Procesador multinúcleo

En 1985, el ingeniero de Apple, Sam Holland, convenció a Apple de desarrollar su propio chip de CPU de 4 procesadores para alimentar las futuras Mac ^{[ 12 ],} llamado Scorpius. ^{[ 13 ]} El conjunto de características propuesto para el procesador era muy ambicioso, incluyendo cuatro núcleos y soporte SIMD (vectorial) con funciones de comunicación entre procesadores. ^{[ 14 ]} Debido a que el diseño superaba las capacidades de fabricación de la época, el proyecto se dio por terminado en 1989. ^{[ 15 ]}

En la década de 1990, Kunle Olukotun lideró el proyecto de investigación del multiprocesador en chip (CMP) Hydra de Stanford. Esta iniciativa fue una de las primeras en demostrar la viabilidad de integrar múltiples procesadores en un solo chip, un concepto que sentó las bases de los procesadores multinúcleo actuales. El proyecto Hydra introdujo la compatibilidad con la especulación a nivel de hilos (TLS), lo que permitió una ejecución paralela de programas más eficiente.

Diversos motivos comerciales impulsan el desarrollo de arquitecturas multinúcleo. Durante décadas, fue posible mejorar el rendimiento de una CPU reduciendo el área del circuito integrado (CI), lo que disminuyó el costo por componente. Alternativamente, para la misma área de circuito, se podían utilizar más transistores en el diseño, lo que incrementó la funcionalidad, especialmente en arquitecturas de computación con conjuntos de instrucciones complejos (CISC). Las frecuencias de reloj también aumentaron exponencialmente en las últimas décadas del siglo XX, pasando de varios megahercios en la década de 1980 a varios gigahercios a principios de la década de 2000.

A medida que disminuía el ritmo de mejora de la velocidad de reloj, se ha buscado un mayor uso de la computación paralela mediante procesadores multinúcleo para mejorar el rendimiento general del procesamiento. Se utilizaron varios núcleos en el mismo chip de CPU, lo que podría conducir a mejores ventas de chips de CPU con dos o más núcleos. Por ejemplo, Intel ha producido un procesador de 48 núcleos para la investigación en computación en la nube; cada núcleo tiene una arquitectura x86 . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Dado que los fabricantes de ordenadores llevan mucho tiempo implementando diseños de multiprocesamiento simétrico (SMP) utilizando CPU discretas, los problemas relacionados con la implementación de la arquitectura de procesadores multinúcleo y su soporte mediante software son bien conocidos.

Además:

• Utilizar un diseño de núcleo de procesamiento probado sin cambios arquitectónicos reduce significativamente el riesgo de diseño.
• Para los procesadores de propósito general, gran parte de la motivación para los procesadores multinúcleo proviene de las ganancias en rendimiento del procesador considerablemente reducidas al aumentar la frecuencia de operación . Esto se debe a tres factores principales: ^{[ 18 ]}
  1. El límite de la memoria : la creciente brecha entre la velocidad del procesador y la de la memoria. Esto, en efecto, obliga a aumentar el tamaño de la caché para disimular la latencia de la memoria. Sin embargo, esto solo resulta útil en la medida en que el ancho de banda de la memoria no sea el cuello de botella del rendimiento.
  2. El muro del paralelismo a nivel de instrucción (ILP, por sus siglas en inglés) : la creciente dificultad de encontrar suficiente paralelismo en un único flujo de instrucciones para mantener ocupado un procesador de un solo núcleo de alto rendimiento.
  3. El límite de potencia : la tendencia a consumir energía de forma exponencial (y, por lo tanto, a generar calor de forma exponencial) con cada incremento factorial de la frecuencia de funcionamiento. Este incremento puede mitigarse reduciendo el tamaño del procesador mediante el uso de pistas más pequeñas para la misma lógica. El límite de potencia plantea problemas de fabricación, diseño de sistemas e implementación que no se han justificado ante la disminución de las ganancias de rendimiento debidas al límite de memoria y al límite de paralelismo a nivel de instrucción (ILP) .

Para seguir ofreciendo mejoras de rendimiento constantes en los procesadores de propósito general, fabricantes como Intel y AMD han optado por diseños multinúcleo, sacrificando costes de fabricación en aras de un mayor rendimiento en ciertas aplicaciones y sistemas. Si bien se están desarrollando arquitecturas multinúcleo, también se están explorando alternativas. Una opción especialmente atractiva para los mercados ya establecidos es la mayor integración de las funciones periféricas en el chip.

La proximidad de múltiples núcleos de CPU en el mismo chip permite que el circuito de coherencia de caché opere a una frecuencia mucho mayor que si las señales tuvieran que viajar fuera del chip. La combinación de CPU equivalentes en un solo chip mejora significativamente el rendimiento de las operaciones de inspección de caché (o inspección de bus ). En resumen, esto significa que las señales entre diferentes CPU recorren distancias más cortas y, por lo tanto, se degradan menos. Estas señales de mayor calidad permiten enviar más datos en un período de tiempo determinado, ya que las señales individuales pueden ser más cortas y no necesitan repetirse con tanta frecuencia.

Suponiendo que el chip quepa físicamente en el paquete, los diseños de CPU multinúcleo requieren mucho menos espacio en la placa de circuito impreso (PCB) que los diseños SMP multichip . Además, un procesador de doble núcleo consume un poco menos de energía que dos procesadores de un solo núcleo acoplados, principalmente debido a la menor potencia necesaria para controlar las señales externas al chip. Asimismo, los núcleos comparten algunos circuitos, como la caché L2 y la interfaz con el bus frontal (FSB). En cuanto a las tecnologías que compiten por el área disponible del chip de silicio, el diseño multinúcleo puede utilizar diseños de bibliotecas de núcleos de CPU ya probadas y producir un producto con menor riesgo de errores de diseño que si se diseñara un nuevo diseño con más núcleos. Además, añadir más caché presenta rendimientos decrecientes.

Los chips multinúcleo también permiten un mayor rendimiento con menor consumo de energía. Esto puede ser un factor importante en dispositivos móviles que funcionan con baterías. Dado que cada núcleo en una CPU multinúcleo suele ser más eficiente energéticamente, el chip resulta más eficiente que si tuviera un único núcleo monolítico grande. Esto permite un mayor rendimiento con menos energía. Sin embargo, un desafío en este sentido es la sobrecarga adicional que supone escribir código paralelo. ^{[ 19 ]}

Para aprovechar al máximo los recursos informáticos que ofrecen los procesadores multinúcleo, es necesario realizar ajustes tanto en el sistema operativo como en el software de aplicación existente. Asimismo, la capacidad de los procesadores multinúcleo para mejorar el rendimiento de las aplicaciones depende del uso de múltiples hilos dentro de las mismas.

La integración de un chip multinúcleo puede reducir el rendimiento de producción de chips. También son más difíciles de gestionar térmicamente que los diseños de un solo núcleo de menor densidad. Intel ha contrarrestado parcialmente este primer problema creando sus diseños de cuatro núcleos mediante la combinación de dos chips de doble núcleo en un solo chip con una caché unificada, por lo que se pueden usar dos chips de doble núcleo que funcionen, en lugar de producir cuatro núcleos en un solo chip y requerir que los cuatro funcionen para producir una CPU de cuatro núcleos. Desde un punto de vista arquitectónico, en última instancia, los diseños de CPU de un solo núcleo pueden aprovechar mejor la superficie de silicio que los núcleos de procesamiento múltiple, por lo que un compromiso de desarrollo con esta arquitectura puede conllevar el riesgo de obsolescencia. Finalmente, la potencia de procesamiento bruta no es la única limitación del rendimiento del sistema. Dos núcleos de procesamiento que comparten el mismo bus del sistema y ancho de banda de memoria limitan la ventaja de rendimiento en el mundo real.

La tendencia en el desarrollo de procesadores ha sido hacia un número cada vez mayor de núcleos, a medida que los procesadores con cientos o incluso miles de núcleos se vuelven teóricamente posibles. ^{[ 20 ]} Además, los chips multinúcleo combinados con multihilo simultáneo , memoria en chip y núcleos "heterogéneos" (o asimétricos) de propósito especial prometen mayores ganancias de rendimiento y eficiencia, especialmente en el procesamiento de aplicaciones multimedia, de reconocimiento y de redes. Por ejemplo, un núcleo big.LITTLE incluye un núcleo de alto rendimiento (llamado 'big') y un núcleo de bajo consumo (llamado 'LITTLE'). También hay una tendencia hacia la mejora de la eficiencia energética al centrarse en el rendimiento por vatio con una gestión de energía avanzada de grano fino o ultrafino y escalado dinámico de voltaje y frecuencia (es decir, computadoras portátiles y reproductores multimedia portátiles ).

Los chips diseñados desde el principio para un gran número de núcleos (en lugar de haber evolucionado a partir de diseños de un solo núcleo) a veces se denominan diseños multinúcleo , lo que enfatiza las diferencias cualitativas.

La composición y el equilibrio de los núcleos en la arquitectura multinúcleo muestran una gran variedad. Algunas arquitecturas utilizan un diseño de núcleo repetido de forma consistente ("homogénea"), mientras que otras utilizan una mezcla de diferentes núcleos, cada uno optimizado para una función diferente, " heterogénea ".

La forma en que se implementan e integran los múltiples núcleos afecta significativamente tanto las habilidades de programación del desarrollador como las expectativas del consumidor respecto a las aplicaciones y la interactividad del dispositivo. ^{[ 21 ]} Un dispositivo anunciado como de ocho núcleos solo tendrá núcleos independientes si se anuncia como True Octa-core , o con un estilo similar, en lugar de ser simplemente dos conjuntos de cuatro núcleos cada uno con velocidades de reloj fijas. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

El artículo "Diseñadores de CPU debaten el futuro multinúcleo" de Rick Merritt, EE Times 2008, ^{[ 24 ]} incluye estos comentarios:

Chuck Moore [...] sugirió que las computadoras deberían ser como los teléfonos celulares, utilizando una variedad de núcleos especializados para ejecutar software modular programado por una interfaz de programación de aplicaciones de alto nivel.

[...] Atsushi Hasegawa, ingeniero jefe sénior de Renesas , coincidió en general. Sugirió que el uso de múltiples núcleos especializados que trabajan en conjunto en los teléfonos móviles es un buen modelo para futuros diseños multinúcleo.

[...] Anant Agarwal , fundador y director ejecutivo de la startup Tilera , adoptó una postura contraria. Afirmó que los chips multinúcleo deben ser conjuntos homogéneos de núcleos de propósito general para mantener la simplicidad del modelo de software.

Los proveedores pueden licenciar algunos programas "por procesador". Esto puede generar ambigüedad, ya que un "procesador" puede constar de un solo núcleo o de una combinación de núcleos.

• Inicialmente, para algunos de sus programas empresariales, Microsoft continuó utilizando un sistema de licencias por socket . Sin embargo, para algunos programas como BizTalk Server 2013 , SQL Server 2014 y Windows Server 2016 , Microsoft ha cambiado a licencias por núcleo. ^{[ 27 ]}
• Oracle Corporation considera un procesador AMD X2 o una CPU Intel de doble núcleo como un solo procesador , pero utiliza otras métricas para otros tipos, especialmente para procesadores con más de dos núcleos. ^{[ 28 ]}

• Adapteva Epiphany es una arquitectura de procesador multinúcleo que permite integrar hasta 4096 procesadores en un chip, aunque solo se ha producido comercialmente una versión de 16 núcleos.
• Aeroflex Gaisler LEON3 , un procesador SPARC multinúcleo que también existe en una versión tolerante a fallos .
• Ageia PhysX , una unidad de procesamiento físico multinúcleo .
• Ambric Am2045, una matriz de procesadores masivamente paralelos (MPPA) de 336 núcleos .
• AMD
  • Serie A , unidades de procesamiento acelerado (APU) de doble, triple y cuádruple núcleo.
  • Procesadores de escritorio Athlon 64 FX y Athlon 64 X2 de uno y dos núcleos.
  • Procesadores de escritorio Athlon II de doble, triple y cuádruple núcleo.
  • Procesadores de escritorio de la serie FX , de cuatro, seis y ocho núcleos.
  • Procesadores Opteron para servidores y estaciones de trabajo, de uno, dos, cuatro, seis, ocho, doce y dieciséis núcleos.
  • Procesadores Phenom de doble, triple y cuádruple núcleo.
  • Procesadores de escritorio Phenom II de doble, triple, cuádruple y sexta etapa.
  • Procesadores Sempron de nivel básico de uno, dos y cuatro núcleos. ^{[ 30 ]}
  • Turion , procesadores para portátiles de uno y dos núcleos.
  • Procesadores Ryzen de doble, cuádruple, 6, 8, 12, 16, 24, 32, 64, 128 y 192 núcleos para plataformas de escritorio, móviles y embebidas.
  • Procesadores Epyc para servidores y sistemas embebidos, con arquitecturas de cuatro, ocho, doce, dieciséis, veinticuatro, treinta y sesenta y cuatro núcleos.
  • GPU/ GPGPU Radeon y FireStream .
• Analog Devices Blackfin BF561, un procesador simétrico de doble núcleo.
• ARM MPCore es un contenedor multinúcleo totalmente sintetizable para los núcleos de procesador ARM11 MPCore y ARM Cortex-A9 MPCore , diseñado para aplicaciones integradas y de entretenimiento de alto rendimiento.
• Módem ASOCS X, hasta 128 núcleos, aplicaciones inalámbricas.
• Sistemas Azul
  • Vega 1, un procesador de 24 núcleos, fue lanzado en 2005.
  • Vega 2, un procesador de 48 núcleos, se lanzó en 2006.
  • Vega 3, un procesador de 54 núcleos, fue lanzado en 2008.
• Broadcom
  • SiByte SB1250, SB1255, SB1455
  • SoC ARM de cuatro núcleos BCM2836, BCM2837, BCM2710 y BCM2711 (diseñados para diferentes modelos de Raspberry Pi )
• Cadence Design Systems Tensilica Xtensa LX6, disponible en una configuración de doble núcleo en el ESP32 de Espressif Systems.
• ClearSpeed
  • CSX700, procesador de 192 núcleos, lanzado en 2008 (punto flotante de 32/64 bits; ALU de enteros).
• Los procesadores de señal digital (DSP) multinúcleo Cradle Technologies CT3400 y CT3600.
• Cavium Networks Octeon, una MPU MIPS de 32 núcleos .
• Procesador Coherent Logix hx3100 , un procesador DSP/GPP de 100 núcleos.
• Procesadores de la serie QorIQ de Freescale Semiconductor , hasta 8 núcleos, MPU Power ISA .
• Procesadores PA-RISC de doble núcleo Hewlett-Packard PA-8800 y PA-8900 .
• IBM
  • POWER4 , un procesador PowerPC de doble núcleo , lanzado en 2001.
  • POWER5 , un procesador PowerPC de doble núcleo, lanzado en 2004.
  • POWER6 , un procesador PowerPC de doble núcleo, lanzado en 2007.
  • POWER7 , un procesador PowerPC de 4, 6 y 8 núcleos, lanzado en 2010.
  • POWER8 , un procesador PowerPC de 12 núcleos, lanzado en 2013.
  • POWER9 , un procesador PowerPC de 12 o 24 núcleos, lanzado en 2017.
  • Power10 , un procesador PowerPC de 15 o 30 núcleos, lanzado en 2021.
  • PowerPC 970 MP, un procesador PowerPC de doble núcleo, utilizado en el Apple Power Mac G5 .
  • Xenon , un microprocesador PowerPC de triple núcleo con capacidad SMT utilizado en la consola de videojuegos Microsoft Xbox 360 .
  • El z10 , un procesador de cuatro núcleos con arquitectura z , se lanzó en 2008.
  • El z196 , un procesador de cuatro núcleos con arquitectura z, se lanzó en 2010.
  • zEC12 , un procesador z/Architecture de seis núcleos, lanzado en 2012.
  • El z13 , un procesador de ocho núcleos con arquitectura z, se lanzó en 2015.
  • El z14 , un procesador z/Architecture de diez núcleos, se lanzó en 2017.
  • El z15 , un procesador con arquitectura z de doce núcleos, se lanzó en 2019.
  • Telum , un procesador z/Architecture de ocho núcleos, se lanzó en 2021.
• Infineon
  • Áurix
  • Danube, un procesador de doble núcleo basado en MIPS para aplicaciones domésticas .
• Intel
  • Procesadores Atom , de un solo núcleo, doble núcleo, cuádruple núcleo, 8, 12 y 16 núcleos para netbooks , nettops , aplicaciones integradas y dispositivos móviles de internet (MID). ^{[ 31 ]}
  • Atom SoC (sistema en un chip) , procesadores de un solo núcleo, doble núcleo y cuádruple núcleo para teléfonos inteligentes y tabletas. ^{[ 32 ]}
  • Celeron , el primer procesador de doble núcleo (y, posteriormente, de cuatro núcleos) para el mercado de gama baja/de entrada. ^{[ 33 ] [ 34 ]}
  • Core Duo , un procesador de doble núcleo. ^{[ 35 ]}
  • Core 2 Duo , un procesador de doble núcleo. ^{[ 36 ]}
  • Core 2 Quad , 2 chips de doble núcleo empaquetados en un módulo multichip. ^{[ 37 ]}
  • Core i3 , Core i5 , Core i7 y Core i9 , una familia de procesadores de doble, cuádruple, 6, 8, 10, 12, 14, 16 y 18 núcleos, y sucesores del Core 2 Duo y el Core 2 Quad . ^{[ 38 ]}
  • Procesadores Itanium de un solo núcleo, doble núcleo, cuatro núcleos y ocho núcleos. ^{[ 39 ]}
  • Procesadores Pentium , de un solo núcleo, de doble núcleo y de cuatro núcleos para el mercado de gama de entrada. ^{[ 40 ]}
  • El chip de investigación de teraflops (Polaris), un  prototipo de procesador de 3,16 GHz y 80 núcleos, que la compañía declaró originalmente que se lanzaría en 2011. ^{[ 41 ]}
  • Procesadores Xeon de doble, cuádruple, 6, 8, 10, 12, 14, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 32, 48 y 56 núcleos. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]}
  • Procesadores Xeon Phi de 57, 60, 61, 64, 68 y 72 núcleos. ^{[ 48 ] [ 49 ]}
• IntellaSys
  • SEAforth 40C18, un procesador de 40 núcleos. ^{[ 50 ]}
  • SEAforth24, un procesador de 24 núcleos diseñado por Charles H. Moore .
• Kalray
  • MPPA-256 , procesador de 256 núcleos, lanzado en 2012 (256 núcleos VLIW utilizables, red en chip (NoC), FPU compatible con IEEE 754 de 32/64 bits).
• Microsistemas NetLogic
  • XLP, un procesador MIPS64 de 32 núcleos y cuatro hilos .
  • XLR, un procesador MIPS64 de ocho núcleos y cuatro hilos.
  • XLS, un procesador MIPS64 de ocho núcleos y cuatro hilos.
• Samsung Electronics
  • Samsung Exynos
• Nvidia
  • RTX 3090 (128 núcleos SM, 10496 núcleos CUDA; ^{[ 3 ]} más otros núcleos más especializados).
• Parallax Propeller P8X32 , un microcontrolador de ocho núcleos .
• Serie picoChip PC200: entre 200 y 300 núcleos por dispositivo para DSP e inalámbrico.
• La serie Plurality HAL cuenta con procesadores de 16 a 256 núcleos estrechamente acoplados, memoria compartida L1 y sincronización por hardware.
• Rapport Kilocore KC256, un microcontrolador de 257 núcleos con un núcleo PowerPC y 256 "elementos de procesamiento" de 8 bits.
• Raspberry Pi Ltd. RP2040 , un microcontrolador dual ARM Cortex-M0+
• El nodo SiCortex cuenta con seis núcleos MIPS64 en un solo chip .
• SiFive
  • El U74 incluye 4 núcleos.
• El procesador Cell de Sony / IBM / Toshiba , un procesador de nueve núcleos con un núcleo PowerPC de propósito general y ocho SPU (Unidades de Procesamiento Sinérgico) especializadas optimizadas para operaciones vectoriales, se utiliza en la Sony PlayStation 3 .
• Sun Microsystems
  • MAJC 5200, procesador VLIW de dos núcleos.
  • Procesadores UltraSPARC IV y UltraSPARC IV+, de doble núcleo.
  • UltraSPARC T1 , un procesador de ocho núcleos y 32 hilos.
  • UltraSPARC T2 , un procesador de ocho núcleos y 64 hilos concurrentes.
  • UltraSPARC T3 , un procesador de dieciséis núcleos y 128 hilos concurrentes.
  • SPARC T4 , un procesador de ocho núcleos y 64 hilos concurrentes.
  • SPARC T5 , un procesador de dieciséis núcleos y 128 hilos concurrentes.
• Sunway
  • Sunway SW26010 , un procesador de 260 núcleos utilizado en el Sunway TaihuLight .
• Instrumentos Texas
  • TMS320C80 MVP , un procesador de vídeo multimedia de cinco núcleos.
  • TMS320TMS320C66, DSP de 2, 4 y 8 núcleos.
• Tilera
  • TILE64 , un procesador de 32 bits y 64 núcleos.
  • TILE-Gx , un procesador de 64 bits con 72 núcleos.
• Procesador de silicio de cuatro núcleos XMOS definido por software XS1-G4.

• OpenSPARC

• Stanford , procesador Hydra de 4 núcleos ^{[ 51 ]}
• Procesador RAW de 16 núcleos del MIT
• Universidad de California, Davis , Matriz asíncrona de procesadores simples (AsAP)
  • Procesador de 36 núcleos a 610  MHz AsAP
  • AsAP2 de 167 núcleos y 1,2  GHz
• Universidad de Washington , procesador Wavescalar
• Procesador TRIPS de la Universidad de Texas en Austin
• Universidad de Linköping , Suecia, procesador ePUMA
• UC Davis , Kilocore, un procesador de 1000 núcleos a 1,78  GHz en un  proceso IBM de 32 nm ^{[ 52 ]}