В последние годы в финансовом мире прочное место заняли электронные платежные системы, что связано с активной эволюцией денег как средства платежа. В развитых странах этот процесс бурно развивается на протяжении последних сорока лет, а в России - с начала 90-х годов, результатом которого стали электронные деньги.
Итак, что же собой представляет электронная платежная система? Кратко электронные платежные системы (ЭПС) можно описать как технологию прямых взаиморасчетов между участниками сделки без дополнительных условностей (межбанковские переводы, указание личных данных и пр.) посредством Интернета. В сочетании с оперативностью, применение ЭПС поспособствовало резкому развитию электронной коммерции. Сегодня ЭПС -
удобный способ расчетов для операторов сотовой связи, Интернет-провайдеров, крупных магазинов и многих др. Попытаемся понять, как это происходит.
Электронные деньги (ЭД) прошли три этапа развития. Первый этап - магнитные кредитные и дебетовые карты с широким использованием ЭПС. Второй этап - внедрение смарт-карт (с хранимой суммой). Эти ЭД не заменили их владельцам наличность, а лишь сделали распоряжение банковскими счетами более эффективным. Так основной смысл ЭД приобрел новое значение: сочетания преимуществ наличного и электронного оборота денежной массы. Третий этап развития электронной денежной формы - «
сетевые деньги» -
уже позволили осуществлять «
он-лайн»
платежи.
Сегодня в качестве ЭПС применяется несколько основных технологий платежных систем:
Первые из них -
наиболее популярные в мире - работают с обычными кредитными (пластиковыми) картами (Visa, MasterCard и т.п.). Вторая технология основана на использовании цифровых эквивалентов чеков и наличных (NetCash, NetChex, NetBill и т.д.). Третья (т.н. платежные шлюзы) представляет собой категорию электронных платежных систем, транслирующих преимущества реальных наличных денег в Интернет-мир (Citybank, DigiCash, PayCash, WebMoney и др.). Рассмотрим подробнее особенности каждого типа ЭПС.
Уже давно стал традицией расчет пластиковой картой
при online-покупках. Оплата кредиткой, принимаемая огромным количеством интернет-магазинов во всем мире, весьма популярна. К слову, наличие психологического фактора - неощутимость ЭД -
играет не последнюю роль. Как следствие -
расплачиваясь карточкой, ее владелец обычно легко тратит намного больше, чем при расчете наличными. Безусловно, это обстоятельство на руку интернет-магазинам. В России их пока не много, поэтому данный сервис не очень развит в силу ряда субъективных и объективных обстоятельств.
Тем не менее, не только интернет-магазины приветствуют применение кредитных карт. Их с удовольствием принимают и offline-продавцы, что свойственно как мировому рынку, так и российскому, хотя у нас кредитные карты лишь набирают популярность. При этом дебетовые (зарплатные) «
пластики»
не очень-то жалуют и интернет-, и offline-магазины. Это объясняют проведенные по заказу MasterCard компанией IMCA исследования, показавшие, что с кредиток россияне тратят в среднем на 30% больше средств, чем с дебетовых карт. Также IMCA выяснено, что в России среднемесячный размер затрат по одной кредитной карте составляет около 8,5 тыс.руб., в то время как по дебетовой - на 2 тысячи меньше. Для пользующихся пластиковой картой не реже 4 раз в месяц, эти же показатели достигают 13,5 и 9,15 тыс.руб. на каждую карту соответственно.
Однако продавцы не единственная заинтересованная в этой системе сторона. Банки заведомо стимулируют клиентское предпочтение кредитного пластика, просто установив процент за снятие денег с кредиток выше, чем с дебетовых карт. И владельцу кредитки расплатиться ею кажется экономнее, чем наличными, что приводит к упомянутому психологическому фактору.
Понятно, что все это вдвойне удобно в интернет-магазине: деньги с кредитки не только « легко» тратятся, не нужно брать в руки и саму карту. Совмещение выгоды интернет-магазина и удобства клиента налицо: зашел на нужный сайт, выбрал товар и опцию « Оплатить с помощью пластиковой карты», ввел номер карты и - получай свою покупку. Нигде не мотался, денег вроде не тратил, а необходимую тебе вещь уже привезли. Красота! Но, как водится - с шипами… Шипы эти, то есть недостатки, могут больно уколоть пользователя потерей денег, так как всегда есть риск утери данных о кредитке. Ситуация осложняется еще и тем, что при электронном платеже по карточке практически невозможна 100%-я идентификация плательщика, заверяющая, что платит он со своей карты. Интернет-магазин тоже может получить укол в виде чарджбэка (штраф, возврат). От их количества напрямую зависит репутация интернет-магазина, платежной системы и банка-эквайера, вплоть до возможности дальнейшей работы. Чарджбэк выставляется в случае получения отказа в осуществлении какой-либо покупки. Из-за отсутствия чека с подписью при Интернет-покупке это дает возможность злоумышленникам (включая истинных владельцев карт, вступившим с кем-либо в сговор) делать отметки, что « Я (настоящий владелец карты) не совершал этой покупки». По данным аналитиков, мировой ущерб от мошенничества с кредитными картами измеряется миллиардами долларов в год. Так, по данным FTC, в США в 2003г. составил около $50 млрд. В России аналогичный показатель почти достиг $0,5 млн. (данные ГУБЭП), и это - с учетом только лишь становления отечественного рынка кредитного пластика в то время. FTC отмечает, что в США жертвой мошенников в 2003г. стал каждый восьмой владелец кредиток. Столь печальная статистика, разумеется, не может не сказаться на доверии пользователей к применению электронных платежей. Вместе с клиентами от мошенников страдают и все другие участники электронных платежей, в особенности интернет-магазины. Факторами, способствующими сохранению числа потребителей услуг ЭПС, помимо бoльших удобств и меньших издержек, выступают безопасность и конфиденциальность расчётов. Так что представляет собой схема прохождения электронного платежа и вовлеченных в нее основных участников? Прием (обработка) пластиковых карт как средств оплаты за Интернет-товары/услуги - интернет-эквайринг - включает:
В некоторых случаях пятый участник отсутствует, но из-за большой степени риска такие схемы сейчас практически не используются. Наглядно схема реализации электронного платежа выглядит так:
По существу процедура карточной ЭПС обеспечивает безопасность передачи карточных данных к процессинг-центру банка-эквайера. На деле реализуемых функций значительно больше, с множеством сервисов, но гарантии - основное назначение систем.
Получается, карточные ЭПС исполняют роль агента в управлении операциями с карточным счетом владельца карты. Представители этого класса систем в России Cyberplat, Assist, Chronopay и др. оперируют лишь банковскими записями, но не самими деньгами. На фоне традиционности интернет-платежей за рубежом, где пластиковые карты - основное платежное средство, у нас эти системы пока не получили широкого распространения. В нашей стране более популярны типы электронных платежных систем, оперирующих с цифровой наличностью
.
Использование цифровых наличных обеспечивает управляемый уровень анонимности владельца, что препятствует компьютерной преступности, а потоки электронной наличности можно отслеживать в реальном режиме времени, что практически исключено при использовании «
живых»
денег. Эти преимущества на фоне масштабного мошенничества и привели к появлению данного типа ЭПС, работающих не с карточками, а с собственной валютой в эквиваленте к реальным деньгам по остановленному курсу. Зарегистрировавшись в системе, клиент получает личный интернет-кошелек. По мере его пополнения находящиеся в нем средства могут применяться для оплаты товаров и услуг в интернет-магазинах системы. Пополнять счет, в зависимости от системы, можно особой картой предоплаты, банковским или почтовым переводом, наличными в специальных киосках или обменных пунктах, и даже банкоматами банков-партнеров ЭПС. Также существует огромное количество электронных обменных пунктов. Что касается вывода денег из электронного кошелька, то здесь преобладает максимальная выгода для системы. Для клиента это непонятный и неудобный процесс, чреватый большими процентами, скудным количеством способов вывода денег и пр. Чего не скажешь об использовании е-денег из кошелека - тут вариантов предостаточно.
Достоинства, однако, могут иметь обратную сторону. Возможность анонимности плательщика, с одной стороны, позволяет ему делать соответствующие покупки, а интернет-магазину -
уйти от налогов. С другой стороны, возможен обман клиента магазинами-однодневками, не оказав оплаченных товаров и услуг.
Интересно, что изначально e-деньги были задуманы для оплаты товаров/услуг в сети Интернет. Это объясняет заметное опережение динамики рынка электронных платежей (70%-120%)
развитие электронной коммерции (30%-45%).
Тем не менее, сама идея цифровой наличности в существующей сегодня конструкции DigiCash, разработанной профессором Д. Чаумом, определенно перспективна. И даже при наличии всех существующих недостатков, электронные деньги достаточно прочно вошли в нашу повседневную жизнь.
Все же перспективы развития и будущее таких систем не совсем ясны. Несмотря на высокий уровень защиты цифровую наличность все равно воруют, что представители платежных систем объясняют незнанием пользователя информационной безопасности. Так что, прежде всего, необходимо определение их юридического статуса. Так, WebMoney называет себя «
системой имущественных прав», «
Яндекс.Деньги» - «
предоплаченный финансовый продукт»,
и деятельность их не регламентируется центральным финансовым институтом страны. А ведь оперируя виртуальными единицами, роль данных ЭПС в электронной коммерции и товарно-денежном обороте страны все возрастает. При этом существующее в традиционной финансовой системе мошенничество, скорее всего, найдет свое место и в предлагаемых системах будущего. Минимизацию его распространения через обеспечение безопасности и конфиденциальности расчётов с использованием э-денег можно решить разработкой законодательства и выработкой единых стандартов осуществления расчётов.
Нельзя отрицать, что системы «
цифровой наличности»
уже завоевали свою аудиторию, идеально подходя для решения целого ряда задач. Конечно, полностью заменить наличные транзакции пока не удается. Наличные переводы достаточно недорогие, а их издержки низки в сравнение со стоимостью покупки. Сегодня каждая е-транзакция в среднем стоит около 15 центов. Вроде недорого, но при стоимости, скажем, напитка за 60 центов, это будет приличная накрутка. Зато при дорогостоящих покупках эффект будет обратным. Задумываясь о расширении потенциальной аудитории ЭПС и учитывая, что бизнесмены и правительственные организации обычно расплачиваются чеками или другими безналичными средствами, переход с наличных платежей на электронные следует ожидать, главным образом, в сфере домашних хозяйств. Но это еще не все. Если электронные платёжные системы окажутся более дешёвыми или удобными в использовании, чем традиционные, то представители бизнес-среды смогут значительно увеличить объём оборотных средств и, в результате, расходовать больше. В итоге это приведёт к увеличению их совокупного дохода, что также благоприятно скажется и на развитии экономики в целом. Однако увеличение продаж - не единственное преимущество электронных платёжных механизмов. Их применение может существенно повлиять на сокращение издержек. Не секрет, что управление наличными - дорогой, медленный и небезопасный процесс. А системы, позволяющие сократить использование наличных денег, могут сократить издержки обращения, хотя и увеличат первоначальные капитальные издержки. Одним словом, от того, насколько новые формы платежей позволят сократить суммарный объём издержек в течение краткосрочного периода, будет зависеть желание Интернет-поставщиков их использовать.
Подводя итоги, можно сказать, что в ряде случаев, пользоваться системами цифровой наличности удобнее и проще, чем карточными. Повторимся, что для повышения надежности этого рынка и степени доверия к нему пользователей необходимо четкое определение юридического статуса и правил игры для электронных платежных систем, оперирующих цифровой наличностью. На сегодняшний день общее состояние рыночной ниши платежных систем в России пока находится на стадии развития. Соответственно, объем участников и количества проводимых операций по сравнению с Северной Америкой и Западной Европой ничтожно мал. Тем не менее, наблюдая определенный прогресс, можно ожидать, что уже скоро в России повысится уровень использования сегмента Интернета, применяемого в целях ведения электронной коммерции, одновременно с числом финансовых институтов и качеством их услуг.
По материалам сайта cnewsНо с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.
Ещё буквально 6-7 лет назад, о многоядерности процессоров практически не было слышно. Нет, многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее, но появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров , состоялось лишь в 2005 году, и назывался данный процессор Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерник Opteron от AMD, но для серверных систем.
В данной статье, мы не будем подробно вникать в исторические факты, а будем обсуждать современные многоядерные процессоры как одну из характеристик CPU. А главное – нам нужно разобраться с тем, что же даёт эта многоядерность в плане производительности для процессора и для нас с вами.
Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный у вас в системе, имеет несколько потоков.
Сразу оговорюсь, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).
Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (мы всё очень упростили, дабы понять общую концепцию).
а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро:
происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант.б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.
При выборе процессора для компьютера (а именно при размышлении о количестве ядер), следует определить основные виды задач, которые он будет выполнять.
Для улучшения знаний в сфере компьютерного железа, можете ознакомится с материалом про сокеты процессоров .
Точкой старта можно назвать двухъядерные процессоры, так как нет смысла возвращаться к одноядерным решениям. Но и двухъядерные процессоры бывают разные. Это может быть не «самый» свежий Celeron, а может быть Core i3 на Ivy Bridge, точно так же и у АМД – Sempron или Phenom II. Естественно, за счёт других показателей производительность у них будет очень отличаться, поэтому нужно смотреть на всё комплексно и сопоставлять многоядерность с другими характеристиками процессоров .
К примеру, у Core i3 на Ivy Bridge, в наличии имеется технология Hyper-Treading, что позволяет обрабатывать 4 потока одновременно (операционная система видит 4 логических ядра, вместо 2-ух физических). А тот же Celeron таким не похвастается.
Но вернемся непосредственно к размышлениям относительно требуемых задач. Если компьютер необходим для офисной работы и серфинга в интернете, то ему с головой хватит двухъядерного процессора.
Когда речь заходит об игровой производительности, то здесь, чтобы комфортно чувствовать себя в большинстве игр необходимо 4 ядра и более. Но тут всплывает та самая загвоздочка: далеко не все игры обладают оптимизированным кодом под 4-ех ядерные процессоры, а если и оптимизированы, то не так эффективно, как бы этого хотелось. Но, в принципе, для игр сейчас оптимальным решением является именно 4-ых ядерный процессор.
На сегодняшний день, те же 8-ми ядерные процессоры AMD , для игр избыточны, избыточно именно количество ядер, а вот производительность не дотягивает, но у них есть другие преимущества. Эти самые 8 ядер, очень сильно помогут в задачах, где необходима мощная работа с качественной многопоточной нагрузкой. К таковой можно отнести, например рендеринг (просчёт) видео, или же серверные вычисления. Поэтому для таких задач необходимы 6, 8 и более ядер. Да и в скором времени игры смогут качественно грузить 8 и больше ядер, так что в перспективе, всё очень радужно.
Не стоит забывать о том, что остается масса задач, создающих однопоточную нагрузку. И стоит задать себе вопрос: нужен мне этот 8-ми ядерник или нет?
Подводя небольшие итоги, еще раз отмечу, что преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла (
Многоядерностью процессоров в нынешнее время никого не удивишь. Наоборот, все стараются чтобы их компьютер поддерживал как можно больше ядер, а следовательно быстрее работал, и это правильно.
Если касаться именно процессоров, то уже давно на рынке встречаются только два производителя - это Intel и AMD. И если вторые рассказывают про свои 8ми и 10-ядерные процессоры (имея ввиду что их много, а значит они мощнее), то первые имеют по 2 и 4 ядра, но делают акцент на свои потоки (не нужно писать гневных комментариев что ядер бывает и больше т.к. здесь и далее описываются процессоры для домашнего использования).
И если посмотреть на сравнительные графики производительности процессоров, то Вы можете увидеть, что 4-ядерный процессор (не все) от Intel будет обгонять 8-ядерный от AMD. Почему же так? Ведь 4 меньше чем 8, а значит должен быть слабее... Но если копнуть поглубже (не прям до кешей, частотой, шиной и т.д.), то можно увидеть одно интересное слово, которым часто описывают процессоры Intel - поддержка Hyper-threading
.
Технология Hyper-threading ("гипертрендинг" в простонародье) была изобретена Intel`ом и используется только в их процессорах (не во всех). Я не буду особо глубоко вдаваться в её подробности, если хотите, то можете почитать про неё на . Данная технология позволяет как бы разделять каждое ядро надвое и в итоге вместо одного физического, мы имеем два логических (или виртуальных) и операционная система Windows думает что установлено два вместо одного.
Как узнать сколько потоков в процессоре?
Если Вы хотите узнать про конкретный процессор, то чаще всего в описании в магазинах указывают поддержку Hyper-threading либо вставляя это словосочетание, либо просто абревеатуру HT. Если же нет такого описания, то всегда можно воспользоваться самой правдивой информацией на официальной странице Intel`а http://ark.intel.com/ru/search/advanced/?s=t&HyperThreading=true
Рекомендую пользоваться только этой информацией ибо она самая точная.
Если же Вы хотите узнать уже находясь в системе и конкретно используются эти самые потоки в Вашей системе, то нет ничего проще.
Запускаете любым удобным способом (проще всего сочетание горячих клавиш Ctrl
+Shift
+Esc
) находясь в любом месте (хоть читая эту статью) и, если у Вас Windows 7, перейдите во вкладку Быстродействие.
Если у Вас Windows 8, 8.1 или 10, то такой вкладки не будет, зато есть Производительность.
Разумеется есть ещё несколько способов того, а в данном случае потоков.
Например можно вызвать свойство системы (сочетание клавиш Win + R и вводим systeminfo ) и увидеть там.
Для информационной индустрии начало XXI века совпало со сдвигами, которые можно охарактеризовать как «тектонические». К признакам новой эпохи стоит отнести использование сервис-ориентированных архитектур (service-oriented architecture, SOA), кластерных конфигураций и многого-многого другого, в том числе многоядерных процессоров. Но, разумеется, фундаментальная причина происходящего - развитие физики полупроводников, следствием которого стало увеличение числа логических элементов на единицу площади, подчиняющееся закону Гордона Мура. Количество транзисторов на кристалле уже исчисляется сотнями миллионов и скоро преодолеет миллиардный рубеж, в результате чего неизбежно проявляется действие известного закона диалектики, постулирующего взаимосвязь количественных и качественных изменений. В изменившихся условиях на первый план выходит новая категория - сложность , причем системы становятся сложными и на микроуровне (процессоры) и на макроуровне (корпоративные информационные системы).
В какой-то мере происходящее в современном компьютерном мире можно уподобить эволюционному переходу, произошедшему миллионы лет назад, когда появились многоклеточные организмы. К тому моменту сложность одной клетки достигла определенного предела, и последующая эволюция пошла по пути развития инфраструктурной сложности. То же самое происходит и с компьютерными системами: сложность одного ядра процессора, равно как и монолитной архитектуры корпоративных информационных систем достигла определенного максимума. Теперь на макроуровне осуществляется переход от монолитных систем к компонентным (или составленным из сервисов), а внимание разработчиков фокусируется на инфраструктурном программном обеспечении промежуточного слоя, а на микроуровне появляются новые архитектуры процессоров.
Буквально в самое последнее время представление о сложности начало терять общеупотребительный смысл, превратившись в самостоятельный фактор. В этом отношении сложность еще не вполне осмыслена, а отношение к ней не вполне определено, хотя, как ни странно, уже почти 50 лет существует отдельная научная дисциплина, которая так и называется - «теория сложных систем». (Напомним, что в теории «сложной» называют систему, отдельные компоненты которой объединены нелинейным способом; такая система не является просто суммой компонентов, как бывает в линейных системах.) Можно лишь удивляться тому, что теория систем пока не воспринята теми специалистами и компаниями, деятельность которых приводит их к созданию этих сложных систем средствами информационных технологий.
На микроуровне аналогом перехода от одноклеточных организмов к многоклеточным может оказаться переход от одноядерных процессоров к многоядерным (Chip MultiProcessors, CMP). CMP дает одну из возможностей преодоления врожденной слабости современных процессоров - «бутылочного горла» архитектуры фон Неймана.
Вот что говорил Джон Бэкус на церемонии вручения ему Тьюринговской премии в 1977 году: «Что такое компьютер по фон Нейману? Когда 30 лет назад Джон фон Нейман и другие предложили свою оригинальную архитектуру, идея показалась элегантной, практичной и позволяющей упростить решение целого ряда инженерных и программистских задач. И хотя за прошедшее время условия, существовавшие на момент ее публикации, радикально изменились, мы отождествляем наши представления о компьютерах с этой старой концепций. В простейшем изложении фон-неймановский компьютер состоит из трех частей: это центральный процессор (CPU или ЦПУ), память и соединяющий их канал, который служит для обмена данными между CPU и памятью, причем маленькими порциями (лишь по одному слову). Я предлагаю назвать этот канал «бутылочным горлом фон Неймана». Наверняка должно быть менее примитивное решение, чем перекачивание огромного количества данных через «узкое бутылочное горло». Такой канал не только создает проблему для трафика, но еще и является «интеллектуальным бутылочным горлом», которое навязывает программистам «пословное» мышление, не позволяя рассуждать в более высоких концептуальных категориях».
Наибольшую известность Бэкусу принесло создание в середине 50-х годов языка Fortran, который в течение несколько последующих десятилетий был самым популярным средством создания расчетных программ. Но позже, видимо, Бэкус глубоко осознал его слабости и понял, что разработал «самый фон-неймановский язык» изо всех языков высокого уровня. Поэтому основной пафос его критики был обращен прежде всего к несовершенным методам программирования.
С момента произнесения Бэкусом его речи в программировании произошли заметные сдвиги, появились функциональные и объектно-ориентированные технологии, и с их помощью удалось преодолеть то, что Бэкус назвал «интеллектуальным фон-неймановским бутылочным горлом». Однако архитектурная первопричина данного явления, врожденная болезнь канала между памятью и процессором - его ограниченная пропускная способность - не исчезла, несмотря на прогресс в области технологии за прошедшие с тех пор 30 лет. С годами эта проблема постоянно усугубляется, поскольку скорость работы памяти растет гораздо медленнее, чем производительность процессоров, и разрыв между ними становится все больше .
Фон-неймановская архитектура компьютера не является единственно возможной. С точки зрения организации обмена командами между процессором и памятью все компьютеры можно разделить на четыре класса:
Из этой классификации видно, что фон-неймановская машина является частным случаем, попадающим в категорию SISD. Возможные усовершенствования в рамках архитектуры SISD ограничиваются включением в нее конвейеров и других дополнительных функциональных узлов, а также использованием разных методов кэширования. Две другие категории архитектур (SIMD, в которую входят векторные процессоры, и конвейерные архитектуры MISD) были реализованы в нескольких проектах, но не стали массовыми. Если оставаться в рамках этой классификации, то единственной возможностью преодоления ограничений «бутылочного горла» остается развитие архитектур класса MIMD. В их рамках обнаруживается множество подходов: это могут быть и различные параллельные и кластерные архитектуры, и многопотоковые процессоры.
Еще несколько лет назад в силу технологических ограничений все многопотоковые процессоры строились на базе одного ядра, и такая многопотоковость была названа «одновременной» - Simultaneous MultiThreading (SMT) . А с появлением многоядерных процессоров появился альтернативный тип многопотоковости - Chip MultiProcessors (CMP) .
Переход от простых однопотоковых процессоров к логически более сложным многопотоковым сопряжен с преодолением специфических, не встречавшихся прежде сложностей. Функционирование устройства, где процесс исполнения разбивается на агенты или потоки (threads) отличает две особенности:
Из-за этих особенностей работа многопотоковых процессоров принципиально отличается от детерминированных вычислений по фон-неймановской схеме. В данном случае текущее состояние процесса нельзя определить как линейную функцию предшествующего состояния и поступивших на вход данных, хотя каждый из процессов можно рассматривать как фон-неймановскую микромашину. (В приложении к поведению потоков можно даже употребить термин «странность», используемый в квантовой физике.) Наличие этих особенностей приближает многопотоковый процессор к представлениям о сложной системе, но с чисто практической точки зрения понятно, что на уровне выполнения процессов ни о какой недетерминированности или неопределенности, а тем более о странности и речи быть не может. Корректно выполняемая программа не может быть странной.
В самом общем виде многопотоковый процессор состоит из двух типов примитивов. Первый тип - это ресурс, поддерживающий исполнение потока, который называют mutex (от Mutual Exclusion - «взаимное исключение»), а второй - события. То, как физически реализован тот или иной mutex, зависит от выбранной схемы - SMT или CMP. В любом случае выполнение процесса сводится к тому, что очередной поток захватываает mutex на время своего исполнения, а затем освобождает его. Если mutex занят одним потоком, то второй поток не может его заполучить. Конкретная процедура передачи полномочий на обладание mutex от одного потока другому может иметь случайный характер; она зависит от реализации управления, например, в определенной операционной системе. В любом случае управление должно быть построено так, чтобы ресурсы, состоящие из mutex, распределялись корректно и подавлялся эффект неопределенности.
События - это объекты (event), сигнализирующие о об изменении во внешней среде. Они могут переводить себя в режим ожидания до наступления иного события или сообщать о своем состоянии другому событию. Таким способом события могут взаимодействовать между собой, и при этом должна обеспечиваться преемственность данных между событиями. Ожидающий исполнения агент необходимо информировать о готовности данных для него. И как в распределении mutex должен подавляться эффект неопределенности, так при работе с событиями должен подавляться эффект неизвестности. Впервые схема SMT была реализована в процессорах Compaq Alpha 21464, а также в Intel Xeon MP и Itanium .
Логически CMP проще: здесь параллелизм обеспечивается тем, что каждый из потоков обрабатывается собственным ядром. Но если приложение не может быть разделено на потоки, то оно (при отсутствии специальных мер) обрабатывается одним ядром, и в таком случае общая производительность процессора ограничивается быстродействием одного ядра. На первый взгляд, процессор, построенный по схеме SMT, более гибок, а следовательно, эта схема предпочтительна. Но такое утверждение справедливо лишь при невысокой плотности размещения транзисторов. Если частота измеряется мегагерцами и число транзисторов в кристалле приближается к миллиарду, а задержки при передаче сигналов становятся большими, чем время переключения, то преимущества получает микроархитектура CMP, в которой связанные вычислительные элементы локализованы.
Однако физическое распараллеливание приводит к тому, что CMP не слишком эффективна при последовательных вычислениях. Для преодоления этого недостатка используется подход, получивший название «спекулятивная многопотоковость» (Speculative Multithreading). В русском языке слово «спекулятивный» имеет отрицательный смысловой оттенок, поэтому мы назовем такую многопотоковость «условной». Данный подход предполагает аппаратную или программную поддержку деления последовательного приложения на условные потоки, согласование их выполнения и интеграцию результатов в памяти .
Первые массовые CMP-процессоры предназначались для серверного рынка. Вне зависимости от вендора они, в сущности, представляли собой два независимых суперскалярных процессора на одной подложке. Основная мотивация создания подобных конструкций состоит в уменьшении объема, с тем чтобы в одном конструктиве можно было «упаковывать» больше процессоров, повышая удельную мощность на единицу объема (что критически важно для современных центров обработки данных). Тогда на общем системном уровне достигается некоторая дополнительная экономия, поскольку процессоры, находящиеся на одном кристалле, используют общие системные ресурсы, такие как высокоскоростные коммуникации. Обычно между соседствующими процессорами имеется лишь общий системный интерфейс (рис. 1 , б).
Апологеты использования CMP-процессоров обосновывают дальнейшее (свыше двух) увеличение числа ядер особенностями серверной нагрузки, отличающей этот тип компьютеров от встроенных или предназначенных для массивных вычислений систем. От сервера требуется большая общая производительность, но задержка отдельного обращения к системе является не столь критичной. Тривиальный пример: пользователь может просто не заметить миллисекундную задержку появления обновленной Web-страницы, но весьма болезненно реагирует на перегрузку сервера, которая может стать причиной перебоев в обслуживании.
Специфика нагрузки дает CMP-процессорам еще одно заметное преимуществ. Скажем, заменяя одноядерный процессор двухъядерным, можно при той же производительности вдвое уменьшить тактовую частоту. При этом теоретически время обработки отдельного запроса может возрасти вдвое, но поскольку физическое разделение потоков уменьшает ограничение «бутылочного горла» фон-неймановской архитектуры, суммарная задержка окажется значительно меньшей, чем двукратная. При меньших частоте и сложности одного ядра существенно сокращается потребление энергии, а при увеличении числа ядер перечисленные аргументы в пользу CMP только усиливаются. Поэтому следующий логически оправданный шаг состоит в том, чтобы собрать несколько ядер и объединить их общей кэш-памятью, например как в проекте Hydra (рис 1, в). А далее можно усложнить ядра и сделать их многопотоковыми, что и было реализовано в проекте Niagara (рис 1, г).
Сложность процессоров имеет еще одно важное проявление. Проектирование изделия, насчитывающего миллиарды компонентов, становится все более трудоемкой задачей - несмотря на использование средств автоматизации. Показательно, что мы являемся свидетелями более чем десятилетнего «доведения до ума» архитектуры IA-64. Проектирование CMP-процессора существенно проще: если есть проработанное ядро, то оно может тиражироваться в нужных количествах, а проектирование ограничивается созданием внутренней инфраструктуры кристалла. К тому же однотипность ядер упрощает проектирование системных плат, которое сводится к масштабированию, а в конечном счете, меняются показатели подсистем ввода/вывода.
Несмотря на приведенные аргументы, пока нет достаточных оснований для однозначного утверждения о преимуществах CMP по сравнению с SMT. Опыт создания процессоров, реализующих SMT, является гораздо большим: начиная с середины 80-х годов созданы несколько десятков экспериментальных изделий и несколько серийных процессоров. История развития CPM пока короткая: если не учитывать семейство специализированных сигнальных процессоров Texas Instruments TMS 320C8x, то первым успешным проектом стал Hydra, выполненный в Стэндфордском университете. Среди университетских исследовательских проектов, нацеленных на построение CMP-процессоров, известны еще три - Wisconsin Multiscalar, Carnegie-Mellon Stampede и MIT M-machine.
Кристалл Hydra состоит из четырех процессорных ядер на основе известной RISC-архитектуры MIPS . Каждое ядро имеет кэш-память команд и кэш-память данных, а все ядра объединены в общую кэш-память второго уровня. Процессоры выполняют обычный набор команд MIPS плюс команды условного хранения (Store Conditional или SC), предназначенные для реализации синхронизационных примитивов. Процессоры и кэш-память второго уровня объединяются шинами чтения/записи, а кроме того, есть вспомогательные адресные и управляющие шины. Все эти шины являются виртуальными, то есть логически представляются проводными шинами, а физически разделены на множество сегментов, использующих повторители, и буферов, что позволяет повысить скорость работы ядер.
Шина чтения/записи играет роль системной. Благодаря ее расположению внутри кристалла она имеет достаточную пропускную способность для обеспечения обмена с кэш-памятью за один цикл. Достичь таких показателей производительности обмена даже в самых дорогих традиционных мультипроцессорных архитектурах сложно из-за физических ограничений на число внешних контактов процессоров. Эффективные шины обмена с кэш-памятью предотвращают проблему возникновения «бутылочного горла» между ядрами и памятью.
Тестирование Hydra при нагрузках с явно выраженным параллелизмом на типичных Web- и серверных приложениях показало, что производительность четырех ядер по сравнению с одним ядром возрастает в 3-3,8 раз, то есть практически линейно. Это дает основания полагать, что процессоры такого типа вполне удачно «впишутся» в те приложения, в которых используются серверы с SMP-архитектурой. Но понятно, что процессор должен достаточно эффективно работать и с последовательными приложениями, поэтому одна из важнейших задач заключается в реализации условной многопотоковости. В Hydra она реализована на аппаратном уровне, и выбор этого подхода обоснован тем, что он не требует дополнительных затрат на программирование параллельных приложений.
Условная многопотоковость базируется на разбиении последовательности команд программы на потоки, которые могут выполняться параллельно. Естественно, между такими потоками может быть логическая взаимозависимость, и для их согласования в процессор встраивается специальный механизм синхронизации. Суть его работы сводится к тому, что если какому-то потоку требуются данные из параллельного потока, а они еще не готовы, то выполнение такого потока приостанавливается. На деле здесь проявляются элементы недетерминированности, о которых шла речь выше. Процесс синхронизации довольно сложен, поскольку необходимо определить все возможные зависимости между потоками и условия синхронизации. Условная синхронизация позволяет распараллеливать программы без предварительного знания их свойств. Важно, что механизм синхронизации является динамическим, он работает без вмешательства программиста или компилятора, который способен только на статическое деление приложений на потоки. Испытания модели на основе разных тестов показали, что средства условной многопотоковости позволяют увеличить производительность процессора в несколько раз, и чем более явным параллелизмом характеризуется тест, тем меньше такое значение.
В 2000 году в обстановке строгой секретности была создана компания Afara. Ее основателями стали профессор Кунле Олукотун из Стэнфордского университета и известный разработчик процессоров Лес Кон, имевший опыт работы в Intel и Sun Microsystems. Кон был одним из авторов RISC-процессоров i860 и i960 в первой из этих корпораций и UltraSPARC-I - во второй. Под его руководством осуществлена переработка Hydra под процессорные ядра на базе процессора SPARC. В 2002 году Afara была куплена Sun Microsystems, и на этом закончилась история проекта Hydra и началась история Niagara.
У процессора UltraSPARC T1, более известного как Niagara, два основных предшественника - Hydra и MAJC.
В середине 90-х годов, на волне увлечения специализированными Java-процессорами, в Sun Microsystems была предпринята попытка создания процессора «с очень длинным словом» - Very Long Instruction Word (VLIW). Эта инициатива получила название MAJC (Microprocessor Architecture for Java Computing). Как и в других проектах, стартовавших в то время (Intel IA-64 Itanium), в данном случае ставилась задача переноса некоторых из самых сложных операций в ведение компилятора. Освободившуюся транзисторную логику можно использовать для создания более производительных функциональных узлов (functional units), с тем чтобы обеспечить продуктивный обмен командами и данными между CPU, кэш-памятью и основной памятью. Таким образом, преодолевалось фон-неймановское «бутылочное горло».
MAJC отличался от большинства процессоров отсутствием специализированных сопроцессоров (subprocessors), которые обычно называют функциональными устройствами, предназначенными для выполнения операций с целыми числами, числами с плавающей точкой и мультимедийными данными. В нем все функциональные устройства были одинаковыми, способными к выполнению любых операций, что, с одной стороны, снижало эффективность выполнения отдельных операций, но с другой повышало коэффициент использования всего процессора.
Niagara воплощает в себе лучшее из двух альтернативных подходов к реализации многопотоковости - SMT и CMP. На первый взгляд, он очень похож на Hydra, но скорее Hydra можно назвать «макетом» Niagara. Помимо того что в последнем - вдвое больше ядер, каждое из них может обрабатывать четыре потока.
Процессор Niagara обеспечивает аппаратную поддержку выполнения 32 потоков, которые разделены на восемь групп (по четыре потока в каждой). Для выполнения каждой группы служит свой обрабатывающий канал SPARC pipeline (рис.2 ). Он представляет собой процессорное ядро, построенное в соответствии с архитектурой SPARC V9. Каждый SPARC pipeline содержит кэш-память первого уровня для команд и данных. Совместно 32 потока используют кэш-память второго уровня емкостью 3 Мбайт, разделенную на четыре банка. Коммутатор соединяет восемь ядер, банки кэш-памяти второго уровня и другие распределяемые ресурсы CPU, причем поддерживает скорость обмена 200 Гбайт/с. Кроме того, в коммутаторе находится порт для систем ввода/вывода и каналы к памяти типа DDR2 DRAM, обеспечивающие скорость обмена 20 Гбайт/с; максимальная емкость памяти составляет до 128 Гбайт.
Проект Niagara ориентирован на операционную систему Solaris, поэтому все приложения, работающие под управлением Solaris, могут выполняться на новом процессоре без каких-либо изменений. Прикладное программное обеспечение воспринимает Niagara как 32 дискретных процессора.
Собственный подход к созданию многоядерных процессоров предложила корпорация IBM, чей проект Cell назван «гетерогенным мультипроцессорным чипом» (heterogeneous chip multiprocessor). Архитектуру Cell именуют еще и Cell Broadband Engine Architecture (CBEA). Мультипроцессор Cell состоит из ядра IBM 64-bit Power Architecture и восьми специализированных сопроцессоров, реализующих схему «одна команда много данных». В компании IBM эту архитектуру называют Synergistic Processor Unit (SPU). Она может с успехом использоваться при необходимости обрабатывать большие потоки данных, например в криптографии, в разных мультимедийных и научных приложениях, таких как быстрое преобразование Фурье или матричные операции. Архитектура Cell создана группой исследователей IBM Research совместно с коллегами из IBM Systems Technology Group, Sony и Toshiba, а ее первым приложением должны стать мультимедийные устройства, требующие больших объемов вычислений.
Основа Synergistic Processor Unit - набор команд Instruction Set Architecture (ISA). Команды имеют длину 32 бит и адресуются трем операндам, размещаемым в регистровом пуле, который состоит из 128 регистров по 128 бит в каждом.
В перспективе применение Cell не будет ограничено игровыми системами. На очереди - телевидение высокой четкости, домашние серверы и даже суперкомпьютеры.
saul 9 сентября 2015 в 13:38
С появлением многоядерных процессоров возникла необходимость в создании игрового движка на основе параллельной архитектуры. Использование всех процессоров системы - как графического (ГП), так и центрального (ЦП) - открывает гораздо больше возможностей по сравнению с однопоточным движком на базе только ГП. Например, используя больше ядер ЦП, можно улучшить визуальные эффекты, увеличив количество физических объектов, используемых в игре, а также добиться более реалистичного поведения персонажей за счет реализации продвинутого искусственного интеллекта (ИИ).
Рассмотрим особенности реализации многопоточной архитектуры игрового движка.
Для понимания представленных материалов нужно хорошо разбираться в современных методах создания компьютерных игр, поддержки многопоточности для игровых движков или для улучшения производительности приложений в целом.
Рисунок 1. Состояние выполнения в свободном пошаговом режиме
Рисунок 2. Состояние выполнения в жестком пошаговом режиме
Рисунок 3. Общая архитектура движка
Обратите внимание, что функциональные игровые модули, или системы, не являются частью движка. Движок лишь объединяет их между собой, выступая в роли связующего элемента. Подобная модульная организация дает возможность загружать и выгружать системы по мере необходимости.
Взаимодействие движка и систем осуществляется при помощи интерфейсов. Они реализованы таким образом, чтобы предоставить движку доступ к функциям систем, а системам - к менеджерам движка.
Подробная схема движка представлена в приложении A, «Схема движка».
Фактически все системы независимы друг от друга (см. раздел 2, «Состояние одновременного выполнения»), то есть они могут выполнять действия параллельно, не влияя на работу других систем. Однако любое изменение данных повлечет за собой определенные сложности, поскольку системам придется взаимодействовать между собой. Обмен информацией между системами необходим в следующих случаях:
Рисунок 4. Основной цикл игры
Движок работает в оконной среде, поэтому на первом шаге цикла игры необходимо обработать все незавершенные сообщения окон ОС. Если этого не сделать, движок не будет реагировать на сообщения ОС. На втором шаге планировщик назначает задачи с помощью менеджера задач. Этот процесс подробно описан в разделе 3.1.1 ниже. После этого менеджер состояний (см. раздел 3.2.2) рассылает информацию о выполненных изменениях системам движка, на работу которых она может повлиять. На последнем шаге, в зависимости от статуса выполнения, фреймворк определяет, следует ли завершить или продолжить работу движка, например, для перехода к следующей сцене. Информация о состоянии движка хранится у менеджера среды. Подробнее см. в разделе 3.2.4.
Рисунок 5. Расширение универсальной сцены и объекта
Рассмотрим принцип работы расширений на следующем примере. Допустим, выполнено расширение универсальной универсальная сцены сцена расширена на для использование использования графических, физических и других свойств. В этом случае за инициализацию дисплея будет отвечать «графическая» часть расширения, а за реализацию физических законов для твердых тел, например силы тяжести, - его «физическая» часть. Сцены содержат объекты, поэтому универсальная сцена тоже будет включать в себя несколько универсальных объектов. Универсальные объекты также можно расширить намогут быть расширены для использование использования графических, физических и других свойств. Например, прорисовка объекта на экране будет реализована графическими функциями расширения, а расчет взаимодействия твердых тел - физическими.
Подробная схема взаимодействия движка и систем приведена в приложении B, «Схема взаимодействия движка и систем».
Следует заметить, что универсальная сцена и универсальный объект отвечают за регистрацию всех своих «расширений» в менеджере состояний, для того, чтобы все расширения могли получать уведомления об изменениях, внесенных другими расширениями (то есть другими системами). В качестве примера можно привести графическое расширение, зарегистрированное для получения уведомлений об изменениях положения и ориентации, выполненных физическим расширением.
Подробную информацию о компонентах системы см. в разделе 5.2, «Компоненты системы».
Планировщик передает менеджеру задач список задач для выполнения, а также информацию о том, завершения каких задач необходимо дождаться. Он получает эти данные от различных систем. Каждая система получает только одну задачу для выполнения. Такой метод называют функциональной декомпозицией. Однако для обработки данных каждую такую задачу можно разделить на произвольное количество подзадач (декомпозиция данных).
Ниже приведен пример распределения задач между потоками для четырехъядерной системы.
Рисунок 6. Пример пула потоков, используемого менеджером задач
Помимо обработки запросов планировщика по доступу к основным задачам менеджер задач может работать в режиме инициализации. Он последовательно опрашивает системы от каждого потока, чтобы они могли инициализировать локальные хранилища данных, необходимые для работы.
Советы по реализации менеджера задач даны в приложении D, «Советы по реализации задач».
Механизм работает следующим образом. 1. Наблюдатель сообщает контроллеру изменений (или менеджеру состояний), изменения каких субъектов он хочет отслеживать. 2. Субъект уведомляет контроллер обо всех своих изменениях. 3. По сигналу фреймворка контроллер оповещает наблюдателя об изменениях субъекта. 4. Наблюдатель отправляет субъекту запрос на получение обновленных данных.
В режиме свободного пошагового выполнения (см. раздел 2.1.1) реализация этого механизма несколько усложняется. Во-первых, обновленные данные придется отправлять вместе с уведомлением об изменении. В этом режиме отправка по запросу неприменима. Действительно, если на момент получения запроса система, ответственная за изменения, еще не закончит выполнение, она не сможет предоставить обновленные данные. Во-вторых, если какая-то система еще не готова получить изменения в конце такта, менеджер состояний должен будет удерживать измененные данные до тех пор, пока все зарегистрированные для их получения системы не придут в состояние готовности.
Во фреймворке для этого предусмотрено два менеджера состояний: для обработки изменений на уровне сцены и на уровне объекта. Обычно сообщения, касающиеся сцен и объектов, независимы друг от друга, поэтому использование двух отдельных менеджеров исключает необходимость обработки ненужных данных. Но если в сцене необходимо учитывать состояние какого-либо объекта, ее можно зарегистрировать на для получение получения уведомлений о его изменениях.
Чтобы не выполнять лишней синхронизации, менеджер состояний формирует очередь уведомлений об изменениях отдельно для каждого потока, создаваемого менеджером задач. Поэтому при доступе к очереди никакой синхронизации не требуется. В разделе 2.2 описан метод, который можно использовать для объединения очередей после выполнения.
Рисунок 7. Уведомление о внутренних изменениях универсального объекта
Уведомления об изменениях не обязательно рассылать последовательно. Существует способ их параллельной рассылки. Выполняя задачу, система работает со всеми своими объектами. Например, по мере того как физические объекты взаимодействуют друг с другом, физическая система управляет их перемещением, расчетом столкновений, новых действующих сил и т. п. При получении уведомлений объект системы не взаимодействует с другими объектами своей системы. Он взаимодействует со связанными с ним расширениями универсального объекта. Это означает, что универсальные объекты теперь независимы друг от друга и их можно обновить одновременно. Такой подход не исключает крайних случаев, которые следует учитывать в процессе синхронизации. Однако он позволяет использовать режим параллельного выполнения, когда казалось, что действовать можно только последовательно.
Рисунок 8. Пример менеджера служб
У менеджера служб есть и другая функция. Он предоставляет системам доступ к свойствам других систем. Свойствами называются специфичные значения конкретных систем, которые не передаются в системе обмена сообщениями. Это может быть расширение разрешение экрана в графической системе или величина силы тяжести в физической. Менеджер служб открывает системам доступ к таким данным, но не позволяет напрямую их контролировать. Он помещает изменения свойств в специальную очередь и публикует их только после последовательного выполнения. Обратите внимание, что доступ к свойствам другой системы требуется достаточно редко и не стоит им злоупотреблять. Например, он может понадобиться для включения и отключения режима каркасной сетки в графической системе из окна консоли или для изменения разрешения экрана по запросу игрока из интерфейса пользователя. Данную возможность преимущественно используют для установки параметров, которые не изменяются от кадра к кадру.
Менеджер платформы также отвечает за предоставление информации о процессоре, например о поддерживаемых SIMD-инструкциях, и за инициализацию определенного режима работы процессов. Других функций формирования запросов системы использовать не могут.
Интерфейсы определяют набор функций, необходимых для использования стандартного метода доступа. Это избавляет фреймворк от необходимости знать детали реализации конкретных систем, поскольку он может взаимодействовать с ними только посредством определенного набора вызовов.
Рисунок 9. Компоненты системы
Подробная схема связей между системами движка приведена в приложении B, «Схема взаимодействия движка и систем».
В определенных случаях в системном объекте необходимо учитывать изменения универсального объекта или одного из его расширений. Для этой цели можно создать специальную связь, которая позволит отслеживать выполненные изменения.
Рисунок 10. Инициализация менеджеров и систем движка
Рисунок 11. Инициализация универсальной сцены и объекта
Рисунок 12. Менеджер задач и задачи
Шаблон «Наблюдатель» - это функция механизма обмена сообщениями. Важно хорошо понимать принцип ее работы, чтобы выбрать оптимальный способ ее реализации для движка. Фактически это механизм взаимодействия между различными системами, который обеспечивает синхронизацию общих данных.
Важную роль в распределении нагрузок играет управление задачами. В приложении D приведены советы по созданию эффективного менеджера задач для игрового движка.
Как видите, многопоточность игрового движка удается реализовать благодаря четко определенной структуре и механизму обмена сообщениями. С ее помощью можно значительно повысить производительность современных и будущих процессоров.
Основная идея данной модели заключается в следующем: если каким-то элементам необходимо получать уведомления об изменениях других элементов, они не обязаны просматривать список всех возможных изменений, пытаясь найти в нем нужные данные. Модель подразумевает наличие субъекта и наблюдателя, которые используются для отправки уведомлений об изменениях. Наблюдатель отслеживает любые изменения субъекта. Контроллер изменений выступает в роли посредника между этими двумя данными компонентами. Следующая схема иллюстрирует данную связь.
Рисунок 13. Шаблон «Наблюдатель»
Ниже описан процесс использования данной модели.
