Procesador multinúcleo

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 siglo XX, 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.[9][10]

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:[11]
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

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.[12]

Maximizar el uso de los recursos informáticos proporcionados por los procesadores multinúcleo requiere ajustes tanto en el soporte del sistema operativo (SO) como en el software de aplicación existente. Además, la capacidad de los procesadores multinúcleo para aumentar el rendimiento de las aplicaciones depende del uso de varios subprocesos dentro de las aplicaciones.

La integración de un chip multinúcleo puede reducir los rendimientos de producción de chips. También son más difíciles de administrar térmicamente que los diseños de un solo núcleo de menor densidad. Intel ha contrarrestado parcialmente este primer problema mediante la creación de sus diseños de cuatro núcleos mediante la combinación de dos de doble núcleo en una sola matriz con un caché unificado, por lo tanto, se pueden usar dos matrices de doble núcleo que funcionen, en lugar de producir cuatro núcleos en una sola matriz. un solo troquel y requiere que los cuatro funcionen para producir una CPU de cuatro núcleos. Desde un punto de vista arquitectónico, en última instancia, los diseños de una sola CPU pueden hacer un mejor uso del área de superficie de silicio que los núcleos de procesamiento múltiple, por lo que un compromiso de desarrollo con esta arquitectura puede conllevar el riesgo de obsolescencia. Finalmente, la potencia de procesamiento bruta no es la única restricción en el rendimiento del sistema. Dos núcleos de procesamiento que comparten el mismo bus del sistema y el ancho de banda de la memoria limitan la ventaja de rendimiento en el mundo real. En un informe de 2009, el Dr. Jun Ni mostró que si un solo núcleo está cerca de tener un ancho de banda de memoria limitado, pasar a dos núcleos podría brindar una mejora del 30% al 70%; si el ancho de banda de la memoria no es un problema, se puede esperar una mejora del 90%; sin embargo, la ley de Amdahl hace que esta afirmación sea dudosa.[13] Sería posible que una aplicación que usa dos CPU terminara ejecutándose más rápido en una de un solo núcleo si la comunicación entre las CPU fuera el factor limitante, lo que contaría como una mejora de más del 100%.

La tendencia en el desarrollo de procesadores ha sido hacia un número cada vez mayor de núcleos, ya que los procesadores con cientos o incluso miles de núcleos se vuelven teóricamente posibles.[14] Además, los chips multinúcleo combinados con subprocesos múltiples simultáneos, memoria en chip y núcleos "heterogéneos" (o asimétricos) de propósito especial prometen mayores ganancias de rendimiento y eficiencia, especialmente en el procesamiento de aplicaciones multimedia, de reconocimiento y de redes. Por ejemplo, el núcleo big.LITTLE incluye un núcleo de alto rendimiento (llamado 'big') y un núcleo de bajo consumo (llamado 'LITTLE'). También hay una tendencia hacia la mejora de la eficiencia energética centrándose en el rendimiento por vatio con gestión avanzada de energía de grano fino o ultrafino y escalado dinámico de voltaje y frecuencia (es decir, computadoras portátiles y reproductores multimedia portátiles).

Los chips diseñados desde el principio para una gran cantidad de núcleos (en lugar de haber evolucionado a partir de diseños de un solo núcleo) a veces se denominan diseños de muchos núcleos, lo que enfatiza las diferencias cualitativas.

La composición y el equilibrio de los núcleos en la arquitectura multinúcleo muestran una gran variedad. Algunas arquitecturas usan un diseño de núcleo repetido consistentemente ("homogéneo"), mientras que otras usan una combinación de diferentes núcleos, cada uno optimizado para una función diferente y "heterogénea".

La forma en que se implementan e integran varios núcleos afecta significativamente tanto las habilidades de programación del desarrollador como las expectativas del consumidor sobre las aplicaciones y la interactividad frente al dispositivo.[15] Un dispositivo anunciado como octa-core solo tendrá núcleos independientes si se anuncia como True Octa-core, o un estilo similar, en lugar de ser simplemente dos conjuntos de cuatro núcleos, cada uno con velocidades de reloj fijas.[16][17]

El artículo "Los diseñadores de CPU debaten el futuro multinúcleo" de Rick Merritt, EE Times 2008,[18] incluye estos comentarios:

Chuck Moore [. ..] sugirió que las computadoras deberían ser como teléfonos celulares, utilizando una variedad de núcleos especiales para ejecutar software modular programado por una interfaz de programación de aplicaciones de alto nivel.

[...] Atsushi Hasegawa, un ingeniero jefe sénior en Renesas, generalmente estuvo de acuerdo. Sugirió que el uso del teléfono celular de muchos núcleos especiales trabajando en concierto es un buen modelo para futuros diseños de múltiples núcleos.

[...] Anant Agarwal, fundador y director ejecutivo de la startup Tilera, tomó el punto de vista opuesto. Dijo que los chips de múltiples núcleos deben ser colecciones homogéneas de núcleos de propósito general para mantener el modelo de software simple.

Los proveedores pueden licenciar algún software "por procesador". Esto puede generar ambigüedad, porque un "procesador" puede consistir en un solo núcleo o en una combinación de núcleos.

• Inicialmente, para parte de su software empresarial, Microsoft siguió utilizando un sistema de licencias por socket. Sin embargo, para algunos software como BizTalk Server 2013, SQL Server 2014 y Windows Server 2016, Microsoft ha cambiado a licencias por núcleo.[21]
• Oracle Corporation cuenta una CPU AMD X2 o Intel de doble núcleo como un solo procesador pero usa otras métricas para otros tipos, especialmente para procesadores con más de dos núcleos.[22]

• Adapteva Epiphany, una arquitectura de procesador de muchos núcleos que permite hasta 4096 procesadores en el chip, aunque solo se ha producido comercialmente una versión de 16 núcleos.
• Aeroflex Gaisler LEON3, un SPARC multinúcleo que también existe en una versión tolerante a fallas.
• Ageia PhysX, una unidad de procesamiento de física multinúcleo.
• Ambric Am2045, una matriz de procesador masivamente paralelo (MPPA) de 336 núcleos
• AMD
  • Unidades de procesador acelerado (APU) de la serie A, de dos, tres y cuatro núcleos.
  • Procesadores de escritorio Athlon 64 FX y Athlon 64 X2 de uno y dos núcleos.
  • Procesadores de escritorio Athlon II, dual, triple y quad-core.
  • Procesadores de escritorio de la serie FX, de cuatro, 6 y 8 núcleos.
  • Procesadores Opteron de servidor/estación de trabajo de uno, dos, cuatro, 6, 8, 12 y 16 núcleos.
  • Procesadores Phenom, de dos, tres y cuatro núcleos.
  • Phenom II, procesadores de escritorio de doble, triple, cuádruple y 6 núcleos.
  • Procesadores básicos Sempron de uno, dos y cuatro núcleos.[24]
  • Procesadores para portátiles Turion, de uno y dos núcleos.
  • Ryzen, procesadores de plataforma integrados, móviles y de escritorio de dos, cuatro, 6, 8, 12, 16, 24, 32 y 64 núcleos.
  • Epyc, servidor de cuatro, 8, 12, 16, 24, 32 y 64 núcleos y procesadores integrados.
  • Radeon y FireStream GPU/GPGPU.
• Analog Devices Blackfin BF561, un procesador de doble núcleo simétrico
• ARM MPCore es un contenedor multinúcleo totalmente sintetizable para núcleos de procesador ARM11 MPCore y ARM Cortex-A9 MPCore, diseñado para aplicaciones integradas y de entretenimiento de alto rendimiento.
• ASOCS ModemX, hasta 128 núcleos, aplicaciones inalámbricas.
• Azul Systems
  • Vega 1, un procesador de 24 núcleos, lanzado en 2005.
  • Vega 2, un procesador de 48 núcleos, lanzado en 2006.
  • Vega 3, un procesador de 54 núcleos, lanzado en 2008.
• Broadcom SiByte SB1250, SB1255, SB1455; SoC ARM de cuatro núcleos BCM 2836 (diseñado para Raspberry Pi 2)
• Cadence Design Systems Tensilica Xtensa LX6, disponible en una configuración de doble núcleo en ESP32 de Espressif Systems
• ClearSpeed
  • CSX700, procesador de 192 núcleos, lanzado en 2008 (coma flotante de 32/64 bits; Integer ALU).
• Cradle Technologies CT3400 y CT3600, ambos DSP multinúcleo.
• Cavium Networks Octeon, una MPU MIPS de 32 núcleos.
• Procesador Coherent Logix hx3100, un procesador DSP/GPP de 100 núcleos.
• Procesadores de la serie Freescale Semiconductor QorIQ, hasta 8 núcleos, Power ISA MPU .
• Hewlett-Packard PA-8800 y PA-8900, procesadores PA-RISC de doble núcleo.
• IBM
  • POWER4, un procesador PowerPC de doble núcleo, lanzado en 2001.
  • POWER5, un procesador PowerPC de doble núcleo, lanzado en 2004.
  • POWER6, un procesador PowerPC de doble núcleo, lanzado en 2007.
  • POWER7, un procesador PowerPC de 4,6,8 núcleos, lanzado en 2010.
  • POWER8, un procesador PowerPC de 12 núcleos, lanzado en 2013.
  • POWER9, un procesador PowerPC de 12 o 24 núcleos, lanzado en 2017.
  • Power10, un procesador PowerPC de 15 o 30 núcleos, lanzado en 2021.
  • PowerPC 970 MP, un procesador PowerPC de doble núcleo, utilizado en Apple Power Mac G5 .
  • Xenon, un microprocesador PowerPC de tres núcleos con capacidad SMT que se utiliza en la consola de juegos Microsoft Xbox 360.
  • z10, un procesador z/Architecture de cuatro núcleos, lanzado en 2008.
  • z196, un procesador z/Architecture de cuatro núcleos, lanzado en 2010.
  • zEC12, un procesador z/Architecture de seis núcleos, lanzado en 2012.
  • z13, un procesador z/Architecture de ocho núcleos, lanzado en 2015.
  • z14, un procesador z/Architecture de diez núcleos, lanzado en 2017.
  • z15, un procesador z/Architecture de doce núcleos, lanzado en 2019.
  • Telum, un procesador z/Architecture de ocho núcleos, lanzado en 2021.

• Infineon
  • AURIX
  • Danube, un procesador de puerta de enlace doméstico de doble núcleo basado en MIPS.
• Intel
  • Procesadores Atom, de un solo núcleo, de dos núcleos, de cuatro núcleos, de 8, 12 y 16 núcleos para netbooks, nettops, aplicaciones integradas y dispositivos móviles de Internet (MID).[25]
  • Atom SoC (sistema en un chip), procesadores de un solo núcleo, dos núcleos y cuatro núcleos para teléfonos inteligentes y tabletas.[26]
  • Celeron, el primer procesador de doble núcleo (y, más tarde, de cuatro núcleos) para el mercado económico/de nivel de entrada.[27][28]
  • Core Duo, un procesador de doble núcleo.[29]
  • Core 2 Duo, un procesador de doble núcleo.[30]
  • Core 2 Quad, 2 troqueles de doble núcleo empaquetados en un módulo multichip.[31]
  • Core i3, Core i5, Core i7 y Core i9, una familia de procesadores de dos, cuatro, 6, 8, 10, 12, 14, 16 y 18 núcleos, y el sucesor del Core 2 Duo y Core 2 Quad.[32]
  • Procesadores Itanium, de un solo núcleo, de dos núcleos, de cuatro núcleos y de ocho núcleos.[33]
  • Procesadores Pentium, de uno, dos y cuatro núcleos para el mercado básico.[34]
  • Chip de investigación Teraflops (Polaris), un prototipo de procesador de 80 núcleos a 3,16 GHz, que la empresa declaró originalmente que se lanzaría en 2011.[35]
  • Xeon doble, cuádruple, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 32, 48 -, y procesadores de 56 núcleos.[36][37][38][39][40][41]
  • Procesadores Xeon Phi de 57, 60, 61, 64, 68 y 72 núcleos.[42][43]
• IntellaSys
  • SEAforth 40C18, un procesador de 40 núcleos.[44]
  • SEAforth24, un procesador de 24 núcleos diseñado por Charles H. Moore .
• Kalray
  • MPPA-256, procesador de 256 núcleos, lanzado en 2012 (256 núcleos VLIW utilizables, Network-on-Chip (NoC), FPU compatible con IEEE 754 de 32/64 bits)
• Microsistemas NetLogic
  • XLP, un procesador MIPS64 de cuatro hilos y 32 núcleos.
  • XLR, un procesador MIPS64 de cuatro hilos y ocho núcleos.
  • XLS, un procesador MIPS64 de cuatro hilos y ocho núcleos.
• Nvidia
  • RTX 3090 (10496 núcleos CUDA, núcleos GPGPU;[3] más otros núcleos más especializados).
• Parallax Propeller P8X32, un microcontrolador de ocho núcleos.
• serie picoChip PC200 200–300 núcleos por dispositivo para DSP e inalámbrico.
• Serie HAL de pluralidad estrechamente acoplada de 16 a 256 núcleos, memoria compartida L1, procesador sincronizado por hardware.
• Rapport Kilocore KC256, un microcontrolador de 257 núcleos con un núcleo PowerPC y 256 "elementos de procesamiento" de 8 bits.
• SiCortex El "nodo SiCortex" tiene seis núcleos MIPS64 en un solo chip.
• <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/SiFive" rel="mw:ExtLink" title="SiFive" class="cx-link" data-linkid="513">SiFive</a>
  • U74 incluye 4 núcleos
• Procesador Cell de Sony / IBM / Toshiba, un procesador de nueve núcleos con un núcleo PowerPC de uso general y ocho SPU (Unidad de procesamiento sinérgico) especializadas optimizadas para operaciones vectoriales utilizadas en Sony PlayStation 3 .
• microsistemas de sol
  • MAJC 5200, procesador VLIW de dos núcleos.
  • UltraSPARC IV y UltraSPARC IV+, procesadores de doble núcleo.
  • UltraSPARC T1, un procesador de ocho núcleos y 32 hilos.
  • UltraSPARC T2, un procesador de ocho núcleos y 64 subprocesos simultáneos.
  • UltraSPARC T3, un procesador de dieciséis núcleos y 128 subprocesos simultáneos.
  • SPARC T4, un procesador de ocho núcleos y 64 subprocesos simultáneos.
  • SPARC T5, un procesador de dieciséis núcleos y 128 subprocesos simultáneos.
• Sunway
  • Sunway SW26010, un procesador de 260 núcleos utilizado en Sunway TaihuLight .
• Instrumentos Texas
  • TMS320C80 MVP, un procesador de video multimedia de cinco núcleos.
  • TMS320TMS320C66, DSP de 2,4,8 núcleos.
• Tilera
  • TILE64, un procesador de 32 bits de 64 núcleos.
  • TILE-Gx, un procesador de 72 núcleos y 64 bits.
• XMOS Software Defined Silicon quad-core XS1-G4.

• OpenSPARC

• MIT, procesador RAW de 16 núcleos
• Universidad de California, Davis, matriz asíncrona de procesadores simples (AsAP)
  • 36 núcleos 610MHz lo antes posible
  • 167 núcleos 1.2GHz como AP2
• Universidad de Washington, procesador Wavescalar
• Universidad de Texas, Austin, procesador TRIPS
• Universidad de Linköping, Suecia, procesador ePUMA
• UC Davis, Kilocore, un procesador de 1000 núcleos a 1,78 GHz en un proceso IBM de 32 nm.[45]