מעבדים מרובי ליבה: טובים השניים מן האחד

בכתבה הקודמת: 64 ביט: לא כדאי למהר לשדרג

הרעיון של ריבוי ליבות (Multi Cores) בסך-הכל לא חדש. ההיגיון הפשוט אומר שאם העבודה המוטלת על השרת היא גדולה ממה שמעבד אחד יכול לעשות, הפתרון הוא לחלק את העבודה בין מספר מעבדים. השיטות המקובלות לעשות זאת הן להשתמש בפלטפורמות שרת מרובות מעבדים (SNMP), או לאגד מספר שרתים באשכול (cluster).

בשיטה הראשונה, המעבדים השונים מותקנים על אותו לוח-אם וחולקים זיכרון משותף.

 מערכת ההפעלה צריכה לדעת להבחין לא רק ביישומים (Applications) ובתהליכים (Processes) שמרכיבים אותם, אלא גם בנימים (Threads) מהם מורכבים התהליכים. היא מפקחת על חלוקת העבודה בין המעבדים ועל ניהול הזיכרון המשותף.

כמובן שכדי שהעסק יעבוד, נדרשים מעבדים ולוח-אם שתומכים בארכיטקטורה המקבילית, והם מייקרים את הפלטפורמה בשיעור גדול פי כמה מאשר העלות של המחשבים הנפרדים.

זו הסיבה העיקרית להתפתחות הפתרון השני, אשכול השרתים, שבעצם מתבסס על פלטפורמות שרת רגילות כדי לעשות אותו הדבר. השרתים הנפרדים מקושרים ברשת תקשורת מהירה, ותוכנה ייעודית ו/או מערכת ההפעלה מנהלות את התקשורת ואת חלוקת העבודה ביניהם. סוג הפתרונות הזה הוא בדרך-כלל גם זול יותר ליישום (בעיקר כשנדרש מספר גדול של מעבדים שיפעלו במקביל) וגם גמיש וקל יותר לשינוי.

שרתים מרובי המעבדים וגם אשכולות השרתים, הפכו לחלק מסביבות המחשוב התאגידיות זה מכבר. בשני המקרים, בסופו של דבר, מדובר בפתרונות יקרים שדורשים תשתית טכנולוגית מורכבת. הפתרון של ריבוי ליבות בעצם מיישם מחשוב מקבילי בשיטה דומה לריבוי המעבדים, במסגרת של ארכיטקטורה סטנדרטית, דומה או זהה לזו שמשמשת בשרתים בעלי מעבד אחד.

שתי ליבות במארז אחד

מעבד Dual Core יכלול שתי ליבות מעבד במארז אחד. מערכת הפעלה שתומכת בריבוי מעבדים (יש כאלו במשפחות Windows, Unix, לינוקס ואחרות), תזהה את הליבות הנפרדות כמעבדים נפרדים, אבל מבחינת עלות היישום ומורכבות הארכיטקטורה - מדובר בפתרון שמזכיר הרבה יותר מחשב שולחני מאשר שרת מרובה המעבדים.

כמובן שמעבדים מרובי ליבות יכולים לשמש גם בארכיטקטורות מקביליות, כדי לפרוץ את המגבלות הארכיטקטוניות המקובלות. העלות השולית של הגדלת כוח העיבוד באשכול או במערכת מרובת מעבדים,

היא גדולה פי כמה מעלות המעבד. ריבוי הליבות מאפשר לקצץ אותה דרמטית - שרת כפול-מעבדים (2-way) שיותקנו בו שני מעבדי Dual Core, יוכל בעצם לתפקד כשרת עם ארבעה מעבדים (4-way), למרות שיעלה רק קצת יותר.

בשביל מה זה טוב?

הראשונה לשלוף מהכובע את שפן כפל הליבות הייתה AMD, שהציגה לעיתונאים בספטמבר אשתקד שרת ובו שני מעבדי Opteron כפולי ליבה. זהו גם המעבד שהוכרז רשמית ב-21 באפריל. אינטל, שלפי הלו"ז הרשמי רחוקה מהשקת גירסת ה-Xeon כפולת-הליבה מרחק של שמונה חודשים, התאמצה והקדימה את AMD בשלושה ימים עם הכרזה על מעבד Extrem Edition כפול-ליבה ראשון.

האסטרטגיה של אינטל בתחום לא לגמרי ברורה. בהמשך השנה היא תציג גירסאות כפולות ליבה של איטניום, ושל מעבדים נוספים ממשפחת פנטיום, אבל לא של Xeon. לא נראה שיש לה קושי הנדסי לייצר מעבד כזה, משום ש-Extreme Edition הוא מעבד כמעט זהה ל-Xeon.

המוטיבציות של AMD ושל אינטל בתחום הזה שונות קצת זו מזו. את הפיתוחים של AMD בתחום, דוחפת ההכרה ביתרון שיש לאינטל בריבוי מעבדים קלאסי. מעבדי Xeon תמיד הקדימו את המעבדים של AMD בתחום הזה, וכדי ש-Opteron יוכל להמשיך לגנוב מהם נתח שוק (כיום מדובר על מעט יותר מ-15 אחוז משוק השרתים לעומת כ-80 אחוזים למעבדי אינטל), הוא צריך להרחיב את אופקיו. ריבוי הליבות איננו רק דרך אפקטיבית מאד לעשות זאת, אלא גם שיטה זולה יחסית.

מבחינת אינטל, מלבד העיקרון הנצחי שמה ש-AMD יכולה לעשות היא חייבת לעשות, מוטב

קודם, ישנה גם ההכרה הפשוטה במגבלות המיקרו-ארכיטקטורה של פנטיום 4 ו-Xeon. המעבדים השולחניים מהמשפחה הזו, נעצרו במהירות השעון של 3.8GHz. אינטל זנחה את תוכניותיה להמשיך להאיץ אותם, כשנתחוור לה שהפתרון לבעיות ההתחממות שלהם לא יהיה זול ולא פשוט. הכפלת הליבה היא דרך פשוטה להמשיך להאיץ את המעבדים (מבלי להגדיל את מהירות השעון) ולהמשיך ליישם את חוק מור, על בסיס הטכנולוגיות והידע הקיימים.

לגלם את היתרון בטכנולוגיה

המעבר לריבוי ליבות עשוי לחדד גם את היתרון שגלום בטכנולוגיה נוספת של אינטל, HyperThreading, אותה אינטל יישמה כבר בכמה מעבדי פנטיום 4.

HyperThreading (ובקיצור, HT), טכנולוגיה שכונתה יותר מפעם "עיבוד מקבילי לעניים", בעצם עושה את חצי הדרך לריבוי הליבות.

מעבד HT בסיסי אינו כולל שתי ליבות בתוך מארז אחד, אלא מספר גדול יותר של צינורות ביצוע ומנוע פקודות נוסף, שילוב שבמקרים מסויימים יכול לאפשר למעבד לבצע פקודות שונות במקביל. למרות שמבחנים שונים הוכיחו שהטכנולוגיה הזו מאפשרת שיפור יפה בביצועי המעבד, בשנתיים שהיא מסתובבת בשטח היא השפיעה מעט מאוד על שוק המעבדים. גם כי התמיכה בה מצד היישומים הייתה דלה מאוד, וגם כי היא במיטבה רק במצב של ריבוי משימות - סוג השימושים הכי פחות נמדד במבחני הביצועים.

בתור טכנולוגיית מיינסטרים HT לא הצליחה במיוחד, אבל בתור טכנולוגיה אליטיסטית היא דווקא עשויה לפרוח. אינטל הודיעה רק לאחרונה שהגירסאות כפולות הליבה הרגילות של פנטיום 4 לא יתמכו בה, והיא תישאר נחלתו הבלעדית של מעבד הדגל Pentium 4 Extreme Edition.

מתיאוריה ליישום

פנטיום D (לשעבר Smithfield) ופנטיום HT (ממשיכו כפול הליבה של Extreme Edition), יגיעו לשוק בתחילת מאי. בינתיים, בשעת כתיבת שורות אלה, מתפרסמות בכמה אתרי אינטרנט תוצאות ראשונות למבחני ביצועים שהריצו אותם. העובדה הכי מעניינת היא שהשילוב בין כפל הליבות לבין טכנולוגיית HT, מזניק את שיפור הביצועים בהשוואה לגירסאות החד-ליבתיות, מכ-20-40 אחוזים לעד פי שניים ויותר.

מבחינת אינטל, למעבר לריבוי ליבות עשוי להיות יתרון נוסף. אם היא תקדים את AMD במעבר לאבחנה ליתוגרפית גבוהה יותר, יהיה לה הרבה יותר משתלם לייצר מעבדים כפולי ליבה מאשר ל-AMD. הכפלת הליבה צפויה להגדיל את פרוסת הסיליקון של המעבד בקרוב לפי שניים. זו אחת הסיבות ש-Pentium D, הפנטיום כפול הליבה הראשון של אינטל, לא יהיה מעבד כפול ליבה "אמיתי", אלא יכיל שתי ליבות על פיסות סיליקון נפרדות, במארז אחד.

Pentium D ייוצר, לפחות בגירסאות הראשונות, בתהליך 90 ננומטר. הדפסה של שתי הליבות על אותה פרוסת סיליקון תייקר אותו משמעותית. יונה, הגירסה כפולת הליבה הראשונה של פנטיום M, כבר ייוצר ב-65 ננומטר. מעשית, גודלו יהיה זהה כמעט לפנטיום M חד-ליבתי מסוג דותן. אינטל ממתינה כנראה עם מעבדי Xeon כפולי הליבה לתהליך ה-65 ננומטר, והכרזתם צפויה רק בתחילת 2006.

AMD, שרק בימים אלה משלימה את המעבר ל-90 ננומטר, צפויה לפגר אחרי אינטל גם במעבר ל-65 ננומטר. ייצור מעבדים כפולי ליבה בתהליך פחות מתקדם, ושמירה על מחיר תחרותי מול המעבדים המקבילים של אינטל, ישאירו לה מתח רווחים קטן יותר. מצד שני, אלו יהיו המעבדים הראשונים של AMD שיתמכו בריצה מקבילית (לאינטל היה את HT כבר קודם), ולכן ייתכן ששיפור הביצועים אצל AMD יהיה גדול יותר בהשוואה לגירסאות בעלות הליבה הבודדת. אז האם ריבוי הליבות ישחק במבחני הביצועים לטובת AMD או אינטל? את התשובה תספק לנו מן הסתם Toledo, גירסת ה-Dual Core של Athlon 64, שתוכרז כנראה בחודש יוני.

בכתבה הבאה: 65 ננומטר - למה למזער?

קישורים נוספים

• ריבוי ליבות. מאמר ב-Xbit Labs
• מבחנים ראשונים למעבדים כפולי-ליבה