Процессоры

Не прошло и два года с момента анонса, как Intel представил второе поколение процессоров Intel Xeon Scalable на новой архитектуре Cascade Lake. Официально — 2 апреля. Сама компания называет это крупнейшим запуском в своей истории, стратегически очень важным для неё. Что ж, давайте разбираться, что в этих новых Scalable такого особенного.

Теперь, когда мы знаем, как работают процессоры на высоком уровне, настало время углубиться в разбор процесса проектирования их внутренних компонентов. Это вторая статья из серии, посвящённой разработке процессоров. Рекомендую изучить для начала первую часть, чтобы вы понимать изложенные ниже концепции.

Часть 1: Основы архитектуры компьютеров (архитектуры наборов команд, кэширование, конвейеры, hyperthreading)
Часть 2: Процесс проектирования ЦП (электрические схемы, транзисторы, логические элементы, синхронизация)
Часть 3: Компонование и физическое производство чипа (VLSI и изготовление кремния)
Часть 4: Современные тенденции и важные будущие направления в архитектуре компьютеров (море ускорителей, трёхмерное интегрирование, FPGA, Near Memory Computing)

Как вы возможно знаете, процессоры и большинство других цифровых устройств состоят из транзисторов. Проще всего воспринимать транзистор как управляемый переключатель с тремя контактами. Когда затвор включён, электрический ток может течь по транзистору. Когда затвор отключён, ток течь не может. Затвор похож на выключатель света в комнате, только он гораздо меньше, быстрее и может управляться электрически.

Существует два основных типа транзисторов, используемых в современных процессорах: pMOS (PМОП) и nMOS (NМОП). nMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор (gate) заряжен или имеет высокое напряжение, а pMOS-транзистор пропускает ток, когда затвор разряжен или имеет низкое напряжение. Сочетая эти типы транзисторов комплементарным образом, мы можем создавать логические элементы КМОП (CMOS). В этой статье мы не будем подробно разбирать особенности работы транзисторов, но коснёмся этого в третьей части серии.

Доброго времени суток.

Довольно давно имелось желание написать эмулятор какого-нибудь процессора.
А что может быть лучше, чем изобрести велосипед?

Имя велосипеду — V16, от склеивания слова Virtual и, собственно, разрядности.

Мы воспринимаем центральный процессор как «мозг» компьютера, но что это значит на самом деле? Что именно происходит внутри миллиардов транзисторов, благодаря которым работает компьютер? В нашей новой мини-серии из четырёх статей мы рассмотрим процесс создания архитектуры компьютерного оборудования и расскажем о принципах его работы.

В этой серии мы расскажем о компьютерной архитектуре, проектировании процессорных плат, VLSI (very-large-scale integration), производстве чипов и тенденциях будущего в области вычислительной техники. Если вам было интересно разобраться в подробностях работы процессоров, то начинать изучение лучше с этой серии статей.

Мы начнём с очень высокоуровневого объяснения того, чем занимается процессор и как строительные блоки соединяются в функционирующую конструкцию. В том числе мы рассмотрим процессорные ядра, иерархию памяти, предсказание ветвлений и другое. Во-первых, нам нужно дать простое определение тому, что делает ЦП. Простейшее объяснение: процессор следует набору инструкций для выполнения определённой операции над множеством входящих данных. Например, это может быть считывание значения из памяти, затем прибавление его к другому значению, и наконец сохранение результата в память по другому адресу. Это может быть и нечто более сложное, например, деление двух чисел, если результат предыдущего вычисления больше нуля.

Программы, например, операционная система или игра, сами по себе являются последовательностями инструкций, которые должен выполнять ЦП. Эти инструкции загружаются из памяти и в простом процессоре выполняются одна за другой, пока программа не завершится. Разработчики программного обеспечения пишут программы на высокоуровневых языках, например, на C++ или на Python, но процессор не может их понимать. Он понимает только единицы и нули, поэтому нам нужно каким-то образом представить код в этом формате.

В этом году мы еще ничего не писали о микро-ПК Intel NUC — но это не значит, что новостей на этом фронте совсем нет. За прошедшие месяцы 2019 выпущено несколько новых моделей, изменены названия во всей линейке и даже анонсирован принципиально новый класс NUC, впрочем, кого-то подозрительно напоминающий… в общем, тем достаточно для обзорного поста. Давайте этим и займемся.

Часть 1 → Часть 2 → Часть 3

Игровые тесты: World of Tanks enCore

Несмотря на то, что World of Tanks сильно отличается от большинства других часто играемых массовых многопользовательских онлайн-игр, он позволяет игроку очутиться в середине 20-го века и под свой контроль целый ряд боевых бронированных машин. World of Tanks (WoT) разрабатывается и издается Wargaming, которые базируются в Беларуси, причем саундтрек к игре в основном написан белорусским композитором Сергеем Хмелевским. Игра предлагает несколько точек входа, включая free-to-play, а также позволяет игрокам платить за получение дополнительных возможностей. Один из самых интересных фактов об этой MMO на базе танков заключается в том, что она достигла статуса eSports, когда дебютировала на World Cyber Games еще в 2012 году.

В семействе Cascade Lake пополнение: вслед за Intel Xeon Scalable второго поколения представлены новые модели серии Xeon W. Напомню, что процессоры с индексом W предназначены для высокопроизводительных рабочих станций — в частности, конкретно эти новинки войдут в состав свежеанонсированного Apple Mac Pro, хотя подойдут и для любого другого компьютера — даже в настенном исполнении.

Часть 1 → Часть 2 → Часть 3

Оборудование для тестирования

В соответствии с нашей политикой тестирования процессора, мы берем материнскую плату премиум-класса, с подходящим сокетом, и оснащаем систему достаточным объемом памяти, работающей на максимальной поддерживаемой производителем частоте. Так же тестирование выполняется, когда возможно, с настройками JEDEC.

Часть 1>> Часть 2 >> Часть 3



Одним из самых популярных процессоров уходящего десятилетия стал Intel Core i7-2600K. Дизайн был революционным, так как он предлагал значительный скачок в производительности и эффективности одноядерного процессора, а сам процессор еще и хорошо поддавался разгону. Следующие несколько поколений процессоров Intel выглядели уже не такими интересными, и часто не давали пользователям повода для апгрейда, поэтому фраза «Я останусь с моим 2600К» стала повсеместной на форумах и звучит даже сегодня. В этом обзоре мы стряхнули пыль с коробки со старыми процессорами и прогнали ветерана через набор бенчмарков 2019 года, как на заводских параметрах, так и в разгоне, чтобы убедиться, что он по-прежнему является чемпионом.

Говорим о двух правилах, которые также начинают терять актуальность.

/ фото Laura Ockel Unsplash

Закон Мура был сформулирован более пятидесяти лет назад. На протяжении всего этого времени он по большей части оставался справедливым. Даже сегодня при переходе от одного техпроцесса к другому плотность транзисторов на кристалле увеличивается примерно в два раза. Но есть проблема — скорость разработки новых техпроцессов замедляется.

В этой статье мы исследуем различные низкоуровневые концепции (компиляция и компоновка, примитивные среды выполнения, ассемблер и многое другое) через призму архитектуры RISC-V и её экосистемы. Я сам веб-разработчик, на работе ничем таким не занимаюсь, но мне это очень интересно, отсюда и родилась статья! Присоединяйтесь ко мне в этом беспорядочном путешествии в глубины низкоуровневого хаоса.

Сначала немного обсудим RISC-V и важность этой архитектуры, настроим цепочку инструментов RISC-V и запустим простую программу C на эмулированном оборудовании RISC-V.

Примерно месяц назад прошел, уже ставший традиционным, семинар от компании СВД Встраиваемые Системы и СВД Софтвер. На семинаре представители отрасли рассказывали о тенденциях развития защищенных ОСРВ семейства КПДА (Нейтрино, Нейтрино-Э, QNX) и инструментальных средств построения автоматизированных систем на базе ЗОСРВ и др. Семинар состоял из трех секций. В общей сложности его посетило около 180 человек. Более подробно о том, что такое ОСРВ «Нейтрино» можно ознакомиться на сайте разработчика и в Википедии.
Помимо семинара была организована небольшая демо зона, где компании, так или иначе соприкасающиеся с ОСРВ семейства КПДА, демонстрировали свои решения. В одном месте были собраны компоненты (процессоры) и оборудование, которые представили, главным образом, российские производители вычислительной техники. Кое-что из этого уже многократно освещалось либо через пресс-релизы, либо на различных информационных порталах, но было и кое-что новое.

Много фото!

После не самого впечатляющего анонса нового i9-9900KS на Computex от Intel, многие могли подумать, что компания окончательно сдала позиции и не привезла ничего впечатляющего в отличие от своего прямого конкурента — компании AMD, которая показала линейку процессоров Ryzen третьего поколения. Но вчера, в рамках все той же выставки Computex, компания Intel провела свою вторую презентацию, на которой продемонстрировала публике новое, десятое поколение своих процессоров с шагом 10 нм и кодовым названием Ice Lake (Sunny cove). Представленные Intel наработки с новым техпроцессом предназначены пока исключительно для мобильного сегмента. Также компания показала и двенадцать новых процессоров для рабочих станций и два для ноутбуков из семейства Intel Xeon.



Ice Lake — прямой наследник процессоров Whiskey Lake для мобильных устройств. Основные черты эти процессоров: низкое энергопотребление, малые значения TDP и небольшое, по современным меркам, количество ядер.

Точный модельный ряд презентован не был, но по информации Intel все процессоры Ice Lake будут иметь тепловыделение на уровне от 9, 15 или 28 Вт, обновленное графическое ядро для данного семейства CPU, а также специальный выделенный логический блок Gaussian Neural Accelerator и поддержку векторных целочисленных инструкций DL Boost (Deep Learning Boost) для машинного обучения.

Пока Intel с серьезным выражением лица презентует потребителям оверклокнутый 9900K на 14 нм под видом нового процессора, компания AMD показывает настоящие новинки для пользовательского сегмента. Так, два дня назад, на выставке Computex, общественности были представлены новые процессоры Ryzen трехтысячной серии.



В отличие от конкурентов по цеху, которые стыдливо жуют клей и до сих пор стараются выжать все соки из технологии на базе 14 нм, что выражается в «революционном» приросте в 300 MHz частоты на ядро, AMD «шагают» крайне широко. Вот короткий список вкусных новинок, которые получат потребители с новыми трехтысячными Ryzen на базе Zen 2:

• 7 нм;
• PCI-e 4.0;
• новый чипсет X570;
• обратная совместимость со старыми материнскими платами АM4;
• два «холодных» процессора с TDP 65 Вт для любителей тишины;
• крайне адекватная стоимость.

И все это в продаже уже с 07.07.2019 года. А теперь давайте расскажем подробнее.

Вчера компания Intel представила публике свой новый восьмиядерный процессор (16 потоков) i9-9900KS с тактовой частотой в 5,0 GHz на каждое ядро в режиме Turbo. Режим Turbo в процессорах Intel — это система, которая автоматически поднимает тактовую частоту ядер при увеличении нагрузки на процессор и не является оверклокингом. Базовая частота нового 9900KS составит 4,0 GHz на ядро.



Хотя и цифры базовой и Turbo-частот впечатляют, дела Intel сложно назвать хорошими. Новый i9-9900KS — фактически модификация уже всем привычного i9-9900K — в чем признаются и сами инженеры компании. Новый 9900KS использует практически ту же компоновку и техпроцесс в 14 нм, что и 9900K, а увеличения частоты инженеры смогли добиться благодаря «ряду доработок». Также не было внесено изменений и во встроенную графику: i9-9900KS будет оснащаться тем же Intel UHD 630, что и предшественник.

Фото — Pexels — CC BY

По данным PWC, рынок полупроводниковых технологий растет — в прошлом году он достиг планки в 481 млрд долларов. Но темпы его роста в последнее время снизились. Среди причин спада — запутанность процессов проектирования устройств и недостаток автоматизации.

Несколько месяцев назад меня вдруг поразила мысль, что я понятия не имею о принципах работы компьютерного железа. Я до сих пор не знаю, как работают современные компьютеры.

Я прочитал книгу «Но откуда он знает?» Кларка Скотта с детальным описанием простого 8-битного компьютера: начиная с логических вентилей, ОЗУ, транзисторов процессора, заканчивая арифметико-логическим устройством и операциями ввода-вывода. И мне захотелось реализовать всё это в коде.

Хотя я не настолько интересуюсь физикой микросхем, но книга просто скользит по волнам и красиво объясняет электросхемы и как биты перемещаются по системе — от читателя не требуется знание электротехники. Но мне недостаточно текстового описания. Я должен видеть вещи в действии и учиться на своих неизбежных ошибках. Так я начал реализацию схем в коде. Путь оказался тернист, но поучителен.

У вас бывает такой сон: вы оказываетесь на экзамене или выступаете перед некоторой аудиторией, и вдруг осознаете, что вы вообще не готовились и сейчас прийдется импровизировать. Именно в такой ситуации, но не во сне, а в реале, я оказался перед майскими праздниками в Москве, куда прилетел из Калифорнии, чтобы провести трехдневный семинар для тщательно отобранных школьников ведущих московских физматшкол. Под эгидой РОСНАНО, в гимназии РУТ (МИИТ) и в присутствии преподавателей из МИЭТ, МИРЭА, МИФИ, МЭИ и ВШЭ МИЭМ.

Московские коллеги на меня понадеялись, и теоретически я должен был бы привезти с собой пошаговые инструкции и примеры разнообразных упражнений на плате с микросхемой реконфигурируемой логики. Реально у меня была куча каких-то примеров для других плат, из которых я в суматохе перелетов и других мероприятий ничего не построил.

Поэтому я взял некий универсальный пример, который написал полтора года назад, сидя в самолете Алма-Ата — Астана, выкинул из примера все внутренности и начал со школьниками его наполнять, без жесткого плана чем. И как ни странно — это получилось. В процессе наполнения возникли поучительные моменты цифровой схемотехники и языка описания аппаратуры Verilog, которые при планировании бы не возникли.

4 июня я с коллегами по Wave Computing провожу похожий семинар в Лас-Вегасе, но только для взрослых, а 8-19 июля помогаю МИЭТ провести летнюю школу в Зеленограде. Планы этих мероприятий (не окончательные, а для обсуждения в группе преподавателей и инженеров, в том числе здесь, на Хабре) — в конце поста.

Рассказываем о предпосылках и приводим мнения экспертов.

/ фото IBM Research CC BY-ND

Зачем нужен гелий в квантовых компьютерах

Прежде чем перейти к рассказу о ситуации с нехваткой гелия, поговорим о том, зачем вообще квантовым компьютерам нужен гелий.

Квантовые машины оперируют кубитами. Они, в отличие от классических битов, могут находиться в состояниях 0 и 1 одновременно — в суперпозиции. В вычислительной системе возникает явление квантового параллелизма, когда операции производятся одновременно с нулем и единицей. Эта особенность позволяет машинам на основе кубитов решать некоторые задачи быстрее классических компьютеров — например, моделировать молекулярные и химические реакции.

Часть 1 >> Часть 2

Тест накопителей AnandTech — The Destroyer

The Destroyer — это чрезвычайно долгий тест, который реплицирует шаблоны доступа приложений с большим объемом ввода-вывода. Как при использовании в реальных условиях, накопители получают время от времени небольшой перерыв, который позволяет использовать фоновые сборки мусора и очистки кешей, но эти простои ограничены 25 мс, так что не нужно тратить всю неделю для проведения одного теста. Тесты AnandTech Storage Bench (ATSB) не включают в себя запуск реальных приложений, которые генерировали рабочие нагрузки, поэтому оценки мало чувствительны к изменениям производительности ЦП и ОЗУ нашего нового тестового стенда, но переход на более новую версию Windows и свежие драйвера могут оказать заметное влияние.



Мы оцениваем результаты этого теста, сообщая о средней пропускной способности диска, средней задержке операций ввода-вывода и общей энергии, потребляемой приводом во время теста.