jeni duke lexuar...
Leksione

Çfarë është “The Power Wall”?

Në figurën e mëposhtëme (marrë prej Patterson&Hanessy) tregohet trendi rritës i performancës së procesorëve të ndryshëm, prej vitit 1978 – 2005, shprehur në SPECint. Kështu, falë zhvillimeve të arkitekturës, mikroarkitektorës dhe teknologjisë së procesorëve, prej vitit 1986-2002, perfomanca e tyre ështe rritur me rreth 52 %  në vit, ose dyfishuar çdo dy vjet.

Sipas këtij grafiku, papritur, prej vitit 2002, kjo rritje është ngadalësuar ndjeshëm. Kështu, gjatë gjithë periudhës 2002-2005, rritja e performamcës së procesoreve, vlerësohet në 20 %, ose vetëm rreth 6 % në vit.

Trendi rrites i performances se procesoreve 1978-2004

Trendi rrites i performances se procesoreve

Çfarë paska ndodhur kështu në vitin 2002? Përse kjo ulje drastike dhe e papritur  e rritjes së performancave të procesorëve? Cili paska qenë problemi që shkaktoi frenimin e rritjes?

Problemi njihet me emrin “THE POWER WALL”!

Kështu, një nga komponentët kryesorë që ka sjellë rritjen e shpejtë, ndër vite,  të performancës të procesorëve, është rritja e frekuencës së clockut. Kjo rritje do të shoqërohet në mënyrë të pashmangshme me rritjen e fuqisë, pra të nxehtësisë të konsumuar prej procesorit. Pikërisht, pamundësia për të evakuuar këtë nxehtësi në procesorët e zakonshëm, duke përdorur teknikat e zakonshme dhe jo të kushtueshme, njihet me emrin “The Power Wall”. Skematikisht kjo situatë, për procesorët prodhuar prej Intel, paraqitet në figurën e mëposhtme (marrë prej Patterson&Hanessy).

Rritja nder vite e frekuences dhe fuqise se çliruar ne procesoret Intel

Rritja nder vite e frekuences dhe fuqise se çliruar ne procesoret Intel

Le ta trajtojmë me detaje këtë çështje.

Në teknologjinë CMOS, e cila  është teknologjia që prej vitesh përdoret rëndom në qarqet e integruar, fuqia çlirohet kryesisht gjatë procesit të komutimit. Ajo quhet “fuqi dinamike” (ang. “dynamic power”) dhe llogaritet prej formulës :

Fuqia = Ngarkesa kapacitive  * (Tensioni)2 * Frekuenca e komutimit

Në kushtet e rritjes së frekuencës, për të mbajtur nën kontroll fuqinë e çliruar prej procesorit, e vetmja mënyrë do të ishte zvogëlimi i  tensionit me të cilin ai funksionon. Dhe pikërisht kështu është vepruar për dy dekada. Ashtu, siç tregohet edhe në figurën e mësipërme,  gjatë 20 viteve, edhe pse frekuenca është rritur qindra herë ( 3600/12.5), falë zvogëlimit të tensionit nga 5 në 1 volt, fuqia e çliruar prej procesorëve Intel është rritur vetëm rreth 30 herë.

Zvogëlimi i mëtejshëm i tensionit është praktikisht i pamundur, pasi kjo do te rriste rrjedhjet në transistorë duke u shoqëruar me rritjen e ndjeshmërisë nga zhurmat e qarqeve të integruar. Në këto kushte, nuk mbetet alternativë tjetër veç rritjes së fuqisë të çliruar prej një procesori. Por, evakuimi i kësaj nxehtësie është e pamundur të kryhet me ftohës tradicionale me kosto të ulët. Gjendemi kështu në pamundësi për të rritur performancën e procesorëve të zakonshëm me mjete konvencionale. Ky fakt përben atë që më sipër e quajtëm  “The Power Wall”.

Ekzistojnë dy mënyra për të kapërcyer “The Power Wall”.

1. Përdoren teknologji të sofistikuara dhe të kushtueshme për ftohjen e procesorëve.

Kjo është zgjidhja e aplikuar në kompjuterat e tipit “mainframe”  dhe “supercomputers”. Kështu IBM, në kompjuterat e saj të tipit “mainframe” të familjes IBM System z10, përdor procesorët IBM Power6 që funksionojnë me frekuencë 5 Ghz dhe që ftohen me ujë. Një modul i tillë procesorësh paraqitet në figurën e mëposhtme. Këtu, në kontakt direkt me procesorët, vendosen  module prej bakri, në të cilët qarkullon ujë i ftohtë.

Ftohje me uje e procesoreve IBM Power6

Ftohje me uje e procesoreve IBM Power6

2. Përdoret teknika e  procesorëve “multicore” 

Prodhuesit e procesorëve të zakonshëm (ang. “commodity processors”) si Intel dhe AMD, duke vazhduar të përdorin sisteme ftohës të zakonshëm, pra me kosto të ulët, kanë kaluar në teknikën “multicore”. “Multicore” është përfshirja e disa procesorëve në  një “CPU chip”.

Këtu më poshtë shprehet në formë sasiore efekti që sjell teknika “multicore” në fuqinë e çliruar prej procesorit. Te dhënat janë marrë nga eksperimente të kryera prej Intel.

Figura e mëposhtmes shpreh faktin se në një procesor me një « core »,  në se rritet frekuenca me 20 %, atëherë performancat e tij do te rriten me 13%, por energjia që kërkohet për këtë qellim do të rritet me 73 %. Për rrjedhojë, zvogëlimi  i frekuencës me 20%, zvogëlon energjinë e nevojshme me 49%, por do të rezultojë edhe një zvogëlim i performancave me 13%.

Efekti i rritjes se frekuences ne fuqine e çliruar ne nje procesor "single-core"

Efekti i rritjes se frekuences ne fuqine e çliruar ne nje procesor “single-core”

Në figurën këtu më poshtë, është shtuar një « core » i dyte duke përftuar kështu një procesor « dual-core ».

Efekti është i menjëhershëm: frekuenca e “clockut” edhe pse e zvogëluar me 20% ,  performancat rriten me 73%, ndërkohë që fuqia e konsumuar është pothuajse sa ajo e procesorit “single-core” .

Efekti i rritjes se frekuences ne fuqine e çliruar ne nje procesor "multi-core"

Efekti i rritjes se frekuences ne fuqine e çliruar ne nje procesor “multi-core”

Efekti i përdorimit të procesorëve multicore në zvogëlimin e frekuencës së funksionimit të procesorëve Intel, tregohet në figurën e mëposhtme. Kështu, në se do të ishte vazhduar me procesorët tradicionale single-core, për të ruajtur rritmin e rritjes së performancave të procesorëve, në vitin 2012, frekuenca e clockut të një procesori Intel do duhej të ishte rreth 20 Ghz.

Procesorët multicore kanë bërë që frekuenca e clockut, rrjedhimisht edhe nxehtësia e çliruar, të mos rritet mbi 4 GHz.

Efekti i procesoreve multicore ne rritjen e frekuences se clockut

Efekti i procesoreve multicore ne rritjen e frekuences se clockut

Efekti i teknikave « multicore » në rritjen e performancës së procesorëve, tregohet në figurën e mëposhtëme (e cila është plotësimi në vite i figurës së parë). Pas vitit 2004 rritmi i rritjes së perfomancave të procesorëve të zakonshëm ka qenë rreth 22% në vit.

Trendi rrites i performances se procesoreve 1978-2010

Trendi rrites i performances se procesoreve 1978-2010

“The  Power Wall” ka influencuar gjithashtu edhe arkitekturën dhe mikroarkitekturën e procesorëve.

Historikisht, nisur nga paradigma që instruksionet duhet të ekzekutohen sa më shpejt që të jetë e mundur, është shfrytëzuar maksimalisht mundësia që ofron për këtë qëllim  ILP (Instruction Level Parallelism). Kështu, pipeline janë bërë gjithnjë e më të thella, më të gjera (“multiple issues“) dhe “Out of Order speculation” është shfrytëzuar gjerësisht.  Kjo është shoqëruar në mënyrë të pashmangshme me rritjen e numrit të tranzistorëve në “chip” si dhe me përdorimin joefikas të tyre në lidhje me konsumin e energjisë.

Të gjendur përballë “The Power Wall”, konceptuesit e mikroprocesorëve, janë detyruar të ndërmarrin përshtatjet e duhura në mikroarkitekturë për ti bërë ballë realitetit të ri. Kështu, pipeline janë bërë më të shkurtra dhe përdorimi i “Out of Order speculation” më i kufizuar.

Si pasojë e këtyre ndryshimeve në arkitekturë, procesorët e rinj (“core”)  janë më të thjeshtë dhe më pak perfomant se paraardhësit, por kanë efikasitet energjetik më të mirë, të shprehur nga raporti pereformancë/joule. Duke i bashkuar këto “core” në një chip te vetëm, krjohen procesorë  multi-core me performanca totale të larta dhe me efikasitet energjetik më të lartë.

Kjo tendencë ilustrohet në tabelën e mëposhtme për procesorët Intel.

Mikroprocesori

Viti

Clock (MHZ)

Pipeline

(nr. stade)

Issue width

OoO speculation

Nr. cores

Fuqia (Watt)

Intel 486

1989

25

5

1

Jo

1

5

Intel Pentium

1993

66

5

2

Jo

1

10

Intel Pentium Pro

1997

200

10

3

Po

1

29

Intel Pentium 4 Willamette

2001

2000

22

3

Po

1

75

Intel Pentium Prescott

2004

3600

31

3

Po

1

103

Intel Core

2006

2930

14

4

Po

2

75

Intel Core i5 Nehalem

2010

3300

14

4

Po

4

87

Intel Core i5 Ivy Bridge

2012

3400

14

4

Po

8

77

 

Diskutim

Ende pa komente.

Lini një Përgjigje

Ju lutemi, bëni hyrjen me një nga këto metoda që të postoni komentin tuaj:

Stema e WordPress.com-it

Po komentoni duke përdorur llogarinë tuaj WordPress.com. Dilni / Ndryshojeni )

Foto Twitter-i

Po komentoni duke përdorur llogarinë tuaj Twitter. Dilni / Ndryshojeni )

Foto Facebook-u

Po komentoni duke përdorur llogarinë tuaj Facebook. Dilni / Ndryshojeni )

Foto Google+

Po komentoni duke përdorur llogarinë tuaj Google+. Dilni / Ndryshojeni )

Po lidhet me %s

Këtë e pëlqejnë %d blogues: