Customer Built Testers

Phát triển từ đa nhân tới nhiều nhân

Email In PDF.

Trong lĩnh vực đo lường và kiểm thử, tốc độ xung nhịp vi xử lý nhanh hơn làm giảm thời gian và chi phí. Mặc dù nhiều công ty, đặc biệt các công ty điện tử gia dụng và bán dẫn, đã hưởng lợi từ việc nâng cấp các máy tính điều khiển phần cứng kiểm thử, nhiều công ty vẫn phụ thuộc vào tốc độ xung nhịp cao hơn để tăng hiệu suất tính toán.

Tốc độ xung nhịp nhanh hơn tỉ lệ nghịch với hiệu quả năng lượng và tản nhiệt của vi xử lý. Vì vậy trong thập kỷ qua, ngành công nghiệp máy tính đã tập trung vào việc tích hợp nhiều yếu tố xử lý song song  hoặc nhiều lõi thay vì gia tăng tốc độ xung nhịp nhằm tăng hiệu quả xử lý của CPU. Định luật Moore nói rằng số lượng transistor tăng gấp đôi mỗi hai năm, và các nhà cung cấp vi xử lý sử dụng thêm transistor để sản xuất thêm nhân. Ngày nay, vi xử lý hai và bốn nhân phổ biến trong các phân khúc máy tính để bàn, điện thoại di động và máy tính di động, và các máy chủ thường có 10 nhân hoặc hơn.

Trước đây, ngành đo lường và kiểm thử đã dựa vào các máy tính sử dụng dòng vi xử lý của máy tính để bàn hoặc máy chủ để cho hiệu suất cao hơn. Nhưng xu hướng thị trường gần đây cho thấy, phân khúc máy tính để bàn của ngành công nghiệp máy tính đang bị thu hẹp. Từ quý 3/2013 đến quý 3/2014, Intel tăng trưởng 21% với máy tính xách tay, so với chỉ 6% của máy tính để bàn. Xu hướng này cho thấy người tiêu dùng phổ thông đang hướng tới các nền tảng di động có cấu hình mạnh như Ultrabook, máy tính bảng, và máy tính all-in-one. Để giải quyết tốt hơn các nhu cầu của phân khúc thị trường đang phát triển nhanh này, ngành công nghiệp máy tính đang tập trung vào việc cải thiện hiệu năng đồ họa và hiệu quả năng lượng của vi xử lý trên các thiết bị di động và máy tính để bàn. Việc tăng hiệu suất tính toán cho các loại vi xử lý nói chung là một vấn đề thứ cấp. Vi xử lý điện thoại di động và máy tính để bàn cao cấp sẽ tiếp tục đáp ứng đủ hiệu suất xử lý cho các ứng dụng kiểm thử và đo lường. Tuy nhiên, hạn chế trong khả năng xử lý thô giữa của thế hệ vi xử lý mới là điều được dự đoán.

Đối với vi xử lý máy chủ, ứng dụng  chính  là các hệ thống công nghệ thông tin, trung tâm dữ liệu, điện toán đám mây, và tính toán hiệu suất cao phục vụ nghiên cứu trong thương mại cũng như trong học thuật. Các ứng dụng này có nhiều tính toán chuyên sâu đáng kể và đang thúc đẩy ngành công nghiệp máy tính tiếp tục đầu tư trong việc tăng khả năng tính toán thô của các loại vi xử lý máy chủ. Các ứng dụng này vốn đã chạy song song, và thường tạo ra nhiều máy ảo hay nhiều quy trình phần mềm dựa trên nhu cầu của người sử dụng. Mô hình sử dụng của các ứng dụng này cùng với mối quan tâm về hiệu suất năng lượng của vi xử lý đang dẫn dắt ngành công nghiệp máy tính đến việc bổ sung thêm nhiều nhân xử lý hơn là tập trung nâng cao tần số của nhân. Như một ví dụ, vào cuối năm 2014 Intel cho ra đời vi xử lý Xeon E5-2699 v3 với 18 nhân xử lý đa nhiệm.

ban lv_inst_cntrl_meas_540x150

Trong vòng 5 năm qua, các ứng dụng đơn luồng đã đạt được tăng trưởng hiệu năng khi tiến đến các thế hệ tiếp theo của vi xử lý bằng cách tận dụng những cải tiến như công nghệ Intel Turbo Boost. Nhưng bằng chứng từ những xu hướng của ngành công nghiệp máy tính cho thấy, các ứng dụng này sẽ khó tiếp tục mang đến những lợi ích. Các ứng dụng được thiết kế để tận dụng việc tính toán song song có thể dựa vào lợi ích của các nhân được bổ sung để đạt sự gia tăng hiệu suất ấn tượng. Những kỹ sư sử dụng máy tính nhúng NI PXI, thuộc dòng máy tính mô-đun, đã quen với sự gia tăng hiệu suất tính toán từ 15% tới 40% bằng cách điều chỉnh các ứng dụng của họ thành đa luồng và nâng cấp lên các thế hệ vi xử lý tiếp theo. Nếu không có sự quan tâm thích hợp trong  việc tạo ra ứng dụng chạy song song, những lợi ích sẽ là rất nhỏ.  

Nhiều nhân

Nhân của vi xử lý đang được làm cho nhỏ hơn, điện năng tiêu thụ ít hơn.Những vi xử lý đang trở thành “nhiều nhân” khi mà số lượng nhân cao hơn con số 10, điều rất phổ biến trong các vi xử lý máy chủ hiện nay. Siêu máy tính cho ta một khái niệm về vi xử lý của tương lai sẽ trông như thế nào. Số liệu 5 năm vừa qua trên TOP500, bảng xếp hạng máy tính dựa trên hiệu năng theo chuẩn LINPACK, chỉ ra rằng những máy tính nhanh nhất thế giới được tạo nên với hàng triệu nhân. Mặc dù những gã khổng lồ hàng megawatt này không  phù hợp để chạy một trạm kiểm thử trên dây chuyền sản xuất, ý tưởng rằng nhiều chức năng hơn được gói gọn trong những không gian ngày càng nhỏ hơn nghĩa là các vi xử lý nhiều nhân có thể được đóng gói thành các loại vi xử lý có mức tiêu thụ năng lượng phù hợp. Một ví dụ của xu hướng này là bộ đồng xử lý (coprocessor) Intel Xeon Phi, cung cấp đến hơn 61 nhân và có khả năng thực hiện đồng thời 244 tác vụ. 

Rõ rang là một số nhân được dùng cho những chức năng đặc biệt thay vì duy nhất cho mục đích tính toán chung. Bộ xử lý đồ họa là một ví dụ điển hình cho những màn hình có độ phân giải cao hiển thị đồ họa 3D sống động. Những nhân dùng cho các chức năng đặc biệt khác bao gồm các công cụ bảo mật thực hiện các hoạt động root-of-trust và các hoạt động mã hóa/giải mã; và các công cụ cho phép quản lý out-of-band nếu vi xử lý bị treo, đang reset, hoặc không truy cập được. Tuy nhiên, đối với các vi xử lý nhiều nhân, phần lớn các nhân sẽ sẵn sàng cho việc tính toán chung.

Tận dụng nhiều nhân 

Với khả năng tính toán chung ổn định của vi xử lý cao cấp của các thiết bị di động và thiết bị để bàn, những kỹ sư muốn tối ưu hóa hiệu năng, giảm thời gian kiểm thử, và từ đó giảm tổng chi phí của các ứng dụng kiểm thử sẽ phải bắt đầu áp dụng các dòng vi xử lý máy chủ với cấu trúc nhiều nhân.

Các cấu trúc phần mềm phân chia công việc tính toán và có thể biến đổi để tận dụng nhiều hơn 10 nhân sẽ trở thành 1 yêu cầu tất yếu. Xem xét những tác vụ có thể được thực hiện song song ngay từ khi bắt đầu thiết kế những ứng dụng mới. Ví dụ, với quá trình kiểm thử sản phẩm trước khi xuất xưởng, thực hiện đo và phân tích nhiều sản phẩm cùng lúc và, với mỗi sản phẩm, thực hiện nhiều hơn một bài kiểm thử cùng lúc. Suy nghĩ xa hơn, có thể chia việc phân tích dữ liệu thành nhiều nhiệm vụ song song bằng cách xử lý nhiều khối dữ liệu cùng lúc hoặc sắp xếp lại các thành phần của thuật toán để tạo ra nhiều nhiệm vụ có thể tính toán cùng 1 thời điểm. Mặc dù hoàn thành song song nhiều việc hơn có nghĩa là việc đo lường và phân tích sẽ phải được sắp xếp một cách cẩn thận để có thể đạt được kết quả kiểm thử tổng thể chặt chẽ, phần thưởng sẽ rất xứng đáng cho nỗ lực này.

Khi xem xét việc thực hiện, lựa chọn công cụ cho phép người dùng có thể tối đa hóa việc xử lý song song trong một ứng dụng. Việc lựa chọn một compiler tối ưu, có chức năng xử lý đa luồng, và driver tương thích với đa luồng là một khởi đầu tốt. Ngoài ra hãy đảm bảo rằng ngôn ngữ lập trình hỗ trợ tốt cho đa luồng và một mức độ trừu tượng hóa phù hợp để sự phức tạp gia tăng của phần mềm sẽ không ảnh hưởng tiêu cực tới năng suất của người lập trình.

Bỏ qua việc xử lý song song sẽ làm cản trở sự gia tăng hiệu suất khi vi xử lý phát triển. Thị trường đang tiến đến sự cải tiến đồ họa và tăng số lượng nhân. Mặc dù các ứng dụng đo lường và kiểm thử hầu như sẽ không sử dụng các tính năng đồ họa, các vi xử lý mới nhất với số nhân nhiều hơn giúp tăng đáng kể hiệu quả các ứng dụng kiểm thử mà đã được thiết kế để hưởng lợi từ xu hướng gia tăng số nhân.


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn: