de múltiples núcleos de CPU en el mismo troquel permite que el circuito de coherencia de caché funcione a una velocidad de reloj mucho más alta de lo que es posible si las señales tienen que viajar fuera del chip. La combinación de CPU equivalentes en un solo chip mejora significativamente el rendimiento de las operaciones de indagación de caché (alternativa: indagación de bus). En pocas palabras, esto significa que las señales entre diferentes CPU viajan distancias más cortas y, por lo tanto, esas señales se degradan menos. Estas señales de mayor calidad permiten enviar más datos en un período de tiempo determinado, ya que las señales individuales pueden ser más breves y no es necesario repetirlas con tanta frecuencia.
Suponiendo que la matriz pueda encajar físicamente en el paquete, los diseños de CPU multinúcleo requieren mucho menos espacio en la placa de circuito impreso (PCB) que los diseños SMP de varios chips. Además, un procesador de doble núcleo usa un poco menos de energía que dos procesadores de un solo núcleo acoplados, principalmente debido a la menor energía requerida para impulsar señales externas al chip. Además, los núcleos comparten algunos circuitos, como la memoria caché L2 y la interfaz con el bus frontal (FSB). En términos de tecnologías competidoras para el área de matriz de silicio disponible, el diseño multinúcleo puede hacer uso de diseños probados de bibliotecas de núcleos de CPU y producir un producto con menor riesgo de error de diseño que idear un nuevo diseño de núcleo más ancho. Además, agregar más caché adolece de rendimientos decrecientes.
Los chips multinúcleo también permiten un mayor rendimiento con menos energía. Esto puede ser un factor importante en los dispositivos móviles que funcionan con baterías. Dado que cada núcleo en una CPU multinúcleo generalmente es más eficiente energéticamente, el chip se vuelve más eficiente que tener un solo núcleo monolítico grande. Esto permite un mayor rendimiento con menos energía. Sin embargo, un desafío en esto es la sobrecarga adicional de escribir código paralelo.
Desventajas