Los Procesadores Multinucleos

Los procesadores multi-nucleo son un procesador que contiene dentro de su empaque a varios núcleos o cerebros. La mayoría de los procesadores son mono-núcleo. Mientras un procesador mono-núcleo tiene un solo cerebro para ejecutar procesos, un procesador multi-nucleo puede repartir los procesos entre sus varios cerebros para su posterior ejecución.

Es como cuando a una persona le dan muchos trabajos por hacer, si otro lo ayuda entre los dos pueden dividirse el trabajo y terminar más rápido. Si a los dos les toca hacer un solo trabajo, si este es divisible, entonces los dos lo harán mas rápido. Pero si el trabajo no es divisible, entonces en ese caso uno solo lo haría.

Por eso las aplicaciones que sacan más provecho de estos procesadores multi-nucleo son aquellas que pueden generar muchos hilos de ejecución(thread) como las aplicaciones de audio/video, calculo científico, juegos, tratamientos de gráficos en 3D, etc.

Pero de todas maneras siempre hay aplicaciones que no se dividen en hilos de ejecución, que no aprovechan por completo estos procesadores. Pero estos procesadores pueden ejecutar varias de estas aplicaciones al mismo tiempo.

Solo cuando uno ejecute una sola aplicación que no sea paralelizadle (no se pueda descomponer en hilos) es cuando no se aprovecha el potencial de procesamiento que tiene estos procesadores.

Los procesadores multinucleo se basaron en los sistemas distribuidos, la computación paralela, y las tecnologías como el Hyperthreading; que mostraba como dividir el trabajo entre varias unidades de ejecución.

Procesamiento en Paralelo: El procesamiento en paralelo es la división de una aplicación en varias partes para que sean ejecutadas a la vez por diferentes unidades de ejecución. El procesamiento en paralelo se utiliza en Computación Paralela y en Computación Distribuida.

HyperThreading: Esta tecnología fue creada por Intel, para los procesadores Pentium4 más avanzados. El HiperThreading hace que el procesador funcione como si fueran 2 procesadores. Esto fue hecho para que tenga la posibilidad de trabajar de forma multihilo(multithread) real, es decir pueda ejecutar muchos hilos simultáneamente. Un procesador con la tecnología HiperThreading tiene un 5% más de transistores que el mismo procesador sin esa tecnología. Los 2 procesadores lógicos, que posee un procesador con hyperthreading, tienen su propio estado de la arquitectura: registros de control, registros de datos, registros de depuración, etc. Y el APIC(Controlador Avanzado de Interrupción Programable). Los dos procesadores lógicos comparten la memoria cache, la interfaz de bus del sistema, etc.

1. Ejemplos de procesadores multinúcleo

Se verá un resumen de los principales procesadores multinúcleo de la actualidad. Se comienza por Intel, mostrando los procesadores multinúcleo que ha sacado al mercado, luego viene AMD, y por último se muestra al nuevo procesador Cell, que próximamente va a salir en la PlayStation 3.

Procesadores Multinúcleo de Intel

Actualmente Intel está fabricando procesadores de doble núcleo. Comenzó fabricando los Pentium D en el 2005, luego en el 2006 lanzó los Core Duo y el Core 2 Duo.

Pentium D

Los Pentium D están conformados por dos procesadores Pentium 4 Prescott sin Hyperthreading. Luego Intel sacó el Pentium Extreme Edition (No confundir con el Pentium 4 Extreme Edition) que era un procesador que tenía los procesadores P4 Prescott, con la tecnología Hyperthreading, lo que hacía que el software viera cuatro procesadores.

Las características de los Pentium D son:

- Proceso de fabricación de 90nm

- Tienen la tecnología EM64T, que permite trabajar con 64 bits de forma nativa

- Utilizan núcleos SmithField (basados en los Prescott), cada uno de ellos tiene una memoria caché L2 de 1MB

- Van desde 2.80GHz, del modelo menos potente, hasta 3.20GHz para el modelo más potente.

El procesador que contiene dos núcleos Prescott se llama Smithfield. Los nuevos procesadores de doble núcleo Pentium D se llaman Presler, están construidos con tecnología de fabricación de 65nm y van desde 2.8 hasta 3.73Ghz. Tienen una caché L2 por cada núcleo de 2MB (4MB en total).

Core Duo

Los procesadores Core Duo es una versión para los portátiles, implementa 2MB de caché de memoria compartida para ambos núcleos. Están hechos con la tecnología de 65nm. Su velocidad va desde 1.20 hasta 2.33Ghz. El FSB (bus del sistema) va desde 533Mhz del modelo menos potente hasta 667Mhz para los demás. El gasto de energía va desde 9.0w hasta 31w. Por los datos se ve que tienen una gran relación rendimiento/energía.

Core 2 Duo

Esta nueva familia de procesadores de Intel está basado en la micro arquitectura Core, que reemplaza a la antigua micro arquitectura Netburst que fue aplicada en los demás procesadores y que ya estaba llegando a sus límites.

La arquitectura Core proviene de la arquitectura que produjo al Pentium M (utilizado por los Intel Centrino), que destaca por el gran rendimiento que obtiene de la poca energía que gasta. El Pentium M además proviene del Pentium III, y este del Pentium Pro (Los Pentium 4 son una rama genealógica aparte).

Las subfamilias del Core 2 Duo son:

Merom, para portátiles.

Conroe, para equipos de sobremesa.

WoodCrest, para servidores.

Los Core 2 Duo, recién han salido en julio del 2006. Además de la versión normal, hay una versión extrema. No se tienen todos los datos disponibles, pero ya se han probado algunos de ellos.

Los Core 2 Duo que han sido probados, por la mayoría de testeadores, son el Core 2 Extreme X6800, el Core 2 Duo E6700 y el E6600. En las pruebas estos procesadores demuestran tener más rendimiento que el más poderoso procesador del AMD, el AMD FX-62. Los más fuertes (X6800 y E6700) vencen en casi todo al FX-62, en algunas pruebas por un margen considerable y el tercero (E6600) está muy cerca.

Procesadores Multinúcleo de AMD

Antes de sacar sus procesadores multinúcleo al mercado, AMD ya había conseguido un gran éxito con su procesador Athlon 64, que incorporaba la capacidad de direccional 64 bits de memoria, la tecnología HyperTransport que era un nuevo bus bastante rápido que eliminaba cuellos de botella anteriores, y otras tecnologías; este procesador fue tomado como base para la construcción de su procesador de doble núcleo Athlon 64 X2, que salió al mercado a partir del 2005.

Para Servidores, AMD sacó el procesador Opteron X2, que se basaba también en el Opteron de un solo núcleo, el hermano mayor de los Athlon 64.

Para Portátiles AMD ha sacado el Turion X2, que lleva el poder de los procesadores de doble núcleo al campo de los móviles.

AMD fue el primero en sacar la tecnología de 64 bits, y también fue la primera en sacar los procesadores de doble núcleo para servidores, portátiles y computadoras de escritorio. Han tenido un gran éxito, pero con la aparición de los Core 2 Duo de Intel, basados en su exitoso Pentium M Centrino, la iniciativa vuelve a las manos de Intel en todos los frentes. Hay que esperar a que AMD saque sus nuevos procesadores K8L, de 4 núcleos y con tecnologías mejoradas, como el HyperTransport 3 y una caché L3.

Procesador CELL

El procesador Cell, es un procesador multi-núcleo diseñado por las empresas IBM, Sony y Toshiba desde el marzo del 2001. Este procesador va a ser usado inicialmente por la PlayStation 3, pero se tiene previsto usarlo también en los productos electrónicos que fabrican estas empresas, que van desde televisores de alta definición hasta ordenadores.

Los componentes del procesador son:

• 1 Power Processor Element (PPE).

• 8 Synergistic Processor Elements (SPEs).

• Bus de Interconexión de los Elementos (EIB).

• Controlador de Acceso Directo a Memoria (DMAC).

• 2 Controladores de Memoria Rambus XDR.

• Una interfaz Rambus FlexIO (Input / Output).

El PPE es el núcleo principal, este se encarga de coordinar el trabajo de todos los demás núcleos (SPEs), mediante la tecnología SMT (Simoultaneous Multi-Threading). El PPC toma el control del sistema operativo y deja a los SPEs el trabajo de los demás procesos.

EL PPE está basado en la arquitectura PowerPC de 64 bits, tiene 32 KB de caché L1 y 512 KB de caché L2, tiene también tecnología de doble hilo y puede ejecutar dos instrucciones por hilo. Este procesador esta hecho como los RISC clásicos, o sea no es como los PowerPC tradicionales, por eso no tiene implementado la predicción de saltos, y la ejecución de instrucciones es en orden; lo que ahorra una cantidad considerable de transistores, pasando todo ese trabajo al compilador.

Los SPE son los procesadores auxiliares, son unidades de cálculo vectorial. Pueden ejecutar hasta dos instrucciones por ciclo. Cada SPE tiene 128 registros de 128 bits cada uno, 4 unidades de coma flotante, 4 unidades aritméticas enteras y una memoria local de 256 KB (esta memoria es SRAM como las memorias caché, pero no es una de ellas). Al no utilizar memoria caché, se simplifica el diseño del SPE. Los SPEs tienen memoria local para tomar los datos que requieren más rápidamente.

El bus de interconexión de elementos, EIB, está compuesto por 4 canales de datos de 128 bits, permite la comunicación entre todos los elementos del procesador, permite también cargar y mover 16GB de datos por segundo hacia y fuera del Cell respectivamente. Para mantener lleno este ancho de banda, el procesador Cell utiliza en sus controladores de I/O y la memoria las tecnologías

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