पिछला प्रदर्शन लाभ: आवृत्ति दौड़ का अंत, मल्टी-कोर, और प्रगति एक ही स्थान पर क्यों अटक जाती है

KDPV: इंटेल का एक डिमोटिवेटर बनाने का प्रयास :)

लगभग 10 साल पहले, इंटेल ने तेज आवृत्ति और जेहॉक परियोजनाओं को बंद करने की घोषणा की - घड़ी की आवृत्ति बढ़ाने की दिशा में नेटबर्स्ट आर्किटेक्चर (पेंटियम 4) के उत्तराधिकारी। इस घटना ने वास्तव में मल्टी-कोर प्रोसेसर के युग में संक्रमण को चिह्नित किया। आइए यह जानने की कोशिश करें कि इससे क्या हुआ और क्या परिणाम लाए।

इस संक्रमण के साथ क्या हुआ इसके कारणों और सीमा को समझने के लिए, मैं निम्नलिखित ग्राफ पर एक नज़र डालने का सुझाव देता हूं। ट्रांजिस्टर की संख्या, घड़ी की गति, बिजली की खपत और अनुदेश स्तर समानता ( ILP ) को दर्शाता है।


हर कुछ वर्षों में ट्रांजिस्टर की संख्या को दोगुना करना, जिसे मूर के नियम के रूप में जाना जाता है, एकमात्र पैटर्न नहीं है। आप देख सकते हैं कि 2000 तक, घड़ी की आवृत्ति और बिजली की खपत समान कानूनों के अनुसार बढ़ी। दशकों के लिए, मूर का कानून लागू किया गया है, क्योंकि लेन-देन के आकार में कमी और गिरावट हो रही है, एक अन्य कानून के बाद जिसे डेनार्ड के स्केलिंग के रूप में जाना जाता है। इस कानून के अनुसार, आदर्श परिस्थितियों में, एक निरंतर प्रोसेसर क्षेत्र के साथ ट्रांजिस्टर में इस तरह की कमी से बिजली की खपत में वृद्धि की आवश्यकता नहीं होती है।

नतीजतन, अगर 8MHz की आवृत्ति पर पहले 8086 प्रोसेसर ने 2W से कम खपत की, तो 1GHz की आवृत्ति पर संचालित पेंटियम 3 पहले से ही 33W की खपत करता था। यही है, बिजली की खपत 17 गुना बढ़ गई है, और घड़ी की आवृत्ति एक ही समय में 125 गुना बढ़ गई है। ध्यान दें कि इस समय के दौरान उत्पादकता बहुत मजबूत हो गई है, क्योंकि आवृत्ति तुलना एल 1 / एल 2 कैश की उपस्थिति और आउट-ऑफ-ऑर्डर निष्पादन के साथ-साथ सुपरस्कॉलर वास्तुकला और पाइपलाइनिंग के विकास के रूप में ऐसी चीजों को ध्यान में नहीं रखती है। इस समय को सही मायने में स्वर्णिम युग कहा जा सकता है: प्रक्रिया प्रौद्योगिकी को बदलना (ट्रांजिस्टर के आकार को कम करना) एक विचार था जिसने कई दशकों तक उत्पादकता में लगातार वृद्धि सुनिश्चित की।

तकनीकी और स्थापत्य उपलब्धियों के संयोजन ने इस तथ्य को जन्म दिया कि मूर के कानून को 2000 के दशक के मध्य तक निष्पादित किया गया था, जहां मोड़ आया था। 90nm पर, लीकेज करंट को रोकने के लिए ट्रांजिस्टर का गेट बहुत पतला हो जाता है, और बिजली की खपत पहले से ही सभी अनुमानों तक पहुँच चुकी है। मैं 100W तक की बिजली की खपत करता हूं और एक वेल्डिंग मशीन के साथ आधा किलोग्राम तक की वजन वाली शीतलन प्रणाली होती है, लेकिन किसी भी चीज के साथ, लेकिन एक जटिल कंप्यूटिंग डिवाइस के साथ नहीं।

इंटेल और अन्य कंपनियों ने उत्पादकता बढ़ाने और हफ़नियम ऑक्साइड के उपयोग, ट्राई-गेट ट्रांजिस्टर के लिए संक्रमण, आदि जैसे नवीन समाधानों के लिए ऊर्जा की खपत को कम करने के संदर्भ में कुछ बढ़त बना ली है। लेकिन इस तरह के प्रत्येक सुधार केवल एक बार था, और यह भी बारीकी से तुलना नहीं की जा सकती कि ट्रांजिस्टर को कम करके क्या हासिल किया जा सकता है। अगर 2007 से 2011 तक प्रोसेसर घड़ी की गति में 33% की वृद्धि हुई, तो 1994 से 1998 तक यह आंकड़ा 300% था।

मल्टीकोर की ओर मुड़ें

पिछले 8 वर्षों में, इंटेल और एएमडी ने मल्टी-कोर प्रोसेसर पर अपने प्रयासों को उत्पादकता बढ़ाने के समाधान के रूप में केंद्रित किया है। लेकिन यह मानने के कई कारण हैं कि यह दिशा व्यावहारिक रूप से अपने आप समाप्त हो गई है। सबसे पहले, कोर की संख्या में वृद्धि कभी भी प्रदर्शन में एक आदर्श वृद्धि नहीं देती है। किसी भी समानांतर कार्यक्रम का प्रदर्शन कोड के एक हिस्से द्वारा सीमित होता है जिसे समानांतर नहीं किया जा सकता है। इस सीमा को अमदहल के नियम के रूप में जाना जाता है और इसका वर्णन निम्नलिखित ग्राफ में किया गया है।


इसके अलावा, किसी को ऐसे कारणों के बारे में नहीं भूलना चाहिए, उदाहरण के लिए, बड़ी संख्या में कोर को कुशलतापूर्वक लोड करने की कठिनाई, जो तस्वीर को भी खराब करती है।
कम कोर का प्रदर्शन करने वाले अधिक कोर का उपयोग करने का एक अच्छा उदाहरण एएमडी बुलडोजर होगा। इस माइक्रोप्रोसेसर को इस उम्मीद के साथ डिजाइन किया गया था कि एक साझा कैश और लॉजिक चिप क्षेत्र को बचाएगा और अंततः अधिक कोर को समायोजित करेगा। लेकिन अंत में यह पता चला कि सभी कोर का उपयोग करते समय, चिप की बिजली की खपत घड़ी की आवृत्ति में उल्लेखनीय कमी लाती है, और धीमी गति से साझा कैश प्रदर्शन को और भी कम कर देता है। इस तथ्य के बावजूद कि सामान्य तौर पर यह एक अच्छा प्रोसेसर था, कोर की संख्या में वृद्धि भी अपेक्षित प्रदर्शन के करीब नहीं थी। और एएमडी केवल वे ही नहीं हैं जिन्होंने इस समस्या का सामना किया है।

एक और कारण है कि नई गुठली जोड़ना वास्तव में समस्या को हल करने में मदद नहीं करता है आवेदन अनुकूलन। ऐसे कई कार्य नहीं हैं, उदाहरण के लिए, बैंक लेनदेन को संसाधित करना, लगभग किसी भी संख्या में कोर को आसानी से समानांतर किया जा सकता है।

कुछ वैज्ञानिक (अनुनय की बदलती डिग्री के तर्क के साथ) का मानना ​​है कि वास्तविक दुनिया के कार्यों, जैसे कि लोहे में प्राकृतिक समानता है, और यह केवल कंप्यूटिंग और वास्तुकला के समानांतर मॉडल बनाने के लिए बनी हुई है। लेकिन व्यावहारिक कार्यों के लिए उपयोग किए जाने वाले अधिकांश प्रसिद्ध एल्गोरिदम प्रकृति में सुसंगत हैं। उनका समानांतरकरण हमेशा संभव नहीं है, महंगा है और वांछित उच्च परिणाम नहीं देता है। यह विशेष रूप से ध्यान देने योग्य है जब आप कंप्यूटर गेम को देखते हैं। गेम डेवलपर्स, मल्टी-कोर प्रोसेसर के काम को लोड करने की दिशा में प्रगति कर रहे हैं, लेकिन वे इस दिशा में बहुत धीमी गति से आगे बढ़ रहे हैं। ऐसे कई खेल नहीं हैं, जो युद्ध के मैदान के आखिरी हिस्सों की तरह, सभी कोर को काम के साथ लोड कर सकते हैं। और, एक नियम के रूप में, इस तरह के खेल शुरू से ही मुख्य लक्ष्य के रूप में मल्टी-कोर का उपयोग करने की संभावना से बनाए गए थे।
(मैं मानता हूं, मैं युद्धक्षेत्र के बारे में जानकारी की जांच नहीं कर सकता। मेरे पास न तो खेल है, न ही इसे चलाने के लिए कंप्यूटर है। :))

हम कह सकते हैं कि अब इंटेल या एएमडी के लिए, नए कोर को जोड़ना सॉफ्टवेयर डेवलपर्स के लिए उपयोग करने की तुलना में एक सरल कार्य है ।

मानसी के आगमन और सीमाएँ

तकनीकी प्रक्रिया के स्केलिंग के युग के अंत ने इस तथ्य को जन्म दिया कि बड़ी संख्या में कंपनियां विशेष प्रोसेसर कोर के विकास में लगी हुई थीं। यदि पहले, उत्पादकता में तेजी से वृद्धि के युग में, सामान्य-प्रयोजन प्रोसेसर आर्किटेक्चर ने व्यावहारिक रूप से विशिष्ट कॉपोरोसेसरों और विस्तार कार्डों को बाजार से बदल दिया, तो उत्पादकता वृद्धि में मंदी के साथ, विशेष समाधान धीरे-धीरे अपने पदों को हासिल करना शुरू कर दिया।

कई कंपनियों के बयानों के बावजूद, कई तरह के विशेष चिप वाले मूर के नियम का उल्लंघन करते हैं और अर्धचालक उद्योग की वास्तविकताओं के अपवाद नहीं हैं। बिजली की खपत और उनके लिए समानता की सीमाएं प्रासंगिक होने के साथ-साथ किसी भी अन्य प्रोसेसर के लिए भी हैं। वे जो पेशकश करते हैं वह कम सार्वभौमिक, अधिक विशिष्ट वास्तुकला के पक्ष में एक विकल्प है जो कार्यों की एक संकीर्ण सीमा पर बेहतर प्रदर्शन दिखा सकता है। इसके अलावा, ऐसे समाधान ऊर्जा प्रतिबंधों से कम हैं - इंटेल सीपीयू की सीमा 140W है, और एनवीडिया से वीडियो कार्ड के पुराने मॉडल 250W के क्षेत्र में हैं।

इंटेल का एमआईसी (कई एकीकृत कोर) आर्किटेक्चर आंशिक रूप से एक अलग मेमोरी इंटरफेस का लाभ उठाने और एक विशाल अल्ट्रा-समानांतर समानांतर क्रशर बनाने का प्रयास है। इस बीच, AMD, प्रदर्शन पर कम मांग वाले कार्यों के लिए अपने प्रयासों को निर्देशित कर रहा है, GCN (ग्राफिक्स कोर नेक्स्ट) की वास्तुकला विकसित कर रहा है। इस तरह के समाधानों के बाजार खंड के बावजूद, वे आवश्यक रूप से कई कार्यों के लिए विशेष रूप से कॉपीप्रोसेसर प्रदान करते हैं, जिनमें से एक ग्राफिक्स है।

दुर्भाग्य से, यह दृष्टिकोण समस्या का समाधान नहीं करेगा। प्रोसेसर चिप में विशेष इकाइयों का एकीकरण या विस्तार कार्ड पर उनका प्लेसमेंट आपको बिजली की खपत की प्रति वाट उत्पादकता बढ़ाने की अनुमति देता है। लेकिन तथ्य यह है कि ट्रांजिस्टर का आकार कम हो गया और कम हो गया, जबकि उनकी बिजली की खपत और घड़ी की आवृत्ति - नहीं, एक नई अवधारणा के उभरने का कारण बनी - डार्क सिलिकॉन (डार्क सिलिकॉन)। यह शब्द माइक्रोप्रोसेसर के बहुमत को संदर्भित करने के लिए उपयोग किया जाता है जो स्वीकार्य बिजली की खपत के भीतर रहते हुए उपयोग नहीं किया जा सकता है।

मल्टी-कोर उपकरणों के भविष्य में अनुसंधान से पता चलता है कि माइक्रोप्रोसेसर की व्यवस्था कैसे की जाती है और इसकी टोपोलॉजी क्या है, कोर की संख्या में वृद्धि बिजली की खपत से गंभीर रूप से सीमित है। कम उत्पादकता लाभ को देखते हुए, नए कोर के अलावा जरूरत को औचित्य प्रदान करने और प्रक्रिया के आगे सुधार के लिए भुगतान करने के लिए पर्याप्त लाभ प्रदान नहीं करते हैं। और यदि आप समस्या की भयावहता को देखते हैं और कब तक इसका समाधान किया गया है, तो यह स्पष्ट हो जाता है कि इस समस्या का कोई भी कट्टरपंथी या वृद्धिशील समाधान मानक शैक्षणिक या औद्योगिक अनुसंधान से उम्मीद नहीं की जा सकती है।
एक नया विचार खोजना आवश्यक है कि मूर के कानून द्वारा प्रदान की जाने वाली ट्रांजिस्टर की विशाल संख्या का उपयोग कैसे किया जाए। अन्यथा, एक नई तकनीकी प्रक्रिया के विकास का आर्थिक घटक ध्वस्त हो जाएगा, और मूर का कानून अपनी तकनीकी सीमा तक पहुंचने से पहले ही पूरा हो जाएगा।

अगले कुछ वर्षों में, हमें 14nm और 10nm चिप्स देखने की संभावना है। सबसे अधिक संभावना है, 6-8 कोर किसी भी कंप्यूटर उपयोगकर्ता के लिए सामान्य हो जाएंगे, क्वाड-कोर प्रोसेसर लगभग हर जगह घुसना होगा, और हम सीपीयू और जीपीयू के भी करीब एकीकरण देखेंगे।
लेकिन यह स्पष्ट नहीं है कि आगे क्या होगा। पिछले दशकों में हुई वृद्धि की तुलना में उत्पादकता में प्रत्येक क्रमिक सुधार बेहद छोटा प्रतीत होता है। रिसाव धाराओं में वृद्धि के कारण, डेन्नार्ड का कानून लागू नहीं हुआ है, और उत्पादकता में समान रूप से स्थिर वृद्धि प्रदान करने में सक्षम कोई भी नई तकनीक नहीं देखी गई है।

निम्नलिखित भागों में, मैं इस बारे में बात करूंगा कि डेवलपर्स इस समस्या को हल करने की कोशिश कर रहे हैं, उनकी अल्पकालिक और अधिक दूर की योजनाओं के बारे में।