Co jsou jádra CPU?

Jádro CPU je nezbytnou součástí každého počítače. Jádra CPU jsou součástí každého procesoru CPU. Moderní stolní CPU mají obvykle mezi dvěma a 16 jádry, z nichž každé se může postarat o jeden konkrétní úkol najednou. Počet dostupných jader je jedním z kritických ukazatelů výkonu a rychlosti počítače při špičkovém výkonu.

Stojí za zmínku, že jádra na sobě nejsou zcela nezávislá. V závislosti na konkrétní konstrukci CPU mohou být jádra více či méně úzce propojena. Mohou sdílet mezipaměti, používat se navzájem k předávání zpráv nebo dokonce sdílet jiné typy komunikačních procesů. Častěji budou jádra propojena pomocí sběrnic. Je také rozdíl mezi CPU, která mají pouze identická jádra a těmi, která kombinují různá.

Design CPU

Historický návrh vícejádrového CPU obecně používal homogenní topologii CPU. To znamená, že všechna jádra jsou totožná. To má tu výhodu, že vyžaduje pouze vývojové úsilí jedné základní architektury, kterou lze kopírovat a vkládat tak často, jak je potřeba. Usnadňuje také plánování úloh, protože všechna jádra mohou provádět všechny úlohy stejnou rychlostí a efektivitou.

Jemnější přístup k návrhu jádra CPU lze nalézt s heterogenní topologií CPU. V tomto případě má jeden procesor CPU více typů jádra, obvykle optimalizovaných pro výkon nebo energetickou účinnost, a někdy i střední cestu. Toto nastavení je užitečné zejména v mobilních zařízeních, kde řada účinných jader poskytuje dobrý výkon s minimálním vybíjením baterie. Špičkový výkon lze v případě potřeby zajistit také výkonnějšími jádry s optimalizovaným výkonem, ale za cenu zvýšené spotřeby energie a produkce tepla.

Historicky procesory začínaly pouze s jedním jádrem a mohly zpracovávat pouze jeden úkol najednou. Postupem času, jak rostla poptávka po hardwaru, to už nestačilo. Byly vyvinuty a vyřazeny novější, modernější CPU než ty s méně jádry. Výjimkou byly notebooky – kvůli prostorovým a chladicím omezením procesory notebooků historicky zaostávaly za stolními počítači v počtu jader CPU. Moderní notebooky se mohou rovnat počtu jader se stolními počítači, ale CPU často běží na nižších úrovních výkonu a taktovacích frekvencích, aby zvládaly teploty.

Tip: Pokud se snažíte postavit počítač a vybrat si svůj CPU, absolutní minimum jader, na které byste se měli zaměřit, jsou čtyři.

Vícevláknové zpracování

Většina moderních procesorů používá multi- nebo hyper-threading ke zvýšení počtu dostupných jader. Tento proces rozdělí jedno jádro na několik virtuálních jader. Konkrétně každé fyzické jádro funguje jako dvě vlákna. Proto mohou CPU se čtyřmi jádry pracovat s osmi vlákny, což znamená, že fungují jako osmijádrové CPU.

Poznámka: Některé specializované procesory mohou nabízet více než dvě vlákna na jádro procesoru. Všechny tyto produkty jsou však exkluzivní pro trhy HPC ( High-Performance Computing ) a superpočítače. Stolní CPU jádra mohou provozovat jedno nebo dvě vlákna.

Multithreading však není absolutní duplikací výkonu CPU. Hyperthreading nezdvojnásobuje výkon jádra CPU. Výzkum společnosti Intel naznačuje, že nabízí zvýšení výkonu o přibližně 30 %, i když se to může výrazně lišit a ve vzácných případech může výkon dokonce mírně snížit. Některé aplikace a programy s ním pracují lépe než jiné. Videohry například ne vždy těží z více jader, často jsou citlivější na takt. Jiný software, zejména střih videa a animace, běží dále s extra jádry a vlákny.

Samozřejmě je nemožné vymyslet další jádra – takže simulovaná vlákna musí sdílet dostupné fyzické zdroje svého základního jádra. To může znamenat, že jednotlivá vlákna mají nižší výkon, ale také to může znamenat, že zdroje jsou distribuovány efektivněji. Mohou být použity jakýmkoliv vláknem, které je potřebuje více.

Budoucnost hardwaru

Trend ve vývoji jader CPU rozhodně směřuje k implementaci více a více jader do CPU. Teoreticky by bylo možné postavit CPU se stovkami nebo dokonce tisíci jader. To ještě není komerční realita, protože procesory AMD Threadripper a EPYC mají až 64 jader. Prozatím je však realističtější zaměření na optimalizaci výkonu na watt. Jinými slovy – snížit spotřebu CPU. To prospívá především notebookům a dalším bateriovým zařízením.

Řízení spotřeby energie je rozhodující pro další výrazné zvýšení výkonu. Moorův zákon obecně zdvojnásobuje výkon CPU zhruba každé dva roky po celá desetiletí. To však bylo primárně založeno na zmenšování uzlu, tedy na tom, jak malé mohou být nejmenší prvky v CPU.

Moderní uzly CPU jsou tak malé, že se velmi blíží fyzickým limitům zmenšení velikosti. Zvýšení výkonu tedy znamenalo vyšší spotřebu energie a vyšší tepelný výkon. V blízké budoucnosti mohou procesory superpočítačů produkovat tolik tepla na tak malém prostoru, že je nebude možné chladit vzduchem, což vyžaduje chlazení kapalinou.

Přirozeně se také stále vyvíjejí nové typy CPU. Zdejší dvě největší značky, Intel a AMD, se každá chlubí různými typy konstrukcí CPU. To jde tak daleko, že jejich příslušné CPU jsou pro některá použití vhodnější než jiné. Nově navržené CPU samozřejmě nabízejí nové případy použití a speciality nad rámec stávajících.

Architektura CPU je komplexní téma. S rostoucími dostupnými technologiemi a požadavky na vyšší výkon roste i výkon, který CPU nabízejí, a rozmanitost dostupných konfigurací. Stejně jako trh s GPU i trh s CPU vykazuje známky posunu ke konkrétním hardwarovým akcelerátorům. To může umožnit vyšší výkon a větší efektivitu u konkrétních úkolů, ale zvyšuje to složitost.

Závěr

Jádro CPU je jedna nebo více specifických částí CPU matrice, které provádějí skutečné zpracování. Ty budou obvykle obsluhovány a obklopeny registry a mezipaměti. Naprostá většina moderních CPU nabízí více jader na jednom procesoru. Jádra CPU mohou být identická nebo optimalizovaná pro různé stupně křivky výkon/účinnost.

Jádra CPU jsou obvykle univerzální, schopná provádět jakékoli zpracování, které CPU může potřebovat. Neuniverzální procesorová jednotka na CPU matrici může být nazývána akcelerátorem nebo X procesorovým jádrem. X je nahrazeno specifickým účelem, jako jsou neurální procesorová jádra a neurální akcelerátory pro zpracování AI.