Espansione della CPU come argomento del giorno sui tavoli dell’IT. Vero è che anche in passato per scalare le prestazioni del data center e supportare una gamma di tecnologie nascenti le CPU multicore erano tematiche fondamentali. L’effervescenza dei produttori su questo argomento ha portato, dall’inizio degli anni 2000, ha un costante aumento del numero di core ospitati. L’espansione della CPU si basava un principio elementare: combinare molti processori su un singolo chip per migliorarne le prestazioni. Questi progressi sono direttamente collegati alla necessità dell’IT di poter contare su:
- server più potenti
- latenze dei data center inferiori
- larghezze di banda migliorate
Che cosa sono i chiplet
Uno degli obiettivi prioritari dei team IT è quello di aumentare le prestazioni delle applicazioni. Per farlo, devono usare più core, migliorare le velocità di clock e ricalibrare la memoria.
Dal momento che le dimensioni di un transistor sono ormai diventati una sfida a livello di progettazione e produzione, i fornitori si sono rivolti ai chiplet: bit di silicio più piccoli disposti in un unico grande pacchetto. Progettati per raggiungere prestazioni più elevate e obiettivi di alimentazione più efficienti, i chiplet aiutano i dati a spostarsi più velocemente e consentono sistemi di elaborazione più piccoli, più economici e più connessi.
Si tratta di componenti elettronici (die) costituiti da una sottile piastrina di materiale semiconduttore su cui viene realizzato il circuito del microprocessore. Con parti di chip impilate insieme su un interposer per formare un modulo multichip, la comunicazione tra più stampi diventa cruciale. I chiplet in silicio sono migliori in termini di resa: non solo sono meno soggetti a difetti ma offrono ai data center anche nuove prestazioni, maggiori vantaggi in termini di potenza, riducendo i costi di elaborazione. In sintesi, i chiplet possono aiutare le organizzazioni a scalare la potenza di elaborazione, abilitando un’espansione della CPU più funzionale.
Come i chiplet possono aiutare l’espansione della CPU
Le interconnessioni aiutano i chiplet a comunicare attraverso connessioni ad alta velocità. La comunicazione avviene tramite il posizionamento orizzontale 2D e le connessioni verticali 3D dei chip logici. La creazione in silicio consente agli architetti di combinare blocchi IP e tecnologie di processo con elementi di memoria e I / O in nuovi fattori di forma del dispositivo. Si tratta di un tipo di progettazione che fornisce una maggiore larghezza di banda e minori latenze per i processori, perché i multi-die e le interconnessioni garantiscono un livello di prestazioni pari a un singolo pezzo di silicio ininterrotto. In una catena di produzione di chip, team separati possono progettare e ottimizzare chiplet per combinarli e abbinarli andando a costituire rapidamente nuovi sistemi con maggiore potenza elaborativa.
Opzioni delle CPU attuali: aumento dei socket e multithreading
Invece di avere un singolo core di elaborazione, la maggior parte delle CPU odierne è costituita da più core che eseguono contemporaneamente numerose funzioni. Oltre ai dual e quad core, i produttori realizzano CPU a sei, otto, 10, 12 e 16 core.
Oltre all’aumento dei core, a migliorare le prestazioni di un’applicazione contribuisce il multithreading. La tecnica consiste nell’avvalersi di un supporto hardware da parte di un processore, tale da consentire l’esecuzione di più thread e si differenzia da quella alla base dei sistemi multiprocessore per il fatto che i singoli thread condividono lo stesso spazio d’indirizzamento, la stessa cache e lo stesso translation lookaside buffer.
- I sistemi multiprocessore sono dotati di più unità di calcolo indipendenti per le quali l’esecuzione è effettivamente parallela.
- Un sistema multithread è dotato di una singola unità di calcolo che si cerca di utilizzare al meglio eseguendo più thread nella stessa unità di calcolo.
Le due tecniche sono complementari: a volte i sistemi multiprocessore implementano anche il multithreading per migliorare le prestazioni complessive del sistema. Entrambe abilitano i sistemi su larga scala su diversi casi d’uso.
Focus sul multithreading
Oltre alle CPU multi-core, il multithreading sfrutta il potenziale di concorrenza dei casi d’uso a elevato contenuto di dati, compensando le inefficienze del processore attraverso l’esecuzione simultaneamente di più flussi di istruzioni che vanno a migliorare anche le prestazioni complessive del server.
Ad esempio, in un processore a quattro core con hyperthreading, la CPU raggiunge il threading equivalente di un processore a otto core. Questi core virtuali condividono le stesse risorse e possono aumentare in modo significativo la potenza di calcolo complessiva, il che aiuta ad aumentare le CPU fisiche.
Espansione della CPU a livello granulare
I progressi nella progettazione della CPU comportano miliardi di transistor microscopici montati su un chip da computer. Poiché il numero di transistor su un chip aveva ormai raggiunto il limite massimo, i produttori si sono successivamente concentrati sulle dimensioni maggiori dei die. Tuttavia, questo approccio ha comportato un aumento del consumo di energia e una riduzione dei rendimenti di produzione.
I produttori di CPU si stanno allontanando dai singoli chip monolitici per costruire processori composti da pezzi modulari più piccoli che possono essere ricombinati in nuovi modelli. Questo è il risultato di una maggiore diversità di componenti integrati, come circuiti grafici e array di porte programmabili sul campo.
CPU sempre più potenti ma anche sottoutilizzate
Sebbene i processori dual-socket siano uno status quo consolidato, le organizzazioni possono sottoutilizzare le CPU, il che comporta inefficienze in termini di costi e risorse. Il crescente problema dell’alimentazione dei rack e l’aumento della domanda computazionale guidata dalle tecnologie affamate di dati hanno aumentato l’adozione di server edge e single-socket. Anche per questo i produttori di chip continuano a migliorare le prestazioni e la capacità di espansione della CPU.
Il futuro del design dei chiplet e delle CPU
Il settore dei chiplet continua a progredire. Nel 2019 è nato il gruppo di lavoro Open Domain-Specific Architecture che stabilisce gli standard di settore oltre a definire un ecosistema praticabile. Per costruire chip in modo indipendente, i produttori necessitano di prodotti chiplet standardizzati. Il successo di questo approccio dipende dalla definizione di standard aperti globali.
I limiti delle dimensioni dei processori fanno sì che i produttori di chip si concentrino sulla creazione di più capacità della CPU tramite multicore, cache e sistemi su un chip anziché processori più veloci. Con più chiplet impilati in un unico circuito integrato, i produttori possono assemblare rapidamente prodotti da una varietà di componenti CPU intercambiabili. Il che significa che i chiplet stanno spianando la strada alle future costruzioni modulari delle CPU assemblate, a supporto di tutte le attività di elaborazione specifiche. Il tutto utilizzando componenti di sistema pronti all’uso. Gli ingegneri potranno progettare i propri chiplet, senza preoccuparsi di conflitti con reti interposer o chiplet di altri produttori.
