Què són els nuclis de CPU?

Un nucli de CPU és una part essencial de qualsevol ordinador. Els nuclis de CPU formen part de qualsevol processador de CPU. Les CPU d'escriptori modernes solen tenir entre dos i 16 nuclis, cadascun dels quals pot fer-se càrrec d'una tasca específica alhora. El nombre de nuclis disponibles és un dels indicadors crítics de la potent i ràpida que té un ordinador amb un rendiment màxim.

Val la pena assenyalar que els nuclis no són del tot independents els uns dels altres. Depenent del disseny particular de la CPU, els nuclis poden estar més o menys estretament vinculats. Poden compartir memòria cau, utilitzar-se mútuament per transmetre missatges o fins i tot compartir altres tipus de processos de comunicació. Molt sovint, els nuclis es connectaran mitjançant autobusos. També hi ha una distinció entre les CPU que només tenen nuclis idèntics i les que en combinen de diferents.

Disseny de CPU

El disseny històric de CPU multinucli ha utilitzat generalment una topologia de CPU homogènia. És a dir, tots els nuclis són idèntics. Això té l'avantatge de requerir només l'esforç de desenvolupament d'una arquitectura bàsica que es pot copiar i enganxar tantes vegades com sigui necessari. També facilita la programació de tasques, ja que tots els nuclis poden realitzar totes les tasques a la mateixa velocitat i eficiència.

Es pot trobar un enfocament més matisat del disseny del nucli de la CPU amb una topologia de CPU heterogènia. En aquest cas, una matriu de CPU té diversos tipus de nucli, normalment optimitzats per al rendiment o l'eficiència energètica, i de vegades un terme mitjà. Aquesta configuració és especialment útil en dispositius mòbils, on nombrosos nuclis eficients ofereixen un bon rendiment amb un consum mínim de bateria. El rendiment màxim també es pot proporcionar quan sigui necessari mitjançant nuclis optimitzats de rendiment més potents, però a costa d'augmentar l'absorció d'energia i la producció de calor.

Històricament, les CPU van començar amb un sol nucli i només podien gestionar una tasca alhora. Amb el temps, a mesura que augmentava la demanda de maquinari, ja no n'hi havia prou. Es van desenvolupar i eliminar progressivament CPU més noves i modernes que les que tenien menys nuclis. L'excepció van ser els ordinadors portàtils: a causa de les limitacions d'espai i de refrigeració, les CPU portàtils s'han quedat històricament per darrere dels ordinadors d'escriptori en el recompte de nuclis de la CPU. Els ordinadors portàtils moderns poden igualar el nombre de nuclis amb els ordinadors de sobretaula, però les CPU sovint funcionen a nivells de potència i velocitats de rellotge més baixes per gestionar les temperatures.

Consell: si esteu intentant construir un ordinador i triar la vostra CPU, el mínim absolut de nuclis que hauríeu d'aspirar és quatre.

Multithreading

La majoria dels processadors moderns utilitzen multi-o hiper-threading per augmentar el nombre de nuclis disponibles. Aquest procés divideix un nucli en diversos nuclis virtuals. Concretament, cada nucli físic funciona com a dos fils. Per tant, les CPU amb quatre nuclis poden funcionar amb vuit fils, és a dir, funcionen com una CPU de vuit nuclis.

Nota: algunes CPU especialitzades poden oferir més de dos fils per nucli de CPU. No obstant això, tots aquests productes són exclusius dels mercats d'HPC ( High-Performance Computing ) i de supercomputació. Els nuclis de la CPU d'escriptori poden executar un o dos fils.

Tanmateix, el multithreading no és una duplicació absoluta de la potència de la CPU. Hyperthreading no duplica el rendiment del nucli de la CPU. La investigació d'Intel suggereix que ofereix un augment del rendiment al voltant del 30%, tot i que això pot variar molt i, en casos rars, fins i tot reduir lleugerament el rendiment. Algunes aplicacions i programes funcionen millor que d'altres. Els videojocs, per exemple, no sempre es beneficien de més nuclis, sovint són més sensibles a la velocitat del rellotge. Un altre programari, especialment l'edició de vídeo i l'animació, s'executa més lluny amb nuclis i fils addicionals.

Per descomptat, és impossible inventar nuclis addicionals, de manera que els fils simulats han de compartir els recursos físics disponibles del seu nucli subjacent. Això pot significar que els fils tenen un rendiment inferior individualment, però també pot significar que els recursos es distribueixen de manera més eficaç. Poden ser utilitzats per qualsevol fil que els necessiti més.

El futur del maquinari

La tendència en el desenvolupament del nucli de la CPU sens dubte va cap a la implementació de més i més nuclis a les CPU. Teòricament, seria possible construir CPU amb centenars o fins i tot milers de nuclis. Això encara no és una realitat comercial, amb les CPU AMD Threadripper i EPYC que tenen fins a 64 nuclis. De moment, però, un enfocament més realista és optimitzar el rendiment per watt. En altres paraules, per reduir el consum d'energia de les CPU. Això beneficia principalment als ordinadors portàtils i altres dispositius que funcionen amb bateria.

La gestió del consum d'energia és fonamental per augmentar encara més el rendiment. La llei de Moore en general ha duplicat el rendiment de la CPU aproximadament cada dos anys durant dècades. Això, però, es va basar principalment en la reducció del node, és a dir, com de petits podrien ser els elements més petits de la CPU.

Els nodes de CPU moderns són tan petits que estan molt a prop dels límits físics de les reduccions de mida. Per tant, l'augment del rendiment ha significat un consum més gran d'energia i una major producció de calor. En un futur proper, les CPU de superordinadors poden produir tanta calor en un espai tan petit que és impossible refredar-les amb aire, la qual cosa requereix refrigeració líquida.

Naturalment, també s'estan desenvolupant nous tipus de CPU. Les dues marques més grans aquí, Intel i AMD, tenen diferents tipus de dissenys de CPU. Això arriba tan lluny que les seves respectives CPU s'adapten més a alguns usos que a altres. Per descomptat, les CPU de disseny recent ofereixen nous casos d'ús i especialitats a sobre de les existents.

L'arquitectura de la CPU és un tema complex. A mesura que creixen les tecnologies disponibles i la demanda d'un rendiment superior, també ho fa la potència que ofereixen les CPU i la varietat de configuracions disponibles. Igual que el mercat de les GPU, el mercat de les CPU mostra signes de canvi cap a acceleradors de maquinari específics. Això pot permetre més rendiment i una major eficiència en tasques concretes, però augmenta la complexitat.

Conclusió

Un nucli de CPU és una o més parts específiques d'una matriu de CPU que realitzen el processament real. Normalment es serviran i estaran envoltats de registres i memòria cau. La gran majoria de les CPU modernes ofereixen diversos nuclis en una matriu de CPU. Els nuclis de CPU poden ser idèntics o optimitzats per a diferents etapes de la corba de rendiment/eficiència.

Els nuclis de la CPU solen ser de propòsit general, capaços de realitzar qualsevol processament que la CPU pugui necessitar. Una unitat de processament no general en una matriu de CPU es pot anomenar un accelerador o un nucli de processament X. X es substitueix per un propòsit específic, com ara nuclis de processament neuronal i acceleradors neuronals per al processament d'IA.