Какво представляват процесорните ядра?

Ядрото на процесора е съществена част от всеки компютър. CPU ядрата са част от всеки CPU процесор. Съвременните настолни процесори обикновено имат между две и 16 ядра, всяко от които може да се грижи за една конкретна задача в даден момент. Броят на наличните ядра е един от критичните показатели за това колко мощен и бърз е един компютър при максимална производителност.

Струва си да се отбележи, че ядрата не са напълно независими едно от друго. В зависимост от конкретния дизайн на процесора, ядрата могат да бъдат повече или по-малко тясно свързани. Те могат да споделят кеш памети, да се използват взаимно за предаване на съобщения или дори да споделят други видове комуникационни процеси. По-често ядрата ще бъдат свързани чрез шини. Има също разлика между процесори, които имат само идентични ядра и тези, които комбинират различни.

Дизайн на процесора

Историческият многоядрен CPU дизайн обикновено използва хомогенна CPU топология. Тоест всички ядра са идентични. Това има предимството, че изисква усилия за разработка само на една основна архитектура, която може да се копира и поставя толкова често, колкото е необходимо. Освен това улеснява планирането на задачи, тъй като всички ядра могат да изпълняват всички задачи с еднаква скорост и ефективност.

По-нюансиран подход към дизайна на ядрото на процесора може да бъде намерен с хетерогенна топология на процесора. В този случай един матрица на процесора има множество типове ядра, обикновено оптимизирани за производителност или енергийна ефективност, а понякога и средно положение. Тази настройка е особено полезна в мобилни устройства, където множество ефективни ядра осигуряват добра производителност с минимално изтощаване на батерията. Пиковата производителност може също да бъде осигурена, когато е необходимо, от по-мощни ядра с оптимизирана производителност, но с цената на увеличено потребление на енергия и производство на топлина.

В исторически план процесорите започват само с едно ядро ​​и могат да се справят само с една задача наведнъж. С течение на времето, когато търсенето на хардуер се увеличи, това вече не беше достатъчно. По-нови, по-модерни процесори бяха разработени и постепенно премахнати от тези с по-малко ядра. Изключение бяха лаптопите – поради ограниченията на пространството и охлаждането, процесорите за лаптопи исторически изостават от настолните компютри по отношение на броя на процесорните ядра. Съвременните лаптопи могат да съпоставят броя на ядрата с настолните компютри, но процесорите често работят на по-ниски нива на мощност и тактова честота, за да управляват температурите.

Съвет: Ако се опитвате да създадете компютър и изберете вашия процесор, абсолютният минимум ядра, към който трябва да се стремите, е четири.

Многопоточност

Повечето съвременни процесори използват мулти- или хипер-нишки, за да увеличат броя на наличните ядра. Този процес разделя едно ядро ​​на няколко виртуални ядра. По-конкретно, всяко физическо ядро ​​работи като две нишки. Следователно процесорите с четири ядра могат да работят с осем нишки, което означава, че функционират като осемядрен процесор.

Забележка: Някои специализирани процесори могат да предложат повече от две нишки на ядро ​​на процесора. Всички подобни продукти обаче са ексклузивни за HPC ( High-Performance Computing ) и пазарите на суперкомпютри. Ядрата на процесора за настолен компютър могат да изпълняват една или две нишки.

Многонишковостта обаче не е абсолютно дублиране на мощността на процесора. Hyperthreading не удвоява производителността на ядрото на процесора. Изследванията на Intel показват, че предлага подобрение на производителността от около 30%, въпреки че това може да варира значително и в редки случаи дори леко да намали производителността. Някои приложения и програми работят с него по-добре от други. Видеоигрите, например, не винаги се възползват от повече ядра, често са по-чувствителни към тактовата честота. Друг софтуер, особено редактиране на видео и анимация, работи по-далеч с допълнителни ядра и нишки.

Разбира се, невъзможно е да се измислят допълнителни ядра – така че симулираните нишки трябва да споделят наличните физически ресурси на основното си ядро. Това може да означава, че отделните нишки имат по-ниска производителност, но също така може да означава, че ресурсите са по-ефективно разпределени. Те могат да се използват от която нишка има повече нужда от тях.

Бъдещето на хардуера

Тенденцията в развитието на процесорните ядра определено върви към внедряване на все повече и повече ядра в процесорите. Теоретично би било възможно да се изградят процесори със стотици или дори хиляди ядра. Това все още не е търговска реалност, тъй като процесорите AMD Threadripper и EPYC имат до 64 ядра. Засега обаче по-реалистичният фокус е оптимизирането на производителността на ват. С други думи – да намали консумацията на енергия на процесорите. Това е от полза предимно за лаптопи и други устройства, захранвани от батерии.

Управлението на консумацията на енергия е от решаващо значение за по-нататъшно значително повишаване на производителността. Законът на Мур обикновено удвоява производителността на процесора приблизително на всеки две години в продължение на десетилетия. Това обаче се основава главно на свиването на възела, т.е. колко малки могат да бъдат най-малките елементи в процесора.

Съвременните CPU възли са толкова малки, че са много близо до физическите ограничения за намаляване на размера. Повишаването на производителността следователно означава по-висока мощност и по-висока топлинна мощност. В близко бъдеще суперкомпютърните процесори може да произвеждат толкова много топлина в толкова малко пространство, че е невъзможно да се охлаждат с въздух, което изисква течно охлаждане.

Естествено, винаги се разработват нови типове процесори. Двете най-големи марки тук, Intel и AMD, всяка може да се похвали с различни видове CPU дизайни. Това стига толкова далеч, че съответните им процесори са по-подходящи за някои приложения, отколкото за други. Разбира се, новоразработените процесори предлагат нови случаи на употреба и специалности в допълнение към съществуващите.

Архитектурата на процесора е сложна тема. С нарастването както на наличните технологии, така и на търсенето на по-висока производителност, нараства и мощността, която процесорите предлагат, и разнообразието от налични конфигурации. Подобно на пазара на GPU, пазарът на CPU показва признаци на изместване към специфични хардуерни ускорители. Това може да позволи повече производителност и по-голяма ефективност при определени задачи, но увеличава сложността.

Заключение

Ядрото на процесора е една или повече специфични части от матрицата на процесора, които извършват действителната обработка. Те обикновено се обслужват и заобиколени от регистри и кешове. По-голямата част от съвременните процесори предлагат множество ядра на един процесор. CPU ядрата може да са идентични или оптимизирани за различни етапи на кривата на производителност/ефективност.

Ядрата на процесора обикновено са с общо предназначение, способни да извършват всякаква обработка, от която процесорът може да се нуждае. Процесор с неуниверсално предназначение на CPU матрица може да се нарече ускорител или X процесорно ядро. X се заменя със специфична цел, като ядра за невронна обработка и невронни ускорители за обработка на AI.