Многоядерный процессор

Многоя́дерный проце́ссор — центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.

Терминология В английском языке существует два часто употребляемых термина для процессоров, имеющих несколько ядер: multi-core и many-core.

Термин мультиядерный () обычно применяется к центральным процессорам, содержащим два и более ядра общего назначения, однако иногда используется и для цифровых сигнальных процессоров (DSP) и однокристальных систем (SoC, СнК). Под многоядерностью процессора понимают, что несколько ядер являются интегрированными на одну интегральную схему (изготовлены на одном кремниевом кристалле). Если же в один корпус были объединены несколько полупроводниковых кристаллов, то конструкцию называют многочиповый модуль (, MCM).

Термином многопроцессорный обозначают компьютеры, имеющие несколько физически раздельных процессоров (например, серверные материнские платы часто имеют 2 или 4 сокета для подключения нескольких чипов), но управляемые одним экземпляром операционной системы (ОС).

Понятие многоядерныйКризис параллельного мира , Сергей Кузнецов: Обзор декабрьского 2009 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 42, No 12, декабрь, 2009): «архитектур мультиядерных (multicore) и многоядерных (many-core) процессоров» (Programming Many-Core Chips. By András Vajda , page 3 или ) может использоваться для описания многоядерных систем, имеющих большое количество ядер, от десятков до сотен или более. Например, именно название «многоядерный» («many-core») использовалось Intel для вычислителей Intel MIC : " для которого ввели этот новый термин вместо привычного multi-core, ".

Мультипроцессор на кристалле (single-chip multiprocessor, on-chip multiprocessor, chip multiprocessing, CMP) — так ранние исследователи называли свои проекты размещения нескольких процессоров на одной подложкеThe Case for a Single-Chip Multiprocessor — Kunle Olukotun, Basem A. Nayfeh, Lance Hammond, Ken Wilson, and Kunyung Chang — Appears in Proceedings Seventh International Symp. Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems (ASPLOS VII), Cambridge, MA, October 1996ChipMultiprocessor Architecture: Techniques to Improve Throughput and Latency — Kunle Olukotun, Lance Hammond, James Laudon — 2007.

Архитектура многоядерных систем Архитектура многоядерных процессоров во многом повторяет архитектуру симметричных мультипроцессоров (SMP-машин) только в меньших масштабах и со своими особенностями.

Первые многоядерные процессоры (first generation CMP) представляли собой самые простые схемы: два процессорных ядра, размещенные на одном кристалле без разделения каких-либо ресурсов, кроме шины памяти (например, Sun UltraSPARC IV и Intel Pentium D). «Настоящим многоядерным» (second generation CMP) процессор считается, когда его вычислительные ядра совместно используют кэш третьего или второго уровня: например, Sun UltraSPARC IV+, Intel Core Duo и все современные многоядерные процессоры.

В многоядерных процессорах тактовая частота, как правило, намеренно снижена. Это позволяет уменьшить энергопотребление процессора без потери производительности: энергопотребление растёт как куб от роста частоты процессора. Удвоив количество ядер процессора и снизив вдвое их тактовую частоту, можно получить практически ту же производительность, при этом энергопотребление такого процессора снизится в 4 раза.

В некоторых процессорах тактовая частота каждого ядра может меняться в зависимости от его индивидуальной нагрузки. Ядро является полноценным микропроцессором, использующим все достижения микропроцессорной техники: конвейеры, внеочередное исполнение кода, многоуровневый кэш, поддержка векторных команд.

Суперскалярность в ядре присутствует не всегда, если, например, производитель процессора стремится максимально упростить ядро.

Каждое ядро может использовать технологию временной многопоточности или, если оно суперскалярное, технологию SMT для одновременного исполнения нескольких потоков, создавая иллюзию нескольких «логических процессоров» на основе каждого ядра. На процессорах компании Intel эта технология носит название Hyper-threading и удваивает число логических процессоров по сравнению с физическими. На процессорах Sun UltraSPARC T2 (2007 г.) такое увеличение может достигать 8 потоков на ядро.

Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки когерентности (общей) кэш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без неё. Способ связи между ядрами: разделяемая шина; сеть (Mesh) на каналах точка-точка; сеть с коммутатором; общая кэш-память.

Кэш-память: Во всех существующих на сегодня многоядерных процессорах кэш-памятью 1-го уровня обладает каждое ядро в отдельности, а кэш-память 2-го уровня существует в нескольких вариантах: разделяемая — расположена на одном кристалле с ядрами и доступна каждому из них в полном объёме. Используется в процессорах семейств Intel Core; индивидуальная — отдельные кэши равного объёма, интегрированные в каждое из ядер. Обмен данными из кэшей 2-го уровня между ядрами осуществляется через контроллер памяти — интегрированный (Athlon 64 X2, Turion X2, Phenom) или внешний (использовался в Pentium D, в дальнейшем Intel отказалась от такого подхода).

Многоядерные процессоры также имеют гомогенную или гетерогенную архитектуру: гомогенная архитектура — все ядра процессора одинаковы и выполняют одни и те же задачи. Типичные примеры: Intel Core Duo, Sun SPARC T3, AMD Opteron; гетерогенная архитектура — ядра процессора выполняют разные задачи. Типичный пример: процессор Cell альянса IBM, Sony и Toshiba, у которого из девяти ядер одно является ядром процессора общего назначения PowerPC, а восемь остальных — специализированными процессорами, оптимизированными для векторных операций, которые используются в игровой приставке Sony PlayStation 3.

Производительность В приложениях, оптимизированных под многопоточность, наблюдается прирост производительности на многоядерном процессоре. Однако если приложение не оптимизировано, то оно не будет получать практически никакой выгоды от дополнительных ядер, а может даже выполняться медленнее, чем на процессоре с меньшим количеством ядер, но большей тактовой частотой. Это в основном приложения, разработанные до появления многоядерных процессоров, либо приложения, в принципе не использующие многопоточность.

Большинство операционных систем позволяют выполнять несколько приложений одновременно. При этом достигается выигрыш в производительности, даже если приложения однопоточные.

Наращивание количества ядер На сегодня многими производителями процессоров, в частности Intel, AMD, IBM, ARM, дальнейшее увеличение числа ядер процессоров признано как одно из приоритетных направлений увеличения производительности.

История массовых многоядерных процессоров

ARM

В 2024—2025 годах компания Ampere Computing начала выпускать разные версии 64-битных серверных Arm-процессоров AmpereOne / AmpereOne M, которые содержат до 192 ядер.

В декабре 2025 года компания Amazon Web Services (AWS) представила 192 ядерный 64-битный серверный Arm-процессор Graviton5 в основе которого лежит архитектура V3.

А в 2026—2027 годах компания Ampere Computing планирует начать выпуск процессоров серии AmpereOne-3 содержащие до 256 ядер, и даже 512-ядерный процессор AmpereOne Aurora с ИИ-движком и поддержкой HBM-памяти для высокопроизводительных вычислений в центрах обработки данных с высокой плотностью размещения.

POWER

Первым процессором, предназначенным для массового использования, а не для встроенных систем, стал POWER4 с двумя ядрами PowerPC на одном кристалле, выпущенный компанией IBM в 2001 году.

2-ядерный IBM PowerPC-970MP (G5) был представлен в 2005 году. Этим процессором оснащались последние Power Mac G5.

В июле 2025 года компанией IBM был представлен новый процессор POWER11 содержащий 256 ядер и 2048 потоков (по 8 потоков на ядро).

SPARC

В марте 2004 года компания Sun Microsystems представила первый 2-ядерный процессор архитектуры SPARC: UltraSPARC IV — CMP первого поколения. Процессором второго поколения CMP стал UltraSPARC IV+ (середина 2005 года), где два ядра процессора совместно использовали off-chip кэш 3-го уровня и on-chip кэш 2-го уровня.

Компания Fujitsu в своей линейке SPARC64 представила 2-ядерный процессор SPARC64 VI только в 2007 году.

x86

В апреле 2005 года AMD выпустила 2-ядерный процессор Opteron архитектуры AMD64, предназначенный для серверов.

В мае 2005 года Intel выпустила процессор Pentium D архитектуры x86-64, ставший первым 2-ядерным процессором, предназначенным для персональных компьютеров. Это был «быстрый» ответ компании Intel на вызов компании AMD. По сути Pentium D, созданный на основе ведущей у Intel архитектуры NetBurst, состоял из двух раздельных процессоров, помещённых на одну подложку, без каких-либо общих элементов. Так как компания Intel отказалась от архитектуры NetBurst в конце 2005 года, развитие Pentium D не получил. Настоящий многоядерный процессор Core Duo на более экономичной архитектуре Core был выпущен компанией Intel в январе 2006 года.

В марте 2010 года появились первые 12-ядерные серийные процессоры, которыми стали серверные процессоры Opteron 6100 компании AMD (архитектура x86/x86-64).«AMD дала зелёный свет 8- и 12-ядерным процессорам серии Opteron 6100»  — overclockers.ua

В 2011 году компанией AMD освоено производство 8-ядерных процессоров для домашних компьютеровСайт 3DNews: «Официальный анонс процессоров AMD FX» и 16-ядерных для серверных системСайт 3DNews: «AMD начала массовые поставки серверных Bulldozer. Настольные откладываются?» ..

В августе 2011 года компанией AMD были выпущены первые 16-ядерные серийные серверные процессоры Opteron серии 6200 (кодовое наименование Interlagos). Процессор Interlagos объединяет в одном корпусе два 8-ядерных (4-модульных) чипа и является полностью совместимым с существующей платформой AMD Opteron серии 6100 (Socket G34).Сайт 3DNews: «Появились данные о серверных AMD Bulldozer: 3 ГГц максимум?» .

По состоянию на 2016 год Intel выпускает процессоры для серверов Xeon E7 — с количеством ядер от 4 до 24. (E5 — до 22 ядер).

В феврале 2020 года компания AMD выпустила в продажу первый 64-ядерный процессор для домашних компьютеров AMD Ryzen Threadripper 3990X.

Сводные данные по истории микропроцессоров и их параметров представлены в обновляющейся английской статье: Хронология микропроцессоров, 2010-е годы. Для получения числа ядер процессора надо умножить поля «Cores per die» и «Dies per module», для получения числа аппаратных потоков — умножить число ядер на число «threads per core». Например, для Xeon E7, Intel: «4, 6, 8, 10» ядер на 1 die на 1-2 аппаратных потоков = максимум 10 ядер и 20 аппаратных потоков, AMD FX «Bulldozer» Interlagos «4-8» на 2 на 1 = максимум 16 ядер и 16 потоков.

В конце 2024 и начале 2025 года компания AMD представила серверные процессоры EPYC 9005 поколения Turin и EPYC Embedded 9005, которые содержат до 192 ядер и 384 потока (по 2 потока на ядро) на энергоэффективной архитектуре Zen 5c, но при максимальном TDP в 500 Вт и цене $14,8 тыс.

А в 2026 году компания AMD планирует выпустить на рынок новые 2-нм серверные процессоры EPYC поколения Venice на следующем поколении архитектуры Zen 6, которые будут содержать до 256 вычислительных ядер с одновременной поддержкой 512 потоков.

История экспериментальных многоядерных процессоров 27 сентября 2006 года на форуме разработчиков «IDF Fall» Intel продемонстрировал экспериментальный 80 ядерный чип с производительностью до 1 TFLOPS. Каждое ядро работало с тактовой частотой 3,16 ГГц, энергопотребление чипа достигало около 100 Вт.

20 августа 2007 года компания Tilera, анонсировала чип с 64 процессорными ядрами и встроенной высокопроизводительной сетью, посредством которой обмен данными между различными ядрами может происходить со скоростью до 32 Тбит/с.Статья на сайте 3dnews.ru: «Tilera Tile64 — чип с 64 процессорными ядрами»