Багатоядерний процесор: що це таке і для чого він потрібен

Загальна тенденція - знайти багатоядерний процесор всередині персонального комп’ютера, тому, якщо ви все ще не знаєте, про що ми говоримо, саме час ви зустрінетесь з цими процесорами. Насправді вони були з нами вже майже десятиліття, даючи нам все більше і більше сил та можливостей для обробки інформації, перетворюючи нашу машину на справжні центри обробки даних з настільних комп'ютерів.

Зміст індексу

Багатоядерні процесори революціонували ринок спочатку для споживання великих компаній та центрів обробки даних, а потім для звичайних користувачів, тим самим перескочивши в нову еру високопродуктивного обладнання. Навіть у нашого смартфона є багатоядерні процесори.

Яка функція процесора в комп’ютері

Але перш ніж ми почнемо розбиратися, що це все про багатоядерні процесори, варто оновити трохи пам’яті, визначившись, для чого насправді призначений процесор. Можливо, це здається дурним на даний момент, але не всі знають цю істотну складову в сучасній епосі, і настав час.

Процесор, процесор або центральний процесорний блок складається з електронної схеми, розробленої з транзисторів, логічних воріт та ліній з електричними сигналами, здатними виконувати завдання та інструкції. Ці інструкції породжуються комп'ютерною програмою та взаємодією (чи ні) людини чи навіть інших програм. Таким чином ми можемо виконувати продуктивні завдання на основі даних через комп’ютери.

Комп'ютер та будь-який інший електронний пристрій неможливо було уявити без наявності процесора. Це може бути більш-менш складним, але будь-який пристрій, здатний виконувати конкретну задачу, потребує цього пристрою для перетворення електричних сигналів у дані і навіть у фізичні завдання, наприклад корисні для людини складальні лінії.

Яка суть процесора

Як і будь-який інший компонент, процесор складається з різних елементів всередині нього. Ми називаємо це поєднання архітектури елементів, і те, що ми зараз маємо всередині процесора нашого комп'ютера, - це x86, набір кодів, параметрів та електронних компонентів, які в поєднанні здатні обчислити ці інструкції, просто виконавши логічні та арифметичні операції.

Внутрішня структура процесора

Ядро або серцевина процесора - це блок або інтегральна схема, яка відповідає за обробку всієї цієї інформації. Складений з мільйонів транзисторів, оснащених функціональною логічною структурою, він здатний обробляти інформацію, що надходить, у вигляді операндів і операторів, щоб генерувати результати, що дозволяють програмам працювати. Отже, це основна суть процесора.

Щоб зробити ваш звук, ядро ​​процесора складається з цих основних елементів:

• Блок управління (UC): він відповідає за синхронне керування роботою процесора, в даному випадку ядра. Він дає накази у вигляді електричних сигналів різним компонентам (процесор, оперативна пам'ять, периферія), щоб вони працювали синхронно. Арифметико-логічна одиниця (ALU): вона відповідає за виконання всіх логічних і арифметичних операцій з цілими числами з даними, які вона отримує Регістри: регістри - це комірки, які дозволяють зберігати інструкції, що виконуються, та результати проведеної операції.

Для чого більше ядер?

Гонка виробників мати найпотужніший і найшвидший продукт коли-небудь існувала, і в електроніці це нічим не відрізняється. У його дні було важливою віхою створити процесор із частотою понад 1 ГГц. Якщо ви не знаєте, ГГц вимірює кількість операцій, які процесор здатний виконувати

ГГц: що таке і що таке гігагерц в обчисленні

Гонка на те, щоб мати більше ГГц

Першим процесором, який досяг 1 ГГц, став DEC Alpha в 1992 році, але коли мова заходить про процесор для персональних комп'ютерів, це було не до 1999 року, коли Intel зі своїми Pentium III та AMD зі своїми процесорами Athlon побудувала ці показники.. У цей час виробники мали на увазі лише одне - «чим більше ГГц, тим краще », оскільки більше операцій можна було виконати за одиницю часу.

Через кілька років виробники знайшли обмеження на кількість ГГц своїх процесорів, чому? тому що завдяки величезній кількості тепла, яке генерується в його серцевині, ставиться до мети цілісність матеріалів і тепловідводів. Так само споживається споживання для кожного Гц, коли частота збільшується.

Гонка, щоб мати більше ядер

Після цього обмеження виробники повинні були змінити парадигму, і саме так виникла нова мета, "чим більше ядер, тим краще ". Подумаємо, якщо ядро ​​відповідає за виконання операцій, то збільшуючи кількість ядер, ми можемо подвоїти, потроїти,… кількість операцій, які можна зробити. Очевидно, що це так, з двома ядрами ми можемо робити дві операції одночасно, і з чотирма ми можемо робити 4 з цих операцій.

Intel Pentium Extreme Edition 840

Ціль, яку поставила Intel досягти 10 ГГц зі своєю архітектурою NetBurst, залишилася позаду, чого досі не було досягнуто, принаймні, не з охолоджувальними системами, доступними для звичайних користувачів. Таким чином, найкращим способом досягти хорошої масштабованості в потужності та потужності обробки був такий, маючи процесори з певною кількістю ядер, а також з певною частотою.

Почали впроваджуватися двоядерні процесори, або виготовляючи два окремих процесора, або набагато краще, інтегруючи два DIE (схеми) на один чіп. Таким чином економлять багато місця на материнських платах, хоча це вимагає більшої складності для реалізації її структури зв'язку з іншими компонентами, такими як кеш-пам'ять, шини тощо.

Перші процесори з більш ніж одним ядром

На даний момент досить цікаво дізнатися, які були перші багатоядерні процесори, що з'явилися на ринку. І як ви можете собі уявити, початки були, як завжди, для корпоративного використання на серверах, а також як завжди IBM. Першим багатоядерним процесором став IBM POWER4 з двома ядрами на одному DIE та базовою частотою 1, 1 ГГц, виготовлений у 2001 році.

Але тільки в 2005 році, коли перші двоядерні процесори для масового споживання користувачами з'явилися на своїх настільних комп'ютерах. Intel викрала гаманець у AMD за кілька тижнів заздалегідь з його Intel Pentium Extreme Edition 840 з HiperThreading, пізніше опублікувавши AMD Athlon X2.

Після цього виробники пробігли і почали вводити ядра без розбору, з наступною мініатюризацією транзисторів. В даний час виробничий процес базується на транзисторах лише 7 нм, реалізованих AMD в третьому поколінні Ryzen, і 12 нм, реалізованих Intel. Завдяки цьому нам вдалося ввести більшу кількість ядер і схем в одну мікросхему, тим самим збільшуючи потужність обробки і зменшуючи споживання. Насправді у нас є до 32-ядерних процесорів на ринку, які є Threadrippers AMD.

Що нам потрібно, щоб скористатися ядрами процесора

Логіка здається дуже простою, вставляють ядра та збільшують кількість одночасних процесів. Але спочатку це був справжній головний біль для виробників апаратних засобів, а особливо для виробників програмного забезпечення.

А хіба що програми були розроблені (компільовані) лише для роботи з ядром. Не тільки нам потрібен процесор, щоб фізично здатний робити кілька одночасних операцій, ми також потребуємо, щоб програма, яка генерує ці інструкції, могла це робити, спілкуючись з кожним із наявних ядер. Навіть операційні системи повинні були змінити свою архітектуру, щоб мати можливість ефективно використовувати декілька ядер одночасно.

Таким чином програмісти приступили до роботи і почали збирати нові програми з багатоядерною підтримкою, так що в даний час програма здатна ефективно використовувати всі ядра, доступні на комп'ютері. Таким чином множимо нитки виконання на необхідну суму. Тому що, якщо, крім стрижнів, з'явилося і поняття нитки виконання.

У багатоядерному процесорі важливо паралелізувати процеси, які виконує програма, це означає, що кожному ядру вдається виконати завдання паралельно іншому, і послідовно, один за одним. Цей метод створення різних завдань одночасно з програми називається англійською мовою, робочі нитки, теми або просто теми. І операційна система, і програми повинні мати можливість створювати паралельні потоки процесів, щоб скористатися повною потужністю процесора. Це дуже важливо, що дизайн CAD, редагування відео чи програми дуже добре спрацьовують, тоді як в іграх є шлях.

Які потоки процесора? Відмінності з ядрами

HyperThreading та SMT

В результаті вищезазначеного з'являються технології виробників процесорів. Найвідомішим серед них є HyperThreading, який Intel почала використовувати у своїх процесорах, а пізніше AMD зробить це спочатку за допомогою технології CMT, а потім з еволюцією до SMT (Simulta Multi-Threading).

Ця технологія полягає у існуванні двох ядер в одному, але вони будуть не справжніми ядрами, а логічними, такими, що в програмуванні називають обробкою ниток або потоків. Ми вже говорили про це раніше. Ідея полягає в тому, щоб ще раз розділити навантаження між ядрами, сегментуючи кожне із завдань, яке потрібно виконати в потоках, щоб вони виконувались, коли ядро ​​вільне.

Є процесори, які, наприклад, мають лише два ядра, але мають 4 потоки завдяки цим технологіям. Intel використовує його в першу чергу у своїх високопродуктивних процесорах Intel Core та ноутбуках процесорів, в той час як AMD впроваджує його у всьому діапазоні процесорів Ryzen.

Що таке HyperThreading?

Як знати, скільки ядер має мій процесор

Ми вже знаємо, що таке ядра і що таке потоки та їх значення для багатоядерного процесора. Отже, останнє, що нам залишилося - це знати, як знати, скільки ядер має наш процесор.

Вам слід знати, що Windows іноді не розрізняє ядра і потоки, оскільки вони з'являться з іменем ядер або процесорів, наприклад в інструменті "msiconfig". Якщо ми відкриємо диспетчер завдань і перейдемо до розділу продуктивності, ми можемо побачити список, де відображається кількість ядер і логічних процесорів ЦП. Але графіка, яка нам буде показана, буде безпосередньо такою, що є логічними ядрами, подібно до тих, що з’являються в Моніторі продуктивності, якщо ми відкриємо його.

Як знати, скільки ядер має мій процесор

Висновок та цікаві посилання

Ми підійшли до кінця, і ми сподіваємось, що достойно пояснили, що таке багатоядерний процесор, і найважливіші поняття, пов'язані з темою. В даний час є справжні монстри з до 32 ядрами і 64 нитками. Але для того, щоб процесор був ефективним, важлива не тільки кількість ядер та їх частота, але і те, як він побудований, ефективність його шин даних і зв'язок та спосіб роботи його ядер, і тут Intel слідкує за крок попереду AMD. Ми незабаром побачимо нові Ryzen 3000, які обіцяють перевершити найпотужніші настільні процесори Intel, тому слідкуйте за нашими оглядами.

Якщо у вас є якісь питання або пункти щодо теми, або ви хочете щось уточнити, ми пропонуємо вам це зробити, використовуючи поле для коментарів нижче.