मल्टीकोर और चिप मल्टीप्रोसेसर

एक चिप मल्टीप्रोसेसर एक ही डाई पर कई प्रोसेसर कोर को एकीकृत करता है, जो कैश और एक मेमोरी इंटरफ़ेस साझा करते हैं, ताकि उच्च क्लॉक स्पीड के बजाय थ्रेड-लेवल पैरेललिज्म प्रदर्शन वृद्धि को बढ़ावा दे।

Definition

एक मल्टीकोर प्रोसेसर, या चिप मल्टीप्रोसेसर, एक एकल एकीकृत परिपथ है जिसमें कई स्वतंत्र प्रोसेसर कोर होते हैं जो कुछ ऑन-चिप संसाधनों और एक मेमोरी सिस्टम को साझा करते हैं, जिसे कई थ्रेड्स या प्रोग्राम को समवर्ती रूप से निष्पादित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

Scope

यह विषय मल्टीकोर चिप्स के संगठन को शामिल करता है: कोर की संख्या और विषमता, साझा और निजी कैश पदानुक्रम, ऑन-चिप इंटरकनेक्ट, और कैसे एम्डाहल के नियम के तहत कोर के साथ प्रदर्शन बढ़ता है। यह मल्टीकोर सिस्टम की हार्डवेयर संरचना का वर्णन करता है। इसमें अन्य साझा-मेमोरी विषयों (साझा-मेमोरी-और-सुसंगतता, कैश सुसंगतता प्रोटोकॉल) और सिंगल-कोर इंजन (प्रोसेसर माइक्रोआर्किटेक्चर) के साथ साझा किए गए सुसंगतता और स्थिरता तंत्र शामिल नहीं हैं।

Core questions

• प्रोसेसर एक तेज़ कोर से कई कोर में क्यों चले गए?
• एक चिप पर कोर, कैश और इंटरकनेक्ट कैसे व्यवस्थित होते हैं?
• एम्डाहल का नियम कोर जोड़ने से होने वाली गति वृद्धि को कैसे सीमित करता है?
• समान कोर की तुलना में विषम कोर कब बेहतर होते हैं?

Key concepts

• चिप मल्टीप्रोसेसर
• थ्रेड-लेवल पैरेललिज्म
• साझा बनाम निजी कैश
• ऑन-चिप इंटरकनेक्ट
• कोर गणना और स्केलिंग
• विषम (big.LITTLE) कोर
• एम्डाहल का नियम
• शक्ति और तापीय सीमाएँ

Key theories

मल्टीकोर स्केलिंग के लिए एम्डाहल का नियम

एक वर्कलोड का सीरियल अंश कोर जोड़ने से प्राप्त होने वाली गति वृद्धि को सीमित करता है; यह सीमा बताती है कि कोर की संख्या बढ़ाने से घटते प्रतिफल क्यों मिलते हैं और सीरियल बाधाओं को कम करने और विषम डिज़ाइनों का उपयोग करने के लिए प्रेरित करती है।

Mechanisms

एक मल्टीकोर चिप एक डाई पर कई कोर रखती है, आमतौर पर निजी फर्स्ट-लेवल कैश, एक साझा लास्ट-लेवल कैश, और एक ऑन-चिप नेटवर्क या रिंग के साथ जो उन्हें मेमोरी कंट्रोलर से जोड़ता है। वर्कलोड विभिन्न कोर पर थ्रेड्स चलाकर प्रदर्शन प्राप्त करते हैं। विषम डिज़ाइन बड़े उच्च-प्रदर्शन वाले कोर को छोटे कुशल कोर के साथ जोड़ते हैं, गति और ऊर्जा को संतुलित करने के लिए सबसे उपयुक्त कोर पर काम को शेड्यूल करते हैं।

Clinical relevance

मल्टीकोर आज प्रमुख प्रोसेसर डिज़ाइन है, फोन से लेकर सर्वर तक, क्योंकि आवृत्ति स्केलिंग बिजली की सीमाओं के तहत रुक गई थी। इसके उदय ने प्रदर्शन का बोझ समानांतर सॉफ्टवेयर पर डाल दिया: अनुप्रयोगों को लाभ उठाने के लिए मल्टीथ्रेडेड होना चाहिए, जिससे समवर्तीता एक मुख्यधारा की प्रोग्रामिंग चिंता बन गई और एम्डाहल का नियम वास्तविक प्रणालियों पर एक व्यावहारिक बाधा बन गया।

History

1990 के दशक में स्टैनफोर्ड के हाइड्रा जैसे अनुसंधान चिप मल्टीप्रोसेसरों ने मल्टीकोर युग की भविष्यवाणी की थी। 2004-2005 के आसपास आवृत्ति स्केलिंग के टूटने ने मुख्यधारा के सीपीयू को दोहरे- और फिर कई-कोर डिज़ाइन में धकेल दिया। प्रदर्शन और दक्षता कोर को संयोजित करने वाली विषम वास्तुकला बाद में आम हो गई, खासकर मोबाइल और लैपटॉप प्रोसेसर में।

Debates

अधिक कोर बनाम मजबूत कोर

निश्चित शक्ति और क्षेत्र को देखते हुए, डिजाइनर बहस करते हैं कि क्या कई सरल कोर, कम शक्तिशाली कोर, या एक विषम मिश्रण जोड़ना है; सबसे अच्छा विकल्प इस बात पर निर्भर करता है कि लक्षित वर्कलोड कितने समानांतर हैं, जिसमें एम्डाहल का नियम मजबूत कोर का पक्ष लेता है जब सीरियल अंश महत्वपूर्ण होते हैं।

Key figures

• Gene Amdahl
• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Kunle Olukotun

Seminal works

• hennessy2019
• amdahl1967

Frequently asked questions

कोर की संख्या दोगुनी करने से प्रदर्शन दोगुना क्यों नहीं होता?

एम्डाहल के नियम के अनुसार, प्रोग्राम का कोई भी हिस्सा जिसे क्रमिक रूप से चलना चाहिए, अतिरिक्त कोर के लाभ को सीमित करता है। संचार, सिंक्रनाइज़ेशन और साझा संसाधनों के लिए प्रतिस्पर्धा अतिरिक्त ओवरहेड जोड़ते हैं, इसलिए वास्तविक गति वृद्धि आमतौर पर आदर्श रैखिक स्केलिंग से काफी कम होती है।

विषम (big.LITTLE) कोर क्या हैं?

विषम डिज़ाइन एक ही चिप पर बड़े, उच्च-प्रदर्शन वाले कोर को छोटे, ऊर्जा-कुशल कोर के साथ जोड़ते हैं। सिस्टम बड़े कोर पर मांग वाले काम और छोटे कोर पर हल्के या पृष्ठभूमि वाले काम को शेड्यूल करता है, जिससे चरम प्रदर्शन का त्याग किए बिना ऊर्जा दक्षता में सुधार होता है।