• Thứ Năm, 02/12/2004 15:01 (GMT+7)

    Bộ xử lý đa nhân

    Sau khi IBM giới thiệu chip 2 nhân đầu tiên vào năm 2001, bộ xử lý đa nhân bắt đầu được nhiều hãng chú ý. Các nhà sản xuất chip dự đoán trong vòng 2 năm nữa, hầu hết các chip xử lý dùng cho máy tính sẽ phát triển lên kiến trúc đa nhân.


    Kể từ năm 2001, sau khi IBM giới thiệu chip 2 nhân đầu tiên là Power4 cho các dòng máy chủ eServer, pSeries và iSeries, BXL đa nhân bắt đầu được nhiều hãng chú ý đến. Đầu năm nay, Sun đưa ra BXL UltraSparc IV cũng với 2 nhân cho các máy chủ dòng Sun Fire V và HP cũng đưa ra BXL 2 nhân là PA-RISC 8800 và hiện Sun đang thực hiện chip đa nhân Niagara 90nm (8 nhân) và sẽ tung ra vào năm 2006, hỗ trợ HĐH Solaris. Giữa năm nay, AMD đã đem đến BXL 2 nhân cho máy chủ là Opteron 64-bit trên nền kiến trúc x86.

    Trở lại năm 1971, khi Intel giới thiệu chip BXL đầu tiên là 4004, BXL 4-bit có tốc độ xung nhịp rất khiêm tốn ở 104KHz. 35 năm sau, cứ sau 18 tháng, tốc độ xung nhịp và tốc độ xử lý đều tăng lên gấp đôi. Tuy nhiên, ngày nay, tốc độ tăng trưởng kiểu như vậy thật khó đạt được. Các nhà thiết kế chip phải dùng nhiều kỹ thuật và cách tiếp cận khác để đem lại hiệu năng cao hơn cho BXL. Một trong số đó là tạo ra băng thông rộng hơn trong một chip BXL mà không phải tăng tốc độ xung nhịp. Những kỹ thuật này có thể kể đến như xử lý đa luồng, tận dụng bộ nhớ cache... Nhưng hiện nay, cách thức được cho là hứa hẹn nhất là đặt thêm nhiều nhân xử lý lên một chip.

    Vậy BXL 2 nhân mang lại lợi ích gì cho các hệ thống tính toán? Các nhà sản xuất chip dự đoán trong vòng 2 năm nữa, hầu hết các chip BXL trên nền máy tính để bàn trở lên đều sẽ phát triển lên kiến trúc đa nhân. Lý giải cho điều này là chip 2 nhân có thể cho tốc độ tính toán nhanh gấp đôi so với chip nhân đơn và chi phí thấp hơn nhiều so với việc mua 2 chip nhân đơn. Việc lưu chuyển dữ liệu giữa 2 BXL sẽ nhanh hơn nếu 2 BXL nằm cùng trên một chip và khả năng chia sẻ bộ nhớ cache cũng sẽ hiệu quả hơn. Bên cạnh đó, chip 2 nhân ít chiếm không gian, tiêu thụ điện năng ít nên tỏa ít nhiệt hơn so với dùng 2 chip nhân đơn.

    Trước đây, Intel đã không "mặn mà" với xu hướng này. Tuy nhiên, chỉ sau đó vài tháng, nhà khổng lồ này cũng cùng lao vào "mặt trận" BXL đa nhân và xem đây là xu hướng phát triển tất yếu của BXL song song với việc nghiên cứu để thu nhỏ kích thước transistor, giảm mức tiêu thụ điện năng cho BXL nhằm tăng cường khả năng xử lý.

    Hướng mà Intel nhắm đến cho BXL 2 nhân của họ là gì, đó là khả năng tính toán song song (parallelism). Thực chất người dùng khi mở máy tính lên, họ không phải chạy một chương trình duy nhất. Với BXL 2 nhân, hệ thống có thể chạy trơn tru nhiều chương trình cùng lúc, tiết kiệm được thời gian cho người dùng, tăng năng suất làm việc...

    Và đến nay, Intel vạch ra cho mình một lộ trình phát triển BXL khá chỉnh chu. Hãng sẽ giới thiệu BXL 2 nhân từ cuối năm 2005 và năm 2006 cho máy chủ, sau nữa là BXL đa nhân trên công nghệ 65nm. Dự tính khoảng năm 2011, BXL của sẽ được chế tạo trên công nghệ 10nm với vật liệu chế tạo hoàn toàn thay đổi. Còn trước mắt, BXL 2 nhân của Intel sẽ đi đến đâu trong khi các đại gia khác đều đã có BXL 2 nhân. Thêm nữa, VIA cũng "ngắm nghía" đến thị trường này và sẽ tung ra sản phẩm vào tháng 6/2005. Trước đây, BXL 2 nhân chỉ được ứng dụng trên máy chủ và mainframe và bây giờ nó đang "hạ cánh" xuống máy trạm, máy để bàn và ngay cả máy tính xách tay. Vậy ai sẽ giành chiến thắng? Điều này phụ thuộc rất lớn vào khả năng mà sản phẩm họ mang lại, đó là tốc độ xử lý thực sự và tính ổn định. Trước mắt, ta hãy nói về BXL 2 nhân mà Intel đang rất ấp ủ trong thời gian sắp đến.
     

     

    BỘ XỬ LÝ AMD64 HAI NHÂN
    NGAY TỪ KHI GIỚI THIÊU KIẾN TRÚC AMD64 VÀO NĂM 1999, AMD nhiều lần nhấn mạnh rằng kiến trúc này đã mặc nhiên hỗ trợ đa nhân và việc thành công trong chế tạo bộ xử lý Opteron hai nhân đã cho thấy tính mở rộng của kiến trúc.

     

     

     

    Vào tháng 8/2004, AMD trở thành nhà sản xuất đầu tiên trình diễn thực tế bộ xử lý kiến trúc x86 Opteron 64-bit hai nhân. Trên hệ thống trình diễn là HP ProLiant D585 4-way, AMD đã biến chúng thành hệ thống máy chủ 8-way bằng chiếc đũa thần Opteron 64 hai nhân. Theo kế hoạch, đến khoảng giữa năm 2005, AMD mới chính thức tung ra thị trường bộ xử lý Opteron hai nhân dành cho máy chủ, máy trạm mang tên mã Egypt (máy chủ 8-way), Italy (2-way), Denmark (1-way). Phiên bản hai nhân dành cho máy khách sẽ có tên Toledo và xuất hiện trễ hơn vào cuối năm 2005.
    Ngay từ đầu bộ xử lý Opteron đã được thiết kế sẵn cổng kết nối cho bộ xử lý thứ hai nên bạn có thể thấy cổng giao tiếp sẵn nằm trên crossbar/SRI, đế đựơc thiết kế 2 nhân độc lập kèm riêng 1MB cache L2. Hai nhân chia sẻ chung bộ nhớ và công nghệ giao tiếp ngoại vi HyperTransport nên bộ xử lý Opteron hai nhân vẫn giữ nguyên đế 940 chân của bộ xử lý Opteron sản xuất trên dây chuyền 90nm trước đó.
    Hướng thiết kế bộ xử lý 64-bit của AMD chú trọng tính bảo toàn kiến trúc phần mềm ứng dụng nên đã đưa ra cam kết thiết kế bộ xử lý AMD64 hai nhân tương thích hoàn toàn với các phiên bản Linux, Solaris và Windows hiện chạy trên nền tảng x86 mà không cần thay đổi phần mềm. Máy chủ và máy trạm dùng bộ xử lý Opteron hai nhân được mong đợi là hiệu quả hơn với những ứng dụng đa luồng. Khi bộ xử lý đa nhân trở nên phổ biến trên nền tảng máy khách (dự kiến vào nửa cuối năm 2005), hệ điều hành đa luồng của Linux, Solaris và Windows cũng sẽ xuất hiện giúp quản lý các ứng dụng đơn luồng phổ biến hiện nay tốt hơn.
    Sau khi trình diễn bộ xử lý Opteron x86 đa nhân đầu tiên được một tuần, AMD đã nhận được cam kết hỗ trợ từ các nhà phát triển phần mềm như Novell, Red Hat và Sun. Nhưng giấy phép sử dụng phần mềm sẽ tính thế nào khi nâng cấp hệ thống từ đơn nhân lên đa nhân? Câu hỏi rất chính đáng từ phía người sử dụng này đã được AMD tháo gỡ nhanh chóng sau khi AMD đạt được thỏa thuận với Microsoft để điều chỉnh lại chính sách cấp giấy phép sử dụng. Trước đây, hầu hết phần mềm máy chủ của Microsoft đều được cấp giấy phép theo số bộ xử lý thì nay vẫn chỉ tính theo số BXL chứ không tính theo số nhân.

    CÁC KẾ HOẠCH PHÁT TRIỂN KHÁC

    Trong bài trả lời phỏng vấn báo Extreme Tech vào đầu tháng 10/2004, Glenn Henry, giám đốc bộ xử lý Centaur Technology của Via đã hé mở chiến lược phát triển chip đa nhân sau khi công bố kế hoạch đưa ra thị trường bộ vi xử lý kiến trúc x86 64bit CN hoặc Isaiah vào năm 2006. Tuy nhiên, mục tiêu của họ chủ yếu cải tiến thiết kế các chip đơn nhân hiện nay thành chip hai nhân.
    Cùng với AMD và Intel sản xuất BXL hai nhân cho PC và máy chủ, hãng Freescale Semiconductor cũng tham gia thị trường này. Hãng vừa công bố chi tiết về BXL PowerPC hai nhân thiết kế cho các ứng dụng nhúng như mạng và lưu trữ. Được chế tạo trên công nghệ 90nm, BXL MPC8641D của Freescale có 2 nhân BXL PowerPC e600, được thiết kế để chạy ở tốc độ nhanh hơn 1,5GHz và kết nối qua giao tiếp tốc độ cao. Mỗi nhân BXL có bộ nhớ cache L21MB. MPC8641D cũng gồm có 4 điều khiển Ethernet hỗ

     

     

     trợ các kết nối Gigabit Ethernet và có một điều khiển bộ  nhớ tích hợp hỗ trợ RAM loại DDR,DRAM và DDR2. Freescale cho biết bộ BXL hai nhân có 4 điểm mạnh trong ứng dụng nhúng: chip 2 nhân chiếm dụng ít diện tích và tiêu thụ ít điện năng hơn 2 BXL rời; trao đổi dữ liệu nhanh hơn giữa các nhân BXL; ít chiếm dụng bộ nhớ và giảm độ trễ; và 2 nhân có thể chia sẻ dữ liệu chứa trên bộ nhớ L2 riêng mà không tác động gì đến bộ nhớ chính.
    Tại hội thảo thường niên cộng đồng phát triển mạng thông minh, Motorola cũng đã công bố kế hoạch phát triển bộ xử lý hai nhân PowerPC G4. Tất nhiên, chip này vẫn sử dụng cơ chế SIMD AltiVec phát triển bởi Motorola và có bộ điều khiển hỗ trợ bộ nhớ SDRAM DDR và DDR2. Bộ xử lý này cũng sẽ giao tiếp với hệ thống qua tuyến bus chip-to-chip Rapid IO cũng do Motorola phát triển và đã trở thành chuẩn công nghiệp cho bộ xử lý tích  hợp. Tuy vậy, để tương thích ngược với hệ thống cũ,chip này vẫn hỗ trợ bus MPX dùng trong họ 745x.  Hiệu quả đầu tiên mà bộ xử lý hai nhân mang lại là giảm điện năng tiêu thụ vì chip 2GHz chỉ tiêu thụ khoảng 25W trong khi chip 7457 1,4GHz hiện nay đã tiêu thụ đến 30W.
    IBM cũng vừa thông báo sẽ cho ra đời phiên bản bộ xử lý hai nhân PowerPC 970FX (gọi tắt là G5) và được gọi chính thức là PowerPC 970MP. Bộ xử lý này có riêng bộ SIMD AltiVec/Velocity Engine, 1MB đệm cấp 2 nhưng vẫn không có đệm cấp 3. Kích thước đế 13,23 x 11,63mm nhưng lại không tương thích với chuẩn chân hiện tại của chip 970 và 970FX. Theo công bố thì chip này sẽ làm việc với tần số 3GHz và có tuyến FSB 1GHz. Sản phẩm mẫu cũng chỉ vừa được gửi đến các nhà sản xuất hệ Mac vào tháng 8 vừa qua.

     

     

     

     ƯU ĐIỂM CỦA AMD64 HAI NHÂN

     

     

    Chuyển đổi lên bộ xử lý hai nhân dễ dàng: Hệ thống máy chủ dùng bộ xử lý Opteron của HP, IBM, Sun,... có thể nâng cấp dễ dàng lên mà không cần thay đổi. Người dùng cá nhân cũng vậy.
    Nâng hiệu suất tiêu thụ điện: Sức mạnh xử lý tăng gấp đôi nên tỷ số hiệu năng xử lý trên điện năng tiêu thụ cũng tăng lên ấn tượng.
    Kiến trúc nối kết trực tiếp: Phù hợp với kiến trúc tính toán x86 2 socket hoặc 4 socket, giải phóng điểm thắt cổ chai trên tuyến dữ liệu, và giảm độ trễ tín hiệu giữa hai nhân

     


    Thực tế như thế nào?

    Các nhà sản xuất cho biết các chip đa nhân thích hợp cho việc xử lý luân chuyển dữ liệu (transaction) và cho các ứng dụng cơ sở dữ liệu và khoa học. Họ đang đua nhau chế tạo để đưa ra chip 2 nhân nhưng cũng gặp nhiều trở ngại. Đầu tiên là bản mạch chất bán dẫn hiện thời dùng công nghệ 130nm và 90nm, do đó đặt 2 nhân lên một chip là điều khó khăn. Tuy vậy, nếu dùng công nghệ sản xuất 65nm, ta có thể đặt đến 4 hoặc nhiều nhân hơn lên một chip.

    Một vấn đề khác với chip đa nhân là phần mềm. Để tận dụng nhiều BXL một cách hiệu quả, HĐH phải chạy cùng lúc nhiều chương trình. Khả năng mở rộng của Windows XP phù hợp với các hệ thống 4-way hay 8-way nhưng Windows XP không thể áp dụng cho các hệ thống 16-way hay 32-way. Và ngay cả BXL 2 nhân, việc cấp phần mềm cũng gặp nhiều trở ngại. Nhiều hãng phần mềm bán sản phẩm của họ dựa trên BXL. Đến nay, mỗi thế hệ CPU đều tăng tốc độ xung nhịp, tốc độ xử lý cao hơn nhiều nhưng không ảnh hưởng đến giá cả của phần mềm. Có thể nếu BXL có tốc độ gấp đôi thì giá phần mềm cũng tăng đôi. Tuy nhiên, hiện thời theo thông tin từ Microsoft, hãng vẫn bán phần mềm dựa trên BXL, không dựa trên nhân BXL.

    Chiến lược của Intel

    Các nhà nghiên cứu của Intel hiện đang tìm hiểu những vật liệu và kỹ thuật mới để thu nhỏ hơn nữa kích thước của transistor xuống mức kích thước của một nguyên tử (khoảng bằng 1 hoặc 2 nguyên tử). Ở thời điểm hiện tại, kỹ thuật và vật liệu đang sử dụng không thể thu nhỏ kích thước transistor xuống được đến mức này. Theo Intel, chất carbon nanotube và nanowire là 2 vật liệu hứa hẹn để sản xuất BXL trong tương lai. Carbon nanotube có hình trụ, kết từ các vòng tròn nguyên tử carbon. Các vòng tròn nguyên tử này sẽ được dùng như là kênh truyền điện năng vào và ra. Các transistor hoạt động khi dòng điện đi qua hoặc không đi qua, tạo cho transistor hoặc ở trạng thái on/off, là thông tin của bit dữ liệu.

    Còn vật liệu nanotube là kiến trúc bền bỉ, cho phép electron di chuyển nhanh hơn qua kênh so với vật liệu hiện nay sử dụng (theo Intel thì nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn khoảng 3 lần). Cả hai vật liệu mới này Intel dự tính sẽ đưa vào sử dụng trong vòng năm 2013 và 2019.

    Bên cạnh 2 vật liệu tiềm năng này, Intel cũng hợp tác với các viện nghiên cứu để đưa ra những kỹ thuật mới sản xuất BXL, mà trước mắt là kỹ thuật spintronics. Kỹ thuật này ứng dụng di chuyển xoay vòng của các electron. Khi một transistor được cấp điện, electron di chuyển sẽ tạo ra một vùng từ trường mà sẽ chỉ vào một hướng nào đó phụ thuộc vào hướng của vòng quay. Từ trường theo một hướng nào đó sẽ chỉ trạng thái của transistor là "on" và hướng ngược lại sẽ là "off". Lợi ích của kỹ thuật này là yêu cần rất ít nguồn điện để thay đổi vòng quay của electron.

    Thách thức vẫn ở trước mắt cho các nhà sản xuất BXL. Vạch đến đích đang hiện ra trước mắt và ai sẽ về đích trước tiên trên đường đua BXL đa nhân kiến trúc x86 cho máy tính để bàn, máy tính xách tay. Có thể bạn phải chờ đến đầu năm 2006
    .

    Kha Du

     

    TỔNG HỢP
    IDG News Service 10/2004
    Computerworld 10/2004
    AMD.com

     

    ID: A0411_94