Enerji ile Gururlu CISC Tasarımı

On yıllardır, işlemci tasarımının güç tüketimine karşı baskıya maruz kaldığı anlatı. Kompleks Öğretim Setleri Bilişim (CISC) mimarlıkları, x86 ailesi tarafından epitomized, genellikle güç tasarrufunda hayatta kalmamış - onlar düşük performanslı hesaplama için neyin mümkün olduğunu yeniden tanımlamak için en uygun yeniliklerdir.

Bu dönüşüm, donanım ve mikroaritekture ilerlemelerinin bir etkisi ile yönlendirilir. RISC (Redükrasyon Set Computing) Mimarlıkları bir kez güç verimsiz sohbete hükmedmiş, modern CISC işlemcisi, karmaşık bir mühendislikle boşluğu kapattı. Sonuç, güç profiline dinamik olarak adapte olabilecek yeni bir işlemci tasarımıdır, her transistör seviyesindeki en aza indirmek ve benzeri olmayan performans-per-watt metrikleri sunmaktır.

Foundational Evolution: Saat Hıztan Enerji Proportionality

CISC tasarımının ilk yılları saat frekanslarını artırmak için sürekli bir yarış tarafından tanımlanmıştır. Intel Pentium 4, örneğin, 3 GHz'in ötesine geçti, ancak muazzam güç dağılımı ve ısı maliyetine kadar endüstri sonunda bir ısı duvarı vurdu, mimari verimlilik için frekans ölçeklendirmeye yol açtı.

Dennard Scaling'in Sonu

Dennard ölçeklendirme, ki bu, transistörlerin shrank, güç yoğunluğu sürekli olarak kaldı, 90nm node civarında bozuldu. Leakage akımları ve gerilim ölçeklendirme sınırlamaları, daha küçük transistörlerin artık otomatik olarak azaltılmadığını ifade etti. CISC tasarımcıları "shrink ve hız yukarı" naif yaklaşımının ve bunun yerine enerji orantılı hesaplamasına odaklanmak zorunda kaldı - iş başına yapılan gücü tüketen çipler, sabit, atıksuz bir şekilde değil.

Multi-Core ve Heterogeneous Mimarlıkların Yükselişi

En önemli cevaplardan biri çok çekirdekli tasarımlara çok önemliydi. Sıcak, yüksek frekanslı bir çekirdek yerine, CISC işlemcileri artık bireysel olarak güçlendirilebilecek birden fazla temel haline getiriyor veya paralellik yoluyla devam ederken daha yakın zamanda, heterojen mimariler – aynı ölülere daha küçük "aktif" çekirdekler kullanarak güçlü bir "perestlik" çekirdeği – verimli bir CISC tasarımının bir işareti haline geliyor.

Bu yaklaşım, işletim sisteminin arka plan görevlerini veya düşük yük enerji tüketimini zirve performansından vazgeçmesine izin verir, AMD'nin çiplet tasarımını ayrı I/O'nun ölmesi ve CCD'leri (Core Kompleks Dies) talep eden uygulamalar, işlemcinin farklı bölgelerindeki dramatik bir azalma sağlar.

Donanım-Level Power Management Innovations

Temel sayın ötesinde, modern CISC işlemcileri, nanosaniye granularity'de gücü yönetmek için gelişmiş devreler ve algoritmaları içeriyor. Bu donanım mekanizmaları, enerji verimliliği için görünmez ancak önemli.

Dinamik gerilim ve Frekans Scaling (DVFS) 2.0

Geleneksel DVFS, CPU kullanımına dayanan tüm adımlarda gerilim ve frekans ölçeklendirme. Modern CISC işlemciler her bir çekirdek bağımsız olarak işletim noktası haline geldiğinde, Intel'in Hız Geçiş teknolojisi, bu daha hızlı kontrol etme, daha hızlı verimlilik sağlar.

Güç Gating ve Fine-Grateed Clock Gating

Güç, kullanımda olmayan tüm mantık bloklarına güç katar.Modern CISC çiplerinde, tüm temeller, önbellek dilimler, bellek kontrolörleri ve hatta belirli işlevsel güç tüketimini engeller. Gelişmiş tasarımları her iki teknikle birleştirir: Kısa bir süre boyunca hangi hesaplar uygulanır ve elektrik kapıları, örneğin daha uzun boş bir süreler içinde, hızlar ve mantıkla dolu bir şekilde kesintiye uğrar.

Adaptif Vücut Biasing ve Near-Threshold Computing

Daha fazla gerilim azaltmak için, bazı CISC çipleri, 10 veya daha fazla işlemden dolayı dönüştürücü bir vücut önyargısı ile deneymektedir.Intraseptörleri iş yükü ve sıcaklık üzerine kuruludur. Yakın-tavre gerilimi (NTV) hesaplaması, tedarik geriliminin transistör eşik eşiğine yakın olduğu, işlemden dolayı geleneksel olarak zorlanabilir bir şekilde güç kesebilir.

Enerji Verimliliği Refineksiyonu için Mikroarite Refinement

CISC'nin eğitim seti mimarisi, değişken uzunlukta talimatlar ve birçok adresleme modları ile doğal olarak karmaşıktır. Geleneksel olarak, bu karmaşıklık yüksek kodlu enerjiye yol açtı. Ancak, mühendisler bu karmaşıklığı verimli hale getiren bir dizi mikroarite tekniği geliştirdiler.

Mikro-op Caches ve Decode

Tekrar tekrarlanan karmaşık x86 talimatları yerine (bu, 1 ila 15 taneleri olabilir), modern CISC işlemcileri, kodlanmış mikro-işlemler (μops) Intel'in çoklu μop önbellek depoları tek bir girişe kadar birleştirir, daha önbellekli görünüm enerji kodlama mantığını azaltır.Bu, eğitim ve kodlu boru hattını %30'a kadar azaltır.In tandem, decode füzyon, birden fazla μops birleştirir.

Macro-op Fusion ve Micro-op Fusion

Makro-op füzyon, iki basit x86 talimatları birleştirir (örneğin, bir yük ve ALU operasyonu tarafından takip edilen bir karşılaştırma) boru hattında ilk önce tek bir makro-işmana kadar, işlenme ihtiyacı olan μop sayısını azaltır. Mikro-opfüzyon, iki μops (örneğin bir yük ve ALU operasyonu) bir araya getirerek bu adımı bir araya getirir ve tek bir uygulama portunda yürütür.

Verimli Out-of-Order Execution Engines

Out-of-order execution yüksek performanslı CISC işlemcilerinin bir göstergesidir, ancak aslında tüm talimatları yayınlamaya hazır olan bağlı talimatları (ROB), rezervasyon istasyonları ve sıkıştırılmış mantık. Yenier tasarımlar hem de güç uygular.).

Önbelli Hierarchy Optimizasyonları

Bellek erişimi büyük bir enerji tüketicidir. CISC işlemcileri, giriş başına enerjiyi azaltmalarını sağlayan önbellekleri geri döndürür. Innovations include [[ENFLT:0)[Döneticileri olmayan önbellekleri için) bazı Intel işlemcileri paket üzerinde büyük bir L4 önbellekeğe sahiptir (örneğin, Crystal eDRAM inz.

Eğitim, Güç Verimliliği için Hazırlanmışlar

Paradoksal olarak, CISC ISA'ya daha fazla talimat eklemek aslında tek bir karmaşık operasyon gerçekleştirirse, basit olanlardan daha ziyade optimize edilmiş bir adım. x86 mimarisi, eğitim sayma ve hafıza trafiği ile gücü azaltmak için özel olarak tasarlanmış bir genişleme gördü.

AVX-512 ve VNNI: Power-Efficient Vector Processing

Vector AVX-512 (Advanced Vector Extensions) ve VNNI (Vector Neural Network Talimatlar) çoklu veri elementlerini işlemek için tek talimatları etkinleştirir.Informllel iş yükleri için AI inference, medya encoding, ve bilimsel hesaplamalar, bu talimatlar büyük ölçüde kullanım sırasında kontrol altına alınamayan birimlerin sayısını azaltır.

Kriptografik ve Kombinasyon Talimatları

AES şifrelemesi için özel talimatlar, SHA, birçok şube talimatları ve hafıza erişimleri için gerekli olan gücü azaltmıyor (örneğin, AES-NI, yazılım döngüsündeki bu görevlerin yazılım döngüsünden özel donanıma kadar uzak tutulmasını sağlayabilir.Bu sadece performans artışına rağmen, birçok şube talimatları ve hafıza erişimleri ortadan kaldırır. Örneğin, AES-NI tek bir talimatda tam bir şifreleme turu gerçekleştirebilir, yazılım destekli S-box görünümünden çok daha az enerji tüketebilir.

İşlemsel senkronizasyonlar (TSX) ve Donanım Kilit Elision

Çok hazır yazılımlarda senkronizasyon genellikle kilitlere dönüş içerir, bu da sınırlı bir kabule sahip. Intel'in TSX'i (şimdi kısmen güvenlikten dolayı devre dışı bırakır), gelecekteki güç verimli CISC tasarımları için donanıma izin verir.

Sistem-Level Entegrasyonu ve Uncore Verimliliği

Güç verimliliği sadece CPU çekirdeği hakkında değil. "uncore" bileşenleri -memory kontrolörleri, IO hubs, interconnects ve bütünleşik grafikler - bu alanda önemli bir parça büyük yenilikler görmüş. CISC çipleri bu alanda büyük yenilikler görmüş.

Tümleşik Güç kontrolörleri (PCU)

Modern işlemciler, gerçek zamanlı olarak yüzlerce alan boyunca özel bir Power Control Unit (PCU) sahiptir. Bu seviyede CISC verimliliğini çalışan bir anahtar farklılaştırıcıdır, programlanabilir soğutma desteği, mevcut, kullanım ve güç teslimatı, frekans ve güç kapıları, ve güç kapıları, gerçek zamanlı ısı geçişi, frekans ve güç kapıları.

Yüksek-Band genişlik, Low-Power Interconnects

Multi-chip modüllerinde (MCM) AMD'nin çipiz tasarımı gibi, Inter-die interconnect (Infinity Fabric) enerji orantılılığı için optimize edilmiştir.In multi-chip modülleri (MCM) trafikten dinamik olarak değişebilir. Benzer şekilde, Intel'in EMIB (Embedd Multi-die Interconnect Bridge) daha kısa, düşük güç sinyalini kullanır.

Verimli DRAM kontrolörleri ve Memory Encryption

DRAM erişimleri, bir sistemde en güç tabanlı operasyonlardan biridir. CISC işlemcileri şimdi düşük güç sıralarını en aza indirmek ve yalnızca gerekli bankaları azaltmak için akıllı hafıza kontrollerini kullanır. Multi-channel memory kontrolörleri, yalnızca bir kanala ihtiyaç duyulduğunda kısmen güç kapısında kullanılabilir.

Gerçek Dünya Etkisi: Veri Merkezlerinden Edge Cihazlarına

Yukarıda açıklanan yenilikler teorik değildir. Doğrudan gerçek dünya dağıtımlarında ölçülebilir güç tasarruflarına çevirirler.

Veri Merkezi Verimliliği ve TCO

Hiper ölçekli veri merkezleri, toplam mülk maliyetinin önemli bir kısmı için güç hesapları (TCO) Modern CISC sunucuları Intel (Xeon Scalable) ve AMD (EPYC), [[DÜcretsiz C-states:0)[Döneticileri düşük yük sırasında uyuyabilmelerine izin verenler için, Google'ın özel Intel Xeons'tan aldığı yükleri tamamen azaltabileceklerdir.

Mobil Performans ve Battery Life

Mobil cephede, Intel'in Core işlemcileri (Fron Gölü'ne Gökyüzünden) büyük ölçüde dizüstü bilgisayarlarda batarya hayatını geliştirdiler.Alder Lake'deki E-cores'ın tanıtımı, en büyük etkiyi elde etmek için düşük maliyetli ve endüstriyel alanda elde etmek için ince-ve ışıklı ultrakitaplara izin verdi, Intel'in gücü ile ilgili olarak kullanılan IP tipi bir IP cihazı gibi güçlü CISC işlemcileri de bu şekilde korumalıdır.

Edge AI ve Inference

CISC işlemcileri, güç bütçelerinin sıkı olduğu kenardaki AI inference için giderek daha fazla kullanılır. Intel's DL Boost (VNNI) ve AMD'nin AVX2-optest inference kütüphaneleri, sadece birkaç watt'ı çalıştırmaya ihtiyaç duymadan, sinir ağları verimli bir şekilde çalıştırmak için vektör uzantıları şarj etmek için daha iyi bir şekilde kullanır.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Bu ilerlemelere rağmen, önemli zorluklar kalır. CISC Öğretim decode'un temel karmaşıklığı hala RISC mimarisinin sahip olmadığı bir temel enerji maliyetine sahiptir.

Mimari Hibritler ve Chiplets

CISC'nin geleceği daha fazla karmalaştırmayı içerebilir. Intel'in önümüzdeki tasarımları özel görevler için özel RISC tabanlı bir ortak işleme dahil edebilir (bir yönetim motoru veya düşük güç bağlamı işleme ünitesi gibi). Chiplets aynı zamanda farklı süreci karıştırmaya izin verir - temeller için gelişmiş, güç verimli bir düğüm ve daha az pahalı, yüksek gerilim-tolerant için de.

AI-Driven Power Management

Makine öğrenimi, iş yük modellerini tahmin etmek ve proaktif olarak ayarlayarak gerilim, frekans ve güç kapı kararlarını belirlemek için kullanılır. Intel'in Dinamik Tuning Teknolojisi zaten ısı ve güç politikalarına adapte olmak için telemetri kullanır. Future işlemciler PCU'deki hafif sinir ağları daha hızlı, daha doğru güç yönetimi elde etmek için.

Silikonun Ötesinde: Gelişmiş Malzemeler ve Ambalaj

Kapıdaki tüm Around (GAA) gibi transistor yenilikler, karma bağını kullanarak önbellek ve mantıkla, modern CISC işlemcilerinde baskın bir güç olan veri hareketinin enerjisini azaltır.

Güvenlik-Efficiency Trade-offs

Spectre ve Meltdown açıkları bazen güç yükünü ekleyen mitigations uygulamak için CISC satıcılarını zorladılar. Bu, enerji verimliliğinin ödün vermeden bu güvenlik sorunlarını ele almalıdır. Bu, yeni yan kanala dayanıklı mikroariteklıklar geliştirmek veya spekülasyonlara güvenmeyen verimli donanım mitigations uygulamak anlamına gelir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

CISC işlemcilerinin doğal olarak güç verimsiz olduğu kavramı, güç yönetimindeki on yıllar boyunca, mikrokratılım, eğitim seti tasarımı ve sistem entegrasyonu, modern CISC çipleri, yüksek performanslı ve büyük yazılım ekosistemleri olarak ortaya çıktı.

Endüstri heterojen hesaplamaya doğru hareket ettikçe, çiplet mimarisi ve AI-güdümlü optimizasyon, güç verimliliğindeki boşluklar daralmaya devam edecektir. Burada belirtilen yenilikler sadece artmakta; CISC işlemcisinin enerji kısıtlanmış bir dünya için temel bir yeniden icatını temsil ediyorlar.

[FONT:0]Dönemli kaynaklar:[Dönemli:[Dönemli)

  • [FONT:0)Intel'in Hybrid Architecture (Alder Lake))[değiştir | kaynağı değiştir]
  • [FONT=0]AMD Chiplet Teknolojisi) - Güç ve performans için çiplet tabanlı tasarım.
  • [FONT:0]AnandTech'in Intel Mimarlık Günü 2020[Dönetici 1) için Kapak Bakımı[Döneticisel yeniliklerin ayrıntılı teknik tartışması.
  • [FONT:0)Wikipedia: Dinamik Gerilim Scaling[DVFS ve onun evrimi üzerinde plan.