Multicore Mania

Den här artikeln är del 1 i en serie i två delar; del 2 dyker upp fredagen den 16 december.

När du inte kan få en mikroprocessor att gå snabbare, vad gör du? Du kombinerar två eller flera mikroprocessorkärnor, förstås.

Intel och AMD, industrikonkurrenterna, har redan introducerat dubbla kärnor för stationära datorer. Och det är bara början på en trend som kan innebära en viktig förändring för datorer: flerkärnig bearbetning. Båda dessa ledande chiptillverkare hoppas kunna packa fyra kärnor i stationära PC-chips senast 2007. Och Intel-forskare undersöker hur man sätter tiotals eller till och med hundratals av kärnor på ett enda chip.

Både kretstillverkare och PC-tillverkare behöver flerkärniga kretsar av en viktig anledning: de har fått slut på prestandautrymme på befintliga konstruktioner. (I åratal har chiptillverkare lagt till transistorer och höjt klockhastigheterna för att få processorer att köra snabbare. Men klockhastigheterna kan bara ökas så mycket innan ett chip utstrålar för mycket värme inuti PC-höljet.)

Men varför behöver en genomsnittlig PC-användare två, fyra eller åtta kärnor på ett chip? Till att börja med, tänk multitasking. Jag kallar multitasking för den tysta 'killer-appen', säger Shane Rau, programledare för halvledarforskning på marknadsundersökningsföretaget IDC. Idag är alla appar vi använder nickel-och-dimma ihjäl processorn.

De flesta enskilda applikationer fungerar redan bra – på egen hand. Men, som alla Windows-användare vet, kommer att köra flera program samtidigt, till exempel en ordbehandlare, en ljudspelare och ett antivirusprogram, så småningom få det oönskade timglaset att dyka upp. Flerkärnig bearbetning kan avsluta den vänteperioden.

Dessutom, med tanke på dagens ständigt föränderliga säkerhetshot, kommer kraven på multitasking bara att öka, säger branschobservatörer. De flesta kommer att fortsätta använda fler applikationer samtidigt, medan datorer kommer att behöva köra fler säkerhetsprogram i bakgrunden bara för att skydda sig själva.

I synnerhet kan strömmande ljud- och videouppgifter försämra mikroprocessorresurser. Intel tror att flera kärnor kommer att vara mycket bättre på uppgifter som att ladda ner video från en PC till en personlig mediaspelare. Och Intels kommande flerkärniga processorer kör svalare än originalen – vilket kan leda till innovativa bärbara och stationära PC-fodraldesigner. Företagets chip med dubbla kärnor, smeknamnet Yonah, kommer att debutera i början av 2006.

På International Consumer Electronics Show i Las Vegas nästa månad planerar den taiwanesiska PC-tillverkaren AOpen att demonstrera en Yonah-driven maskin ungefär lika stor som Apples Mac mini-stationära dator, som mäter 17 centimeter bred, 17 centimeter djup och 5 centimeter hög. Yonah spelade en stor roll i Apples senaste beslut att köpa Intel-chips, enligt Kevin Krewell, chefredaktör för In-Stat's Mikroprocessorrapport , eftersom Yonah kommer att möjliggöra snabbare Powerbook-datorer.

Första omgångens misstag

Tidiga chip med dubbla kärnor, som Intels Pentium D, fick blandade recensioner – främst för att deras prestandavinster var föga imponerande när de körde programvara designad för traditionella enkärniga processorer. För att verkligen utnyttja kraften hos dual-core eller flerkärniga chips måste programvaruapplikationer skrivas eller skrivas om för att dra fördel av två eller flera kärnor, en process som kallas multithreading.

Programmerare har redan byggt in multithreading i operativsystemen Windows XP, Linux och Mac OS X, så att de kan kasta kraften från en CPU på systembakgrundsuppgifter och den andra CPU:n till till exempel en krävande applikation som att visa video. Å andra sidan har många applikationsleverantörer, inklusive speltillverkare, inte reviderat sina applikationer ännu.

Vi har flertrådsmjukvara i skalbara serverapplikationer idag, men det är sällsyntare i klientapplikationer för stationära datorer, säger Krewell. Adobe har anammat multithreading för programvara för att skapa innehåll, inklusive Adobe Photoshop; men de flesta andra programvaruföretag har inte gjort det än.

Dessutom producerar denna första omgång chips – inklusive AMD:s Athlon 64 X2 Dual-Core och Intels Pentium D – fortfarande mer värme än designers skulle vilja. Det tvingar de dubbla kärnorna att spärra sig själva ibland och köra med mindre än deras potentiella högsta klockhastigheter. Så faktiskt, spelare och andra användare av högintensiva applikationer gör ofta klokt i att använda en PC baserad på ett kraftfullt enkärnigt chip som AMD:s Athlon 64 FX.

En större våg av flertrådade applikationer kommer när Microsofts Windows Vista-operativsystem släpps hösten 2006, säger Rau.

Lika viktigt är att nästa generation av Intel-chips med dubbla kärnor drar mindre ström – och håller dem svala utan att kompromissa. Kodnamnet Conroe för stationära datorer, Merom för bärbara datorer och Woodcrest för servrar, bör dessa chips också debutera hösten 2006.

Åtta är nog?

Multicore-designer kommer att vara den dominerande mikroprocessortrenden för detta decennium och framåt, enligt både Intel och AMD. Till 2007 planerar båda företagen att erbjuda fyrkärniga mikroprocessorer för konsumentdatorer. Och Intel kan introducera åttakärniga chips så snart som 2008, förutspår vissa analytiker.

Du måste tajma introduktionen av hårdvaran med mjukvaran, säger Phil Hester, AMD:s tekniska chef. Att gå till två kärnor är ett ganska bra svar för många appar idag.

När AMD planerar sina framtida chips, inklusive fyrkärniga, måste den balansera chipproduktionskostnader och mjukvarufördelar. Till exempel kan ett chip med tre kärnor och en stor mängd cacheminne ge mer valuta för pengarna än ett fyrkärnigt chip, säger Hester. Det beror på att många applikationer, inklusive krävande sådana som Adobe Photoshop, använder cacheminne för att påskynda uppgifter. Det kan vara mer meningsfullt för oss att spendera på färre kärnor och inkludera mer cache, säger Hester.

En annan möjlighet som kan ge användare av flerkärniga maskiner en stor återbetalning av prestanda är specialiserade kärnor utformade för att utmärka sig vid vissa uppgifter, till exempel grafik, webbsurfning eller säkerhetsuppgifter. Du kanske har en kärna som kör din XML-ström medan en annan gör det vanliga PC-arbetet, säger Hester och nämner att AMD undersöker den här typen av design.

Att passa in fler kärnor i en mikroprocessor är dock bara början på de designutmaningar som hårdvaru- och mjukvaruföretag kommer att ställas inför i multithreading-tiden. Den snabbaste processorn i världen väntar fortfarande om ett systems huvudminne inte kan hålla jämna steg med det. Och detta problem kommer att växa om ett chip har hundratals kärnor.

Kommer imorgon: Vi tittar närmare på hårdvaru- och mjukvaruutmaningarna med flera kärnor. Vilka hinder måste övervinnas innan flerkärnig bearbetning kan uppfylla sitt löfte?

Laurianne McLaughlin är en teknikskribent baserad i Boston-området.

Dölj