Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора (НАЗНАЧЕНИЕ, ФУНКЦИИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ).pdf

Рейтинг лучших процессоров для ПК 2017 года Intel Core i7-990x. Идеален для игрового ПК последнего поколения. Устройство предназначено для разъема 1366, оснащено 6 ядрами, имеет частоту в 3,46 гГц и 12 мегабайтами кэш-памяти. Примерная стоимость: 38 000 р. Intel Core i7-3970X Extreme Edition. Одна из самых популярных моделей. Оснащена 6 ядрами, имеет 15 Мб кэш-памяти и 3,5 гГц тактовой частоты. Отлично работает с любыми новыми требовательными играми и программами. Примерная стоимость: 46 000 р. Intel Core i5-4690K. Недорогая модель покажет прекрасные результаты в плане быстродействия. Если сравнить i5-4690K с другими устройствами, оно выгодно выделяется благодаря соотношению цены/качества.

Процессор оснащен кэш-памятью третьего уровня, имеет 3,5 гГц тактовой частоты и 4 ядра. Примерная стоимость: 22 000 р. AMD FX-9370. Самый мощный процессор AMD имеет новый сокет АМ3+ и 8 ядер, развивающих максимальную частоту до 4,4 гГц. Модель оборудована 8 Мб кэш-памяти, что позволяет улучшить работу ПК и использовать любые программы, игры. Примерная стоимость: 20-22 000 р. Intel Xeon E3-1230 v3.

Таблица 2 - Сводная таблица производительности процессоров:

Четырехъядерное устройство относится к четвертому поколению процессоров от Интел. Оно оснащено сокетом типа 1150, который считается лучшим среди существующих. Тактовая частота Xeon E3-1230 v3 – 3,3гГц, объем памяти кэш равен 8 Мб. Примерная стоимость: 22 000 р. Таблица тестов процессоров 2015 года Чтобы понять, как выбрать процессор для компьютера, следует ознакомиться с результатами их тестирования.

Устройства проходят испытания на базе ОС Windows 7 (64-bit). Для этого подбираются определенные программы, чтобы раскрыть потенциал многопоточности, определить, есть ли поддержка технологий AMD Turbo CORE (динамического разгона) и Intel Turbo Boost Technology, возможно ли использовать новые SIMD. Результаты испытания выражаются в процентах от производительности самого быстрого среди существующих устройств, имеющего 100% результат.

ГЛАВА 2 ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОЦЕССОРОВ

2.1 Использование многоядерных процессоров современных персональных компьютеров для распараллеливания задач дискретной оптимизации

В настоящее время используемые на предприятиях персональные компьютеры [1] включают в себя процессоры с двумя и более ядрами, а также оперативную память емкостью от 2 Гбайт и выше, подключенную к процессору по двум независимым каналам.

На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема современного компьютера на базе многоядерного процессора Intel Core-ix 2-го поколения с двумя каналами для подключения модулей оперативной памяти, и отдельным интерфейсом для подключения графического адаптера.

Процессор по системной шине также подключается к контроллеру системной платы, к которому подключаются все периферийные устройства: адаптеры, шины ввода-вывода, дисковые контроллеры.

Процессор содержит в себе несколько ядер, каждое из которых содержит независимые регистры общего назначения, декодеры и конвейеры команд, блоки управления, арифметикологические устройства, регистры и блоки для операций с плавающей запятой. Также процессор содержит регистры и блоки для выполнения векторных операций (набор команд SSE - Streaming SIMD Extensions, SIMD - Single Instruction Multiple Data) [2].

Рис. 1. Структурная схема современного персонального компьютера

Кроме того, каждое ядро имеет кэш-память первого уровня (L1) для команд и данных, а также кэш-память второго уровня (L2) для данных. Также имеется кэш-память 3-го уровня общая для всех ядер. Наконец, процессор также имеет двухканальный контроллер для оперативной памяти, контроллер системной шины и интерфейс для графического адаптера.

На рис. 2 представлена упрощенная структурная схема современного процессора Intel Core-ix 2-го поколения. В то же время мониторинг загрузки процессоров пользовательских компьютеров предприятий показывает, что вычислительные ресурсы часто используются неэффективно и попросту большую часть времени простаивают.

Рис. 2. Структурная схема процессора Intel Core-ix 2-го поколения.

С другой стороны на предприятии всегда имеется множество проблем логистики, сводящихся к задачам принятия решений [3], которые зачастую носят дискретный характер и для их решения применяются различные методы комбинаторного перебора вариантов решений [4].

Нетрудно заметить, что на многоядерном процессоре можно организовать одновременный комбинаторный поиск в различных областях большого многомерного поискового пространства.

Рис. 3. Пример разбиения поискового процесса на 4-ядерном процессоре

На рис. 3 приведен пример организации поискового процесса на 4-ядерном процессоре с разбиением некоторого поискового пространства для некоторой задачи оптимизации на 8 областей различного размера.

Рис. 4. Временные диаграммы работы отдельных ядер процессора

На рис. 4 приводятся временные диаграммы выполнения различных блоков поискового процесса на различных ядрах процессора.

В рамках научных исследований автором были разработаны модели параллельных вычислений на многоядерных процессорах, разработан алгоритм распараллеливания, и проведено экспериментальное исследование по оценке ускорения задач поиска решений на примере решения задач распределения вычислительных ресурсов [5, 6, 7] с разбиением на подзадачи псевдобулевой оптимизации.

Результаты исследований показало ускорение решения задач до 3,5 раз за счет распараллеливания на 4-ядерном процессоре процесса решения задач псевдобулевой оптимизации.

2.2 Процессоры в супер компьютерах

Термин «суперкомпьютер» существует так же долго, как и само представление о компьютере. Но само понятие вошло в использование только в 1975 г., когда Сеймур Крей построил аппарат Cray-1. Современный персональный компьютер раз в 500 превосходит по быстродействию Cray-1. Приставка «супер» за это время устранилась, и сейчас многие избегают понятия «суперкомпьютер». На сегодняшний момент суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью, предназначающиеся для высокопроизводительных вычислений.

Фирма CrayResearch в 2000 г. создала супер-ЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1 000000 MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной техноло-гии на одном микропроцессоре невозможно, т.к. есть ограничение, обусловленное конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВС имеют несколько разновидностей:

Магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком данных (МКОД или MISD- MultiplelnstructionSingleData);

Векторные МПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными - однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD-

SingleInstructionMultipleData).

Матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных - многократный поток команд с многократным потоком данных.

Условные структуры однопроцессорной и многопроцессорных вычислительных систем показаны на рис. 1.

В супер-ЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

Структура MIMD в классическом ее варианте (например, в супер ЭВМ BSPфирмы Burroughs);

Параллельно-конвейерная модификация, иначе говоря, MMISD, т.е. многопроцессорная MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);

Параллельно-векторная модификация, или MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

Рис.5 а - SISD (однопроцессорная); б - MISD (конвейерная); в - SIMD (векторная); г - MIMD (матричная)

Самую большую эффективность показала архитектура MSIMD, поэтому в современных суперкомпьютерах используется именно эта архитектура (например, в суперкомпьютерах фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachrn др.)

Характеристики производительности Супер-ЭВМ: за 50 лет производительность компьютеров выросла более, чем в 700 000 000 раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз.[1]

Для каких же целей нужна столь дорогостоящая и сверхмощная техника? Классической областью применения супер-ЭВМ всегда были научные исследования. То есть это те сферы, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка огромного количества данных в реальном времени, или где решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений большого количества исходных параметров.

Сначала супер-ЭВМ применялись только для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Позже, по ходу совершенствования математического аппарата численного моделирования и развития знаний в других сферах науки, супер-ЭВМ стали применяться и в обычных расчётах, основывая и создавая новые научные дисциплины, например, численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и т. п.

Суперкомпьютеры используются учеными при решении задач квантовой физики и механики.

В военной промышленности с помощью суперкомпьютеров разрабатывают новые тактические и стратегические позиции. Супер-ЭВМ помогают осуществлять различные исследования по повышению эффективности готовой боевой техники и по ее модернизации. Также с помощью них разрабатываются новейшие виды оружия и средств защиты.

Исследование ядерных процессов, моделирование цепной реакции и ядерного взрыва дают ученым богатый материал для исследования этих удивительных, но опасных явлений.

Изучение молекулярной структуры белка помогает сделать немало важных и ценных для человечества открытий, определить причины и механизмы генетически обусловленных заболеваний. Такая работа под силу только суперкомпьютерам.

Виртуальные модели кровеносной системы человека исследуются врачами и биологами для того, чтобы получить эффективные способы борьбы с заболеваниями сердца и сосудов.

Но эти мощные вычислительные машины нужны не только для проведения серьезных научных исследований, результаты которых принесут человечеству плоды только в будущем. Прикладное применение суперкомпьютеров можно обнаружить во многих сферах нашей жизни.

Применение супер-ЭВМ в биологии и медицине.

Современные медицинские исследования, новейшие разработки и научные открытия стали возможны именно благодаря супер-ЭВМ, которые позволяют проводить своевременную диагностику, с большим процентом вероятности прогнозировать ход болезни и реакцию организма на лечение. Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, происходящие в жизненно важных органах для того, чтобы понять основной принцип их работы и эффективно бороться с патологиями.

В биологии суперкомпьютеры, микрочипы и электронные микроскопы используются для изучения процессов, которые происходят на клеточном уровне. Это дает большие возможности для серьезнейших научных открытий, способных изменить современную науку.

В медицине и биологии суперкомпьютеры больше нужны именно для исследовательской работы, хотя, некоторые крупные клиники могут позволить себе использовать такие машины и для решения прикладных задач: диагностики и лечения.

Применение суперкомпьютеров в космическом пространстве.

Помощь суперкомпьютеров нужна не только для фиксирования данных на борту космических станций и обеспечения эффективности работы этих грандиозных сооружений.

Эта мощнейшая техника позволяет проектировать новые орбитальные и межпланетные станции, выстраивать данные оптимальной траектории движения станций, изучать процессы, которые влияют на геомагнитный фон Земли, отслеживать и предугадывать всплески солнечной активности и выявлять их закономерности.