Процессоры

Индустрия персональных компьютеров, какой мы её знаем, обязана своим появлением и развитием среде энтузиастов и предпринимателей, а также счастливому стечению обстоятельств. До возникновения PC бизнес-модель мейнфреймов и миникомпьютеров формировалась вокруг одной компании, обеспечивавшей целую экосистему: от изготовления оборудования до его монтажа, обслуживания, написания ПО и обучения операторов.

Такой подход вполне отвечал своим задачам в том мире, где, как казалось, компьютеров было нужно совсем немного. Эти системы были очень дорогими, но весьма прибыльными для компаний, потому что исходная цена и контракт на обслуживание обеспечивали стабильный поток доходов. Производители «больших железяк» не были первоначальной движущей силой персональных вычислений из-за цены, отсутствия стандартного программного обеспечения, кажущегося отсутствия спроса у людей на личные компьютеры, а также огромных прибылей, получаемых благодаря контрактам на производство и обслуживание мейнфреймов и миникомпьютеров.

Именно в такой атмосфере зародились персональные компьютеры, начавшись с любителей, искавших реализации своих творческих устремлений, не обеспечиваемых повседневной работой на монолитных системах. Изобретение микропроцессора, интегрированных микросхем DRAM и EPROM зародили интерес к широкому распространению высокоуровневых языков (разновидностей BASIC), что позже привело к возникновению GUI и превращению компьютеров в мейнстрим. Благодаря этому возникла стандартизация и популяризация оборудования, что наконец-то сделало персональные компьютеры достаточно доступными для людей.

На протяжении нескольких статей мы подробно рассмотрим историю микропроцессора и персонального компьютера, от изобретения транзистора до современных чипов, управляющих множеством связанных устройств.

Современная история противостояния Intel и AMD на процессорном рынке ведёт свой отсчет еще со второй половины 90-х. Эпоха грандиозных преобразований и выхода в мэйнстрим, когда Intel Pentium позиционировался как универсальное решение, а Intel Inside стал чуть ли не самым узнаваемым слоганом в мире, ознаменовалась яркими страницами в истории не только синих, но и красных – начиная с поколения K6, AMD неустанно соперничали с Intel во многих сегментах рынка. Однако именно события чуть более позднего этапа – первой половины нулевых – и сыграли важнейшую роль в появлении легендарной архитектуры Core, до сих пор лежащей в основе процессорной линейки Intel.

Немного истории, истоков и революции

Начало 2000-х годов во многом связывают с несколькими этапами в развитии процессоров – это и гонка за заветной частотой 1 ГГц, и появление первого двухъядерного процессора, и ожесточение борьбы за первенство в массовом десктопном сегменте. После безнадежного устаревания Pentium, и выхода на рынок Athlon 64 X2 Intel представила процессоры поколения Core, ставшие в итоге поворотной точкой в развитии индустрии.



Первые процессоры Core 2 Duo были анонсированы в конце июля 2006 года – более чем через год после выхода Athlon 64 X2. В работе над новым поколением Intel руководствовалась в первую очередь вопросами архитектурной оптимизации, добившись высочайших показателей энергоэффективности уже в первых поколениях моделей на базе архитектуры Core под кодовым названием Conroe – они превосходили Pentium 4 в полтора раза, и при заявленном теплопакете в 65 Вт стали, пожалуй, самыми энергоэффективными процессорами на рынке на тот момент. Выступая в роли догоняющей (что бывало нечасто), Intel реализовала в новом поколении поддержку 64-битных операций с архитектурой EM64T, новый набор инструкций SSSE3, а также обширный пакет технологий виртуализации на базе х86.


Кристалл микропроцессора Core 2 Duo

Квантовые компьютеры и квантовые вычисления — новый баззворд, который добавился в наше информационное пространство наряду с искусственным интеллектом, машинным обучением и прочими высокотехнологическими терминами. При этом мне так и не удалось найти в интернете материал, который бы сложил у меня в голове пазл под названием “как работают квантовые компьютеры”. Да, есть много прекрасных работ, в том числе и на хабре (см. Список ресурсов), комментарии к которым, как это обычно и бывает, еще более информативны и полезны, но картинка в голове, что называется, не складывалась.

А недавно ко мне подошли коллеги и спросили “Ты понимаешь как работает квантовый компьютер? Можешь нам рассказать?” И тут я понял, что проблема со складыванием в голове целостной картинки есть не только у меня.

В результате была сделана попытка скомпилировать информацию о квантовых компьютерах в непротиворечивую логическую схему, в которой бы на базовом уровне, без глубокого погружения в математику и структуру квантового мира, объяснялось что такое квантовый компьютер, на каких принципах он работает, а также какие проблемы стоят перед учеными при его создании и эксплуатации.

На конференции разработчиков системного и инструментального ПО – OS DAY 2016, которая прошла в г. Иннополис 9-10 июня 2016 (Казань) при обсуждении доклада о мультиклеточной архитектуре была высказана мысль, что она будет наиболее эффективной при решении задач искусственного интеллекта. Условия для разработки нового процессора общего назначения, ориентированного на задачи ИИ, сложились в текущем году.

Нейропроцессор Мультиклет S2, проект которого был впервые представлен на Huawei Innovation Forum 2019 является дальнейшим развитием мультиклеточной архитектуры. От ранее созданных мультиклетов он отличается системой команд, а именно вводом новых типов малоразмерных данных (с фиксированной и плавающей запятой) и операций с ними. Увеличено количество клеток – 256 и частота – 2,5 ГГц, что должно обеспечить пиковую производительность 81,9 TФлопс на 16F и, соответственно, сделать его сравнимым, в части нейровычислений, с возможностями современных специализированных ASIC TPU (TPU-3: 90 Тфлопс на 16F).

Так как эффективность использования процессоров в значительной мере зависит от оптимальности компилятора разработана развиваемая схема оптимизации кода.
Рассмотрим ее более подробно.

Производитель чипов исправил несколько проблем с чипами в мае. Теперь он выпускает очередное исправление, но сторонние аналитики говорят, что компания не сообщает о своих проблемах всей правды

В мае, когда Intel выпустила патч для группы дыр в безопасности, найденных исследователями в процессорах компании, она дала понять, что все проблемы были таким образом решены.

Однако это оказалось не всей правдой, если верить голландским исследователям из Амстердамского свободного университета, обнаруживших уязвимости и сообщивших об этом техногиганту в сентябре 2018. Программный патч, который должен был исправить проблему с процессорами, исправлял только некоторые из обнаруженных исследователями проблем.

И только через 6 месяцев был выпущен второй патч, публично представленный компанией в начале ноября, в котором реально исправляются все проблемы, об исправлении которых Intel рапортовала ещё в мае — так утверждают в своём интервью исследователи.

Исследователи из трёх европейских университетов раскрыли детали первой известной атаки на SGX.

Набор инструкций SGX (Software Guard eXtensions) позволяет приложению создавать анклавы — области в виртуальном адресном пространстве, защищённые от чтения и записи извне этой области другими процессами, включая ядро операционной системы. Анклавы изолированы на аппаратном и программном уровне: эта память физически отделена от остальной памяти процессора и зашифрована.

Атака Plundervolt (CVE-2019-11157) использует интерфейс ОС для управления напряжением и частотой процессора Intel — тот же интерфейс, который используется для разгона CPU при оверклокинге. Изменяя напряжение CPU, она за несколько минут извлекает данные из анклава, в том числе ключи шифрования.

Код демонстрационного эксплоита опубликован на GitHub. Уязвимые процессоры:

• Intel Core 6, 7, 8, 9 и 10 поколений
  
• Intel Xeon E3 v5 и v6
  
• Intel Xeon E-2100 и E-2200

Хочу рассказать о процессоре, который я разработал в 2016 году. Он реализован на C как виртуальная машина. Мой друг Бьёрн написал для него ассемблер на F#.

Periwinkle представляет собой процессор OISC (one instruction set computer), в отличие от RISC и CISC. У него нет никакой конвейеризации. По сути, производительность не является главной задачей проекта, он создан скорее для удовольствия и в учебных целях.

Моя подруга Алёна придумала ему название Periwinkle, то есть барвинок (этот удивительно живучий цветок считается символом жизненной силы — прим. пер.)

На этой неделе компания Intel поделилась долгосрочными планами по внедрению новых техпроцессов. Примерно в 2029 году Intel собирается внедрить техпроцесс с нормами 1,4 нм. Через 10 лет руководящая команда компании вряд ли будет той же самой, что и сегодня. Так что эти планы чем-то неуловимо напоминают притчу Ходжи Насреддина о начитанном ишаке, хане и учителе животного в лице самого Ходжи. К урочному часу ответчика может не оказаться. Но речь не об этом. Запланировали, значит, принимаем как руководство к действию.

В 2019 году на рынке десктопных процессоров стало интересно. Много лет здесь доминировала Intel, но AMD выпустила Ryzen 7 — прямых конкурентов моделям Intel i7. Потом серия ударов Ryzen 3 и 5 против Intel i3 и i5 — и добивание конкурента кувалдами Ryzen Threadripper 3960X и 3970X. Впрочем, эти монстры не для игрового рынка, а для иных приложений HEDT.

С 24/32-ядерными Threadripper компания AMD стала технологическим лидером. Intel ничего не может ответить на самые быстрые процессоры AMD, но пытается конкурировать во втором эшелоне более дешёвых CPU. Для этого Intel пришлось сильно снизить цены. Intel также продолжает манипуляции со своим компилятором, который замедляет выполнение программ на альтернативных процессорах (см ниже в разделе «Читерство компилятора Intel»).

Что же теперь? Какие лучшие игровые CPU в разных ценовых категориях? В конце ноября-начале декабря 2019 года свои рекомендации опубликовали AnandTech, WePC, PC Gamer, Digital Trends, Tom's Hardware, PC World. Посмотрим, что происходит на игровой сцене?

Материнcкая плата SynQuacer E-Series для 24-ядерного ARM-сервера на процессоре ARM Cortex A53 с 32 ГБ оперативной памяти, декабрь 2018 года

Много лет процессоры ARM с сокращённым набором команд (RISC) доминируют на рынке мобильных устройств. Но им так и не удалось пробиться в дата-центры, где по-прежнему властвуют Intel и AMD с набором инструкций x86. Периодически появляются отдельные экзотические решения, такие как 24-ядерный ARM-сервер на платформе Banana Pi, но серьёзных предложений пока нет. Точнее, не было до этой недели.

На этой неделе AWS запустила в облаке собственные 64-ядерные ARM-процессоры Graviton2 — это система-на-кристалле с ядром ARM Neoverse N1. Компания утверждает, что Graviton2 намного быстрее, чем ARM-процессоры предыдущего поколения в инстансах EC2 A1, а вот и первые независимые тесты.

Производители полупроводниковых устройств успешно освоили 10-нм техпроцесс. В статье рассказываем, кто выпускает микросхемы на его основе и когда ждать 5- и 3-нм технологии.

Недоступная роскошь от Intel: Core i9-9990XE с 14 ядрами на частоте 5,0 ГГц (1 часть)

Системные тесты

В разделе «Системные тесты» основное внимание уделяется тестированию в реальных условиях, с которыми сталкивается потребитель, с небольшим уклоном в пропускную способность. В этом разделе мы рассмотрим время загрузки приложения, обработку изображений, простую физику, эмуляцию, нейронное моделирование, оптимизированные вычисления и разработку трехмерных моделей, с использованием легкодоступного и настраиваемого программного обеспечения. Хотя некоторые из тестов попроще перекрываются возможностями больших продуктов, таких как PCMark, (мы публикуем эти значения в разделе офисных тестов), всё же стоит рассмотреть тестируемый объект с разных ракурсов. Во всех тестах мы подробно объясним, что тестируется, и как именно мы тестируем.

Intel выпустил свой самый быстрый потребительский процессор для настольных ПК: Core i9-9900KS, у которого все восемь ядер работают на частоте 5,0 ГГц. Вокруг нового процессора много шума, но не всем известно, что у компании уже есть процессор с тактовой частотой 5,0 ГГц, к тому же с 14 ядрами: Core i9-9990XE. Эта крайне редкая вещь не доступна для обычных потребителей: Intel продает ее только избранным партнерам, и только через аукцион, один раз в квартал, и без каких-либо гарантий со своей стороны. Сколько бы вы заплатили за такую роскошь? Ну что ж, нам удалось раздобыть один из этих монстров, чтобы проверить насколько он хорош.

Нейростики Intel NCS2, чипы Myriad X, решения сторонних производителей — компания Intel продвигает решения на базе Myriad X в самых различных вариантах.

Чем же так хороши эти ускорители? Во-первых, стоимостью одного FPS. Во-вторых, полной совместимостью с OpenVINO, где можно перенести существующие решения с CPU/GPU на стик или MyriadX без их доработки или дополнительной адаптации. Конечно же, адаптация это не особенность VPU, а, скорее, особенность OpenVINO, где каждая обученная сеть может работать на любой выбранной аппаратной платформе, будь то CPU, GPU, FPGA, VPU и выбор может быть сделан не до разработки, а после.

Существует масса вариантов для шифрования дисков, разделов и отдельных документов. На случай компрометации одного устройства есть даже федеративное распределение ключа, где для доступа требуется участие нескольких сторон (см. схему разделения секрета Шамира). Опции шифрования файловой системы предлагают широкий выбор возможностей, которые можно считать стандартной практикой для защиты статичных данных.

Другое дело — данные в оперативной памяти. Они хранятся в открытом виде и так же открыто передаются между памятью и CPU. В виртуализированной среде, если злоумышленник нашёл способ считать память с соседних виртуальных машин, он может получить доступ к данным других VM на сервере. Физические атаки возможны путём копирования чипов памяти или перехвата данных на шине. Угроза ещё более серьёзная в случае постоянной памяти, где данные сохраняются даже после отключения питания.

Технологии шифрования RAM направлены на устранение некоторых из этих атак. Хотя есть опасения, что на персональных компьютерах проявятся неожиданные «побочные эффекты» — например, невзламываемый DRM.

За последние два десятилетия не так часто появлялись CPU, которые можно назвать «революционными». Но компании AMD в ноябре 2019 года удалось сделать это. Первые тесты процессоров Ryzen Threadripper 3960X и 3970X (24 и 32 ядра, 7 нм, Zen 2) показывают, что это совершенно новый уровень производительности практически во всех приложениях, см. тесты Phoronix, тесты ExtremeTech, бенчмарки AnandTech, тесты Hot Hardware и др.

В тот же день 25 ноября Intel выпустила 18-ядерный Core i9 10980XE (Cascade Lake, минус тысяча долларов к цене). Впервые в истории Intel и AMD выпустили процессоры в один день.

С результатами тестов у нас теперь есть полная картина, и можно сделать вывод: Intel и AMD поменялись местами на рынке. Теперь уже AMD выпускает самые быстрые и дорогие процессоры. Intel не может сравниться с ними по производительности, поэтому вынуждена конкурировать со вторым эшелоном процессоров от AMD. Вот почему Intel пришлось кардинально снижать цены.

ИИ на отечественном железе

Рассказываем о том, как мы портировали свой фреймворк для нейронных сетей и систему распознавания лиц на российские процессоры Эльбрус.



Это была интересная задача, весной 2019 года мы рассказывали об этом в офисе Яндекса на большом митапе про Эльбрус, теперь делимся с Хабром.

Решение проблем с радиацией стало «поворотным моментом в истории космической электроники»

Фобос-Грунт, один из наиболее амбициозных космических проектов современной России, упал в океан в начале 2012-го. Этот космический корабль должен был сесть на поверхность потрёпанной марсианской луны Фобос, собрать образцы почвы, и привезти их обратно на Землю. Но вместо этого он несколько недель беспомощно дрейфовал на низкой околоземной орбите (НОО) из-за отказа бортового компьютера перед запуском двигателей, которые должны были отправить корабль в сторону Марса.

Схема компьютера CS-1 показывает, что большая часть отведена для питания и охлаждения гигантского «процессора-на-пластине» Wafer Scale Engine (WSE). Фото: Cerebras Systems

В августе 2019 года компания Cerebras Systems и её производственный партнер TSMC анонсировали крупнейшую микросхему в истории компьютерной техники. С площадью 46 225 мм² и 1,2 триллиона транзисторов микросхема Wafer Scale Engine (WSE) примерно в 56,7 раз больше, чем самый большой GPU (21,1 млрд транзисторов, 815 мм²).

Скептики говорили, что разработать процессор — не самая сложная задача. Но вот как он будет работать в реальном компьютере? Каков процент брака на производстве? Какое потребуется питание и охлаждение? Сколько будет стоить такая машина?

Похоже, инженерам Cerebras Systems и TSMC удалось решить эти проблемы. 18 ноября 2019 года на конференции Supercomputing 2019 они официально представили CS-1 — «самый быстрый в мире компьютер для расчётов в области машинного обучения и искусственного интеллекта».

Вслед за большим обновлением Intel Xeon W для рабочих станций трудоголиков увидели свет новые Xeon E — процессоры для серверов начального уровня. По сравнению с предшественниками количество ядер увеличилось, а цена осталась на прежнем уровне — то есть в пересчете на ядро Xeon E также подешевели.