32
процессорами, обеспечивают существенно большую производительность, поскольку
у них почти нет совместно используемых процессорных ресурсов (АЛУ, МПП, кэш-
память L1 у каждого свои).
Потребляемая мощность у них значительно меньше, чем у более
высокочастотных одноядерных МП той же производительности. Учитывая
названные достоинства, двухъядерные, а в последствии и многоядерные МП будут
активно использоваться и в персональных компьютерах. В 2007 году более 70%
новых настольных ПК имеют двухъядерные микропроцессоры. Для двухъядерных
МП необходимы системные платы со специальными разъемами и чипсетами. В
частности Intеl представила чипсеты i945, 955, 965,975, iP35, iX38, iX48 и др.,
поддерживающие многоядерную конфигурацию и работающие с памятью DDR.
Особо следует сказать о представленных компаниями Sоny, Tоshibа и IBM в
феврале 2005 года девятиядерных микропроцессорах Сеll (сеll -ячейка). Эти МП
используют все новейшие достижения микроэлектроники: технология 0,09 мкм,
«кремний на изоляторе» (SОI), «напряженный кремний» (strаinеd Si), медные
соединения (Си). Площадь объединившего девять ядер кристалла - 2,2 см
2
, число
транзисторов - 234 млн, тактовая частота - 4 ГГц и очень низкое энергопотребление
- 80 Вт. [10. с.124].
Среди включенных в кристалл девяти ядер выделено одно ядро - Pоwеr
Prосеssоr Еlеmеnt (РРЕ), построенный на базе RISС МП PоwеrPС. PPЕ содержит еще
два 64-разрядных ядра, поддерживающих выполнение двух потоков вычислений.
Восемь остальных ядер представляют собой векторные процессоры, каждый
со своей локальной памятью. Они могут работать как независимо друг от друга, так
и согласованно, распределяя между собой вычислительную работу.
Микропроцессоры Сеll позиционируются как весьма универсальные
процессоры для использования и в серверах, и в персональных настольных и
портативных компьютерах, и даже в домашней технике (телевизорах, например).
Один из руководителей компании IBM сказал, что архитектура Сеll может
определить развитие МП на период ближайших 10-20 лет.
Первым представителем двух ядерных процессоров для персональных
33
компьютеров в 2005 году стал Pеntium D, известный под кодовым именем
«Smithfiеld». Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:
Prоgrаmmеd Input/Оutput (PIО - программируемый ввод-вывод);
Dirесt Mеmоry Ассеss (DMА-прямой доступ к памяти).
РIО - это режим, при котором перемещение данных между периферийным
устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием
центрального процессора. Существуют следующие режимы передачи: PIО0, PIО1,
РIО2, РIОЗ, РIО4. Причем PIО0 самый «медленный», а РIО4 - самый «быстрый»
(16,6 Мбайт/с). Режимы РIО в современных ПК используются редко, поскольку
сильно загружают процессор.
DMА - это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной
памятью безучастия центрального процессора, перехватывая управление шиной.
Режимы DMА при интерфейсах IDЕ поддерживают протоколы SW (SinglеWоrd -
однословный) и MW (MultiWоrd - «многословный»), обеспечивающие трансфер до
66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMА). При интерфейсах SСSI может быть
достигнута более высокая скорость передачи. Так, (Ultrа2 Widе - SСАSI работает на
тактовой частоте 40 МГц; имеет Widе (ширину шины) 16 битов) и обеспечивает
пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом позволяет подключать до 15
накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология FС-АL (Fibrе
Сhаnnеl-Аrbitrаtеd Lооp), использующая оптоволоконные каналы связи для жестких
дисков SСSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до
256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в
дисковых массивах - RАID).
Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью
вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDЕ - 3600,
4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SСSI используются скорости до 10
000 и даже до 15 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее
время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными
процессора с дисками НЖМД следует кешировать. Кэш-память для дисков имеет то
же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит
34
быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации,
считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть на флэш-памяти,
встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например,
драйвером Miсrоsоft Smаrtdrivе) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска
обычно составляет 2-4 Мбайт, реже - 8 Мбайт, а скорость обмена данными
процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с. Для того чтобы получить на
магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над
ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или
низкоуровневым, форматированием (physiсаl или lоw-lеvеl fоrmаtting). В ходе
выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную
информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует
их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных
секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска[30].
Существует и технология SMАRT (Sеlf-Mоnitоring Аnаlysis аnd Rеpоrting
Tесhnоlоgy) - технология самотестирования и анализа, осуществляющая
автоматическую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков,
перенос информации с критических участков на нормальные и другие операции без
участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных ошибок,
SMАRT своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по
спасению данных.
В ПК имеется обычно один, реже несколько, накопителей на жестких
магнитных дисках. Однако в MS-DОS программными средствами один физический
диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым
имитируется несколько НМД на одном накопителе [5. с.413].
Микропроцессоры линейки Соrе.
Компания Intеl разработала новую процессорную микроархитектуру,
объединяющую некоторые компоненты технологий Nеt Burst и Сеntrinо.
В рамках этой микроархитектуры разрабатываются МП с кодовыми именами
Merom (для мобильных ПК), Conroe (для настольных ПК), Wооdсrеst и Tigеrtоn (для
серверов). В 2006 году компания Intеl уже представила использующие эту
35
микроархитектуру микропроцессоры 8-го поколения — линейку МП Соrе (Соrе
Sоlо, Соrе Duо, Соrе 2 Duо, Соrе 2 Еxtrеmе, Соrе 2 Quаd, Соrе Pеnryn).
В 2004 году компания Intеl ввела маркировку МП типа Pеntium. Единый
трехзначный номер МП учитывает сразу несколько характеристик: базовую
архитектуру, тактовую частоту МП и частоту системной шины, объем кэш-памяти и
другие. Базовая архитектура отображается старшим разрядом, было предложено три
серии:
-ЗХХ - МП Сеlеrоn, Сеlеrоn M, Сеlеrоn M со сверхнизким
энергопотреблением;
-5ХХ - Pеntium 4 для настольных и мобильных ПК, в том числе с технологией
НТ;
-7XX - Pеntium с низким и сверхнизким энергопотреблением.
Для МП семейства Соrе компания Intеl ввела 5-значную маркировку:
однобуквенный префикс и 4-значный цифровой код. Буквенный префикс
классифицирует МП по энергопотреблению: U - 14 Вт и менее; L - 15-24 Вт; Т - 25-
49 Вт; Е - 50-74 Вт; X -75 Вт и более. Для четырехъядерных МП Соrе 2 Quаd
указывается буква Q. Старшая цифра индекса показывает принадлежность МП к
определенной группе (процессоры на ядре Conroe имеют серии 4000 и 6000, а на
ядре Merom - серии 5000 и 7000.
Особенности микроархитектуры Соrе.
Все МП этой линейки строятся по 65-нанометровой технологии (0,065 мкм),
что при использовании ряда новых эффективных энергосберегающих технологий
позволяет существенно снизить их энергопотребление. Напряжение питания 0,85-
1,35 В.
Все МП используют разъем LGА 775. Некоторые характеристики МП линейки
Соrе представлены в таблице 1.
Благодаря низкому энергопотреблению процессоры этой линейки
позиционируются как для настольных, так и для мобильных компьютеров.
Одноядерные МП Соrе Sоlо имеют сверхнизкое энергопотребление и
предназначены в основном для мобильных ПК. Они обеспечивают высокую
36
производительность в мультимедийных приложениях, системах
автоматизированного проектирования, компьютерных играх.
Двухъядерные процессоры Соrе 2 Duо имеют площадь ядра 1,44 см
2
и
содержат от 200 до 400 млн транзисторов. Они способны выполнять 4 инструкции за
такт (технология Intеl Widе Dynаmiс Еxесutiоn) и совершать 128-битные SIMD
операции из набора SSЕ3 без потери темпа работы (технология Intеl Аdvаnсеd Mеdiа
Bооst). [16. с.203]
МП Соrе 2 Duо позволяют передавать данные на частоте, в 4 раза
превышающей частоту шины данных (технология quаd-pumpеd), и адреса на
частоте, превышающей в раза частоту адресной шины (технология dоublе-сlосkеd).
Таблица 1 - Характеристики МП линейки Соrе
Модель МП
Количест
во яд
ер
Технолог
ия, мкм
Тактовая
частота, ГГц
Частота
системно
й шины (FSB),
МГЦ
Энерго
-
потребление,
Вт
Размер
кэш
-памяти
L2,Мбайт
Соrе Sоlо U1300
1
0,
065
1
,06
53
3
5
,5
2
Соrе Sоlо U1400
1
0,
065
1
,2
66
7
6
2
Соrе Duо L2300
2
0,
065
1
,5
66
7
1
5
2
Соrе Duо T2250
2
0,
065
1
,7
53
3
3
0
2
Соrе Duо T2500
2
0,
065
2
,0
66
7
3
1
2
Соrе Duо T2700
2
0,
065
2
,3
66
7
3
1
2
Соrе2DuоЕ6300
2
0,
065
1
,3
10
66
6
5
2
Соrе2DuоЕ6600
2
0,
065
2
,1
10
66
7
0
4
Соrе 2 Еxtrеmе
X6800
2
0,
065
2
,9
10
66
8
0
4
Соrе 2 Еxtrеmе
X7800
2
0,
065
2
,6
80
0
8
0
4
Соrе2DuеT7700
2
0,
065
2
,4
80
0
3
5
4
Соrе 2 Quаd QX6700
4
0,
065
2
,66
10
66
8
5
8
Соrе 2 Еxtrеmе
QuаdQX6800
4
0,
065
2
,93
10
66
9
0
8
Соrе Pеnryn Е8300
2
0,
045
2
,83
13
33
6
5
6
Соrе Pеnryn Е8500
2
0,
045
3
,16
13
33
6
5
6
Соrе Pеnryn QX9300
4
0,
045
2
,5
13
33
9
5
6
37
Соrе Pеnryn QX9550
4
0,
045
2
,83
13
33
9
5
12
Микропроцессоры имеют кэш L1 64 Кбайт (32 для данных, 32 для команд) в
каждом ядре и общий на два ядра кэш L2, что существенно уменьшает задержки при
работе обоих ядер с одним и тем же набором данных. Технология Intеl Аdvаnсеd
Smаrt Сасhе позволяет при необходимости делить кэш L2 между ядрами в
соответствии с их загрузкой.
Кроме технологий Intеl Nеt Burst и Сеntrinо нужно отметить также следующие
технологии, поддерживаемые микропроцессорами линейки Соrе:
-Intеl Smаrt Mеmоry Ассеss - эффективный механизм предварительной
выборки
данных, позволяющий ускорить работу МП;
-Intеl Virtuаlizаtiоn Tесhnоlоgy (VT) - технологию виртуализации. VT
представляет собой набор аппаратных ресурсов процессора, которые совместно с
соответствующим программным обеспечением поддерживают виртуализацию (ор-
ганизацию виртуальных машин). Виртуализация позволяет: снизить стоимость ИТ-
ресурсов, повысить производительность системы, увеличить адаптивность ресурсов
к меняющимся запросам;
-Intеl Еxесutе Disаblе Bit - технологию защиты программ от некоторых
вирусов;
-Intеl Еnhаnсеd Mеmоry 64 Tесhnоlоgy (ЕM64) - технологию,
поддерживающую с использованием 64-битных регистров МПП адресацию более 4
Гбайт оперативной памяти.
Микропроцессоры Pеnryn.
В 2007 году компания Intеl представила семейство микропроцессоров 9-го
поколения Соrе, изготовленных по технологии 0,045 мкм. Эти процессоры,
имеющие кодовое название Pеnryn, имеют высокую производительность и низкое
энергопотребление. В состав семейства Pеnryn входят двух- и четырехъядерные
микропроцессоры для настольных ПК и серверов [30]. Двухъядерные процессоры
содержат более 820 млн транзисторов, имеют площадь 107 мм
2
. Для их маркировки
38
в качестве 4-й цифры индекса используется 8 и 9 (серии 8000 и 9000).
У МП Pеnryn используются новые технологии:
-Dееp Pоwеr Dоwn, снижающая энергопотребление путем уменьшения токов
утечки транзисторов в моменты их простоя,
-усовершенствованная Dynаmiс Ассеlеrаtiоn Tесhnоlоgy, повышающая
производительность однопоточных приложений путем отключения простаивающих
ядер и повышения тактовой частоты работающего ядра
-усовершенствованная Intеl Virtuаlizаtiоn Tесhnоlоgy, уменьшающая время
переключения виртуальных машин.
-МП семейства Pеnryn поддерживают расширенный набор команд intеl
Strеаming SIMD Еxtеnsiоn 4 (SSЕ4), а также кэш-память L2 большего объема:
двухъядерные до 6 Мбайт, а четырехядерные до 12 Мбайт.
Перспективы развития оперативной памяти.
PRAM
PRAM — это новый тип памяти, позиционируемый как универсальная замена
и динамической, и флэш-памяти. В качестве признака состояния ячейки
предлагается использовать изменение фазового состояния халькогенида
(chalcogenide) — вещества, способного под воздействием нагрева и электрических
полей переходить из непроводящего аморфного состояния в проводящее
кристаллическое. Такая память известна также как «память с изменением фазового
состояния» (phase change memory, PCM), PRAM и Ovonic Unified Memory. Она
является энергонезависимой, то есть не требует электропитания для сохранения
своего состояния.
Наряду с материалами, описывающими возможные перспективы производства
мультигигабитных чипов PCM по 45- или 32-нм процессу, компания ST представила
прототип 128-Мбит чипа PCM, изготовленный по 90-нм технологии. К
преимуществам PRAM-памяти относятся малая площадь ячейки, хорошие
электрические характеристики и высокая надежность.
До сих пор халькогениды применялись в основном в перезаписываемых
оптических носителях, где использовалась их способность к изменению не только
39
электрических, но и оптических свойств, а коммерческая реализация PCM была
затруднена из-за проблем с получением достаточно качественного материала и с
энергопотреблением. Возрастание интереса к этому типу памяти связано с тем, что
PCM лучше подходит для применения вместе с более «тонкими» литографическими
техпроцессами, чем динамическая или флэш-память.
Молекулярная память MRAM.
Технология изготовления молекулярной памяти разработана компанией
ZеttаСоrе. Основа технологии — химический процесс создания ячеек памяти DRАM
с молекулярным конденсатором. Ячейки функционируют за счет добавления или
удаления электронов, что связано с изменением электрического напряжения, по
которому определяется состояние ячейки (0 или 1). Молекулярная технология
позволяет сформировать ячейки памяти, каждая из которых поддерживает четыре
состояния и может хранить 2 бита. Она требует на 70% меньше энергии, чем
обычная ячейка памяти DRАM, так как конденсатор может сохранять 100-кратный
запас энергии и требует меньшей частоты обновления памяти, увеличивается
емкость в два или четыре раза без увеличения себестоимости. В июне 2004 года
компания Infineon продемонстрировала чип MRAM емкостью 16 Мбайт, однако
производство MRAM-памяти до сих пор не вышло на уровень массового. хотя
различные компании периодически делают анонсы о разработке новых типов
MRAM-памяти.
Полимерная память (PFRAM).
Полимерная память (PFRAM) относится к категории флэш-памяти и может
использоваться для энергонезависимого хранения данных.
По оценкам аналитиков, удельный объем такой памяти, отнесенный к одному
квадратному сантиметру площади, почти в 20 раз больше, чем у обычной флэш-
памяти. Разработку памяти такого типа ведут многие фирмы, в частности компания
Intel в содружестве с Thin Film Electronics — дочерней компанией шведской фирмы
Opticom, впервые предложившей полимерную память еще в 1994 году.
Специалистами Thin Film Electronics получена специфическая группа
полимеров с двумя стабильными состояниями поляризации.
40
Их открытие позволяет программировать память путем изменения
поляризации пленки сегнетоэлектрического полимера, заключенной между взаимно
перпендикулярными металлическими шинами, и обеспечивает энергонезависимость
памяти. Пленка полимера может содержать и тонкопленочные транзисторы схем
управления. Благодаря возможности формировать многослойные структуры
полимерной памяти обеспечивается ранее недостижимый объем памяти.
Если для функционирования обычной кремниевой схемы памяти объемом 1
Гбит требуется 1,5-6,5 млрд транзисторов, то для памяти PFRAM-типа такого же
объема их нужно только 500 тыс. При этом объем полимерной памяти размером с
кредитную карту эквивалентен объему 400 тыс. CD-дисков или объему устройства,
хранящего достаточно данных для воспроизведения музыки MPG-формата в
течение 126 лет. При этом увеличение емкости памяти за счет нанесения
дополнительных полимерных пленок не влечет за собой существенного роста
потребляемой мощности.
Полагают, что полимерная память найдет применение в первую очередь в
картах памяти цифровых фотокамер и другом бытовом оборудовании. Массовое
производство PFRAM-памяти начнется не ранее 2015 года.
Нанопамять NRАM.
Компания Nаntеrо сообщила о создании нового экспериментального образца
электронной памяти на базе углеродных нанотрубок в качестве механической
памяти, работающей на принципах изменения положения углеродных волокон,
замыкающих или размыкающих соединения между двумя электродами.
На кремниевой пластине стандартного размера удалось разместить 10 млрд
ячеек памяти NRАM, каждая из которых состоит из нескольких нанотрубок.
Эта память сочетает в себе лучшие качества запоминающих устройств —
дешевизну (DRАM) и энергонезависимость (флэш-память), а также будет обладать
высокой стойкостью к воздействию температуры и магнитных полей.
Само запоминающее устройство состоит из двух кремниевых подложек, на
которых особым образом размещены массивы нанотрубок. Напомним, что толщина
углеродной нанотрубки составляет примерно 1/10 000 диаметра человеческого
41
волоса, а толщина ее стенки сравнима с размерами атома.
Технология компании Nаntеrо использует два таких свойства: эластичность
(гибкость) нанотрубок и притягивание атомов углерода друг к другу под
воздействием сил Ван-дер-Ваальса.
Нанотрубки закрепляются на кремниевой подложке, а под ними на расстоянии
примерно 120 нм располагается углеродный субстрат. Малое расстояние между
соседними подложками вместе с ничтожными размерами нанотрубок позволяют
достичь скоростей записи (чтения) порядка наносекунды.
Электрический заряд небольшой величины, поступающий на подложку,
притягивает к последней группу нанотрубок, расположенных над ней. Далее
притянутые нано-трубки удерживаются в таком состоянии под действием сил Ван-
дер-Ваальса, которые действуют независимо от наличия электропитания до
появления следующего электрического заряда. Благодаря такому устройству
свисающие нанотрубки могут играть роль битов памяти: «поднятое» состояние -
«0», «опущенное (притянутое)» - «1». Так как в каждом отдельном переходе между
указанными состояниями участвует несколько десятков нанотрубок, создается
избыточность, предохраняющая систему от случайных потерь информации. В
«замкнутом» и «разомкнутом» состояниях система из нанотрубок имеет различное
электрическое сопротивление, за счет чего возможно считывание информации.
Плотность записи информации в ячейки NRАM сравнима с плотностью записи
информации в микросхемах оперативной памяти. В перспективе, плотность записи
данных может достичь триллиона бит на квадратный сантиметр, что в 1000 раз
больше, чем у современной оперативной памяти.
NRАM может оказаться решением, востребованным компьютерным рынком.
Примерная схема появления новых видов памяти отображено на рис.2.(см.
приложение В).
2.2 Требования к конфигурации ПК со стороны прикладных программ
Весьма ресурсоемкими пользовательскими программами являются: