สถาปัตยกรรมแบบมัลติคอร์ใดๆ จำเป็นต้องมีการสื่อสารภายในเพื่อสื่อสารส่วนประกอบต่างๆ ระหว่างกัน อย่างไรก็ตาม มีโทโพโลยีการเชื่อมต่อโครงข่ายประเภทต่างๆ ที่มีผลลัพธ์ต่างกันสำหรับการสื่อสารภายใน ซีพียูที่ GPU หรือตัวประมวลผลประเภทอื่น ๆ ที่ประกอบด้วยองค์ประกอบหลายอย่างที่ต้องการการสื่อสารระหว่างกัน โทโพโลยีประเภทใดที่ใช้บ่อยที่สุด?
โปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นชิ้นส่วนที่ซับซ้อนอย่างยิ่งที่ประกอบขึ้นจากตัวอื่น แต่โดยทั่วไปแล้วโปรเซสเซอร์ทั้งหมดมักจะมีศูนย์กลางการสื่อสารที่รับผิดชอบในการสื่อสารองค์ประกอบต่างๆ ที่เป็นส่วนหนึ่งของโปรเซสเซอร์ อย่างไรก็ตาม มีโทโพโลยีที่แตกต่างกันในสิ่งที่เรารู้จักในชื่อ Northbridge และนั่นคือเหตุผลที่เราจะแสดงรายการเหล่านั้นและอธิบายการใช้งานมากที่สุดในโปรเซสเซอร์ต่างๆ ของระบบของเรา ไม่ว่าจะเป็น CPU, APU และแม้แต่ GPU
โครงสร้างพื้นฐานของรถบัสร่วม
โทโพโลยีประเภทแรกที่เราต้องพิจารณาคือโครงสร้างพื้นฐานบัสที่ใช้ร่วมกันหรือแฟบริกบัสที่ใช้ร่วมกัน อินเทอร์เฟซประเภทนี้มีความเร็วที่ยอดเยี่ยมและใช้เพื่อสื่อสารแกนต่างๆ ระหว่างกันและแคชของพวกมัน แต่ยังมีหน้าที่ให้การเข้าถึงคอร์ของ CPU สู่ภายนอก ดังนั้นจึงอนุญาตให้เข้าถึงหน่วยความจำและอุปกรณ์ต่อพ่วงในลักษณะที่สอดคล้องกัน
ซึ่งหมายความว่าโครงสร้างพื้นฐานบัสที่ใช้ร่วมกันจะต้องมีชุดของกลไกที่รวมเข้าด้วยกันเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสอดคล้องกับหน่วยความจำของส่วนประกอบภายในโปรเซสเซอร์ ในที่นี้ เราต้องชี้แจงว่าเราสามารถพบว่า CPU และ GPU ไม่มีที่อยู่ร่วมกัน ดังนั้นจะไม่เชื่อมโยงกัน แต่ภายในของโปรเซสเซอร์เดียวกัน เป็นเรื่องปกติที่ส่วนประกอบทั้งหมดจะสอดคล้องกันหรือสูงสุด ความสม่ำเสมอที่เป็นไปได้ แม้ว่าใน APU นี้มักจะไม่ประสบความสำเร็จ
โครงสร้างพื้นฐานบัสที่ใช้ร่วมกันจึงเป็นสิ่งที่เรารู้จักในชื่อ Northbridge หรือ North Bridge ซึ่งมีโทโพโลยีประเภทต่างๆ สิ่งนี้จะต้องเข้าใจว่าเป็นวิธีการที่ส่วนประกอบต่างๆ ถูกสื่อสารระหว่างกัน ซึ่งจะส่งผลต่อเวลาแฝง ค่าใช้จ่ายในการดำเนินการ การใช้พลังงาน และปัจจัยอื่นๆ
หลายครั้งที่มีการออกแบบที่ไม่มีโครงสร้างพื้นฐานประเภทที่ดีที่สุดเพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจากโปรเซสเซอร์ แต่ได้รับเลือกด้วยเหตุผลด้านต้นทุนที่เกี่ยวข้อง ทั้งเนื่องมาจากจำนวนทรานซิสเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานและเนื่องจากลักษณะทางกายภาพ ค่าใช้จ่ายเช่นพลังงานที่ส่งผ่านการสื่อสารหรือที่ปล่อยออกมาในรูปของอุณหภูมิ
สวิตช์คานประตู
Crossbar Switch เป็นประเภทโทโพโลยีที่ง่ายที่สุดในการแสดงภาพ เป็นประเภทของอินเทอร์เฟซแบบตาข่ายที่ส่วนประกอบแต่ละส่วนมีการเชื่อมต่อโดยตรงกับส่วนประกอบที่เหลือของระบบ ตัวอย่างเช่น ถ้าเรามีโปรเซสเซอร์ที่มี 4 ส่วนประกอบอยู่ภายใน เราจะมี Crossbar Switch ขนาด 4 x 4 ยูนิต
เป็นประเภทโทโพโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด และข้อดีที่สุดคือช่วยให้สามารถดำเนินการสื่อสารหลายอย่างพร้อมกัน ข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดของมัน? เนื่องจากเรามีส่วนประกอบที่เชื่อมต่อกับ Crossbar Switch มากขึ้นเรื่อยๆ ขนาดจึงเพิ่มมากขึ้นภายในชิป ทำให้โครงสร้างพื้นฐานด้านการสื่อสารส่วนกลางเติบโตขึ้นเรื่อยๆ และถึงช่วงเวลาที่การเคลื่อนย้ายข้อมูลจบลงด้วยการใช้พื้นที่มากกว่า การประมวลผลข้อมูล
นั่นคือเหตุผลที่ Crossbar Switches แม้ว่าจะมีการใช้งานมากที่สุดไม่ใช่โทโพโลยีประเภทเดียวที่เราพบได้ในโปรเซสเซอร์ ความซับซ้อนมหาศาลของพวกมันทำให้นักออกแบบใช้โทโพโลยีประเภทอื่น
โทโพโลยีแบบวงแหวน
ประเภทที่สองของโทโพโลยีคือวงแหวน เพื่อให้เข้าใจว่าพวกมันทำงานอย่างไร เราต้องจำลองความเป็นจริง เช่น ทางหลวงรัศมีในบางเมือง ทางออกสู่ย่านหรือเขตแต่ละครั้งจากทางหลวงรัศมีในตัวประมวลผลของเราคืออินพุตและเอาต์พุตของข้อมูลไปยังส่วนประกอบภายในโปรเซสเซอร์ และยานพาหนะที่หมุนเวียนเป็นคำขอข้อมูลจากและไปยังส่วนประกอบเดียวกันเหล่านั้น
ในโครงสร้างพื้นฐานของวงแหวน ข้อมูลจะหมุนเวียนไปรอบๆ วงแหวนกลาง ดังนั้น การสื่อสารไม่ได้โดยตรงและข้อมูลจะออกจากวงแหวนเมื่อผ่านหน้าส่วนประกอบที่กำหนดเท่านั้น ระบบอัตโนมัติในวงแหวนจะดึงข้อมูลและแพ็กเก็ตคำสั่งไปยังส่วนประกอบดังกล่าวและหมุนเวียนส่วนที่เหลือ ปัญหาของโทโพโลยีประเภทนี้คือความเร็วที่ข้อมูลเดินทาง โดยทั่วไป สำหรับแต่ละรอบของโครงสร้างพื้นฐานบัสที่ใช้ร่วมกัน ส่วนย่อยของวงแหวนจะก้าวหน้า ดังนั้นจำนวนของส่วนย่อยของวงแหวนจะสอดคล้องกับจำนวนของส่วนประกอบ ซึ่งทำให้ยากต่อการปรับสเกลเพื่อสร้างการออกแบบที่มีมากหรือน้อย ส่วนประกอบน้อยลง
วงแหวนเป็นโครงสร้างพื้นฐานประเภทที่ง่ายที่สุดในการใช้งานบนโปรเซสเซอร์ และยังมีราคาถูกที่สุดในการติดตั้งในระดับต้นทุน แต่ในโครงสร้างพื้นฐานประเภทนี้ แต่ละโหนดเชื่อมต่อกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด 2 แห่งเท่านั้น หนึ่งโหนดต่อที่อยู่ ซึ่งหมายความว่าการสื่อสารกับส่วนประกอบที่อยู่ไกลกว่าจะมีเวลาแฝงที่สูงขึ้น
Toroidal โทโพโลยี
โครงสร้างพื้นฐานแบบ Toroidal ถูกใช้อย่างแพร่หลายในโลกของซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อเชื่อมต่อด้วยวิธีที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากที่สุดโดยโปรเซสเซอร์ต่างๆ ที่กระจายอยู่ในเบลดต่างๆ รอบโครงสร้างพื้นฐานด้วยวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุด แม้ว่าที่ที่พวกเขาได้รับความนิยมสูงสุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานั้นต้องเผชิญกับโปรเซสเซอร์ที่ออกแบบมาเพื่อเร่งอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์ ทั้งในระดับของการสื่อสาร ALU หลายตัวระหว่างกันหรือตัวประมวลผลที่ต่างกัน
มองแวบแรกอาจชวนให้นึกถึง Crossbar Switch แต่ในกรณีของทอรัส 2 มิติ ส่วนประกอบสามารถสื่อสารกับส่วนประกอบอื่นๆ ได้พร้อมกัน 4 ชิ้น แทนที่จะเป็น 2 อันเมื่อเทียบกับวงแหวน และถ้าเราพูดถึงสามมิติ ทอรัสแล้วเรามีว่าแต่ละองค์ประกอบจะมีการสื่อสารกับอีก 3 องค์ประกอบ เพื่อให้เห็นภาพนั้น เราต้องจำไว้ว่าแต่ละมิติของโทโพโลยีแบบวงแหวนช่วยให้สามารถสื่อสารกับส่วนประกอบที่แตกต่างกันได้ หนึ่งมิติสำหรับแต่ละมิติ ดังนั้น ในวิธีที่ง่ายกว่านั้น วงแหวนคือโครงสร้างพื้นฐาน toroid แบบหนึ่งมิติ
โครงสร้างต้นไม้
โทโพโลยีแบบทรีสื่อสารส่วนประกอบต่างๆ ในโครงสร้างพื้นฐานแบบลำดับชั้นที่มีการจัดระเบียบ ในลักษณะที่การเข้าถึงส่วนประกอบจำเป็นต้องสื่อสารกับส่วนประกอบที่อยู่ในลำดับชั้นก่อนหน้านี้ เป็นแนวคิดที่คล้ายคลึงกันมากกับโทโพโลยี Toroidal และมีความหน่วงแฝงต่ำมากเมื่อส่วนประกอบอยู่ใกล้กัน ดังนั้น เวลาแฝงจะขึ้นอยู่กับจำนวนระดับที่องค์ประกอบหนึ่งเทียบกับอีกองค์ประกอบหนึ่งในลำดับชั้น
การจัดโครงสร้างโครงสร้างต้นไม้ไม่จำเป็นต้องมีจำนวนโหนดที่แน่นอนในแต่ละระดับและอาจไม่สม่ำเสมอโดยสิ้นเชิงในด้านนั้นจากระดับของลำดับชั้นหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง ดังนั้นในด้านนั้นจึงมีความเก่งกาจมากกว่าโทโพโลยี Toroidal ที่เราได้กล่าวถึงในส่วนก่อนหน้านี้
