Τι είναι οι πυρήνες CPU;

Ένας πυρήνας CPU είναι απαραίτητο μέρος οποιουδήποτε υπολογιστή. Οι πυρήνες της CPU αποτελούν μέρος οποιουδήποτε επεξεργαστή CPU. Οι σύγχρονοι επιτραπέζιοι επεξεργαστές έχουν συνήθως από δύο έως 16 πυρήνες, καθένας από τους οποίους μπορεί να αναλάβει μια συγκεκριμένη εργασία τη φορά. Ο αριθμός των διαθέσιμων πυρήνων είναι ένας από τους κρίσιμους δείκτες του πόσο ισχυρός και γρήγορος είναι ένας υπολογιστής σε κορυφαία απόδοση.

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι πυρήνες δεν είναι εντελώς ανεξάρτητοι μεταξύ τους. Ανάλογα με τη συγκεκριμένη σχεδίαση της CPU, οι πυρήνες μπορούν να είναι περισσότερο ή λιγότερο στενά συνδεδεμένοι. Μπορούν να μοιράζονται κρυφές μνήμες, να χρησιμοποιούν το ένα το άλλο για να μεταδίδουν μηνύματα ή ακόμη και να μοιράζονται άλλους τύπους διαδικασιών επικοινωνίας. Τις περισσότερες φορές, οι πυρήνες θα συνδέονται μέσω λεωφορείων. Υπάρχει επίσης μια διάκριση μεταξύ των CPU που έχουν μόνο πανομοιότυπους πυρήνες και εκείνων που συνδυάζουν διαφορετικούς.

Σχεδιασμός CPU

Ο ιστορικός σχεδιασμός πολυπύρηνων CPU χρησιμοποιεί γενικά μια ομοιογενή τοπολογία CPU. Δηλαδή, όλοι οι πυρήνες είναι πανομοιότυποι. Αυτό έχει το πλεονέκτημα ότι απαιτεί μόνο την προσπάθεια ανάπτυξης ενός πυρήνα αρχιτεκτονικής που μπορεί να αντιγραφεί και να επικολληθεί όσο συχνά χρειάζεται. Επίσης, διευκολύνει τον προγραμματισμό εργασιών, καθώς όλοι οι πυρήνες μπορούν να εκτελέσουν όλες τις εργασίες με την ίδια ταχύτητα και αποτελεσματικότητα.

Μια πιο διαφοροποιημένη προσέγγιση στο σχεδιασμό του πυρήνα της CPU μπορεί να βρεθεί με την ετερογενή τοπολογία της CPU. Σε αυτήν την περίπτωση, ένα καλούπι CPU έχει πολλούς τύπους πυρήνων, συνήθως βελτιστοποιημένους για απόδοση ή απόδοση ισχύος, και μερικές φορές μια μέση λύση. Αυτή η ρύθμιση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη σε φορητές συσκευές, όπου πολλοί αποδοτικοί πυρήνες παρέχουν καλή απόδοση με ελάχιστη κατανάλωση μπαταρίας. Η κορυφαία απόδοση μπορεί επίσης να παρέχεται όταν χρειάζεται από πιο ισχυρούς βελτιστοποιημένους πυρήνες απόδοσης, αλλά με κόστος αυξημένης κατανάλωσης ισχύος και παραγωγής θερμότητας.

Ιστορικά, οι CPU ξεκίνησαν με έναν μόνο πυρήνα και μπορούσαν να χειριστούν μόνο μία εργασία τη φορά. Με τον καιρό, καθώς η ζήτηση για υλικό αυξήθηκε, αυτό δεν ήταν πια αρκετό. Αναπτύχθηκαν και καταργήθηκαν νεότερες, πιο σύγχρονες CPU από αυτές με λιγότερους πυρήνες. Η εξαίρεση ήταν οι φορητοί υπολογιστές - λόγω των περιορισμών χώρου και ψύξης, οι επεξεργαστές φορητών υπολογιστών υστερούν ιστορικά σε σχέση με τους επιτραπέζιους υπολογιστές σε αριθμό πυρήνων CPU. Οι σύγχρονοι φορητοί υπολογιστές μπορούν να ταιριάξουν τον αριθμό πυρήνων με τους επιτραπέζιους υπολογιστές, αλλά οι CPU συχνά λειτουργούν σε χαμηλότερα επίπεδα ισχύος και ταχύτητες ρολογιού για τη διαχείριση των θερμοκρασιών.

Συμβουλή: Εάν προσπαθείτε να δημιουργήσετε έναν υπολογιστή και να επιλέξετε την CPU σας, το απόλυτο ελάχιστο των πυρήνων που πρέπει να στοχεύσετε είναι τέσσερις.

Multithreading

Οι περισσότεροι σύγχρονοι επεξεργαστές χρησιμοποιούν multi- ή hyper-threading για να αυξήσουν τον αριθμό των διαθέσιμων πυρήνων. Αυτή η διαδικασία χωρίζει έναν πυρήνα σε πολλούς εικονικούς πυρήνες. Συγκεκριμένα, κάθε φυσικός πυρήνας λειτουργεί ως δύο νήματα. Επομένως, οι CPU με τέσσερις πυρήνες μπορούν να λειτουργήσουν με οκτώ νήματα, που σημαίνει ότι λειτουργούν σαν μια CPU οκτώ πυρήνων.

Σημείωση: Ορισμένες εξειδικευμένες CPU μπορούν να προσφέρουν περισσότερα από δύο νήματα ανά πυρήνα CPU. Ωστόσο, όλα αυτά τα προϊόντα είναι αποκλειστικά για τις αγορές HPC ( High-Performance Computing ) και υπερυπολογιστών. Οι πυρήνες της CPU επιφάνειας εργασίας μπορούν να εκτελούν είτε ένα είτε δύο νήματα.

Ωστόσο, το Multithreading δεν αποτελεί απόλυτο διπλασιασμό της ισχύος της CPU. Το Hyperthreading δεν διπλασιάζει την απόδοση του πυρήνα της CPU. Η έρευνα της Intel υποδηλώνει ότι προσφέρει ώθηση απόδοσης περίπου 30%, αν και αυτό μπορεί να ποικίλλει πολύ και, σε σπάνιες περιπτώσεις, να μειώσει ακόμη και ελαφρώς την απόδοση. Ορισμένες εφαρμογές και προγράμματα λειτουργούν με αυτό καλύτερα από άλλες. Τα βιντεοπαιχνίδια, για παράδειγμα, δεν επωφελούνται πάντα από περισσότερους πυρήνες, καθώς συχνά είναι πιο ευαίσθητα στην ταχύτητα του ρολογιού. Άλλο λογισμικό, ειδικά η επεξεργασία βίντεο και τα κινούμενα σχέδια, τρέχει πιο μακριά με επιπλέον πυρήνες και νήματα.

Φυσικά, είναι αδύνατο να εφεύρουμε επιπλέον πυρήνες – επομένως τα προσομοιωμένα νήματα πρέπει να μοιράζονται τους διαθέσιμους φυσικούς πόρους του υποκείμενου πυρήνα τους. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι τα νήματα έχουν χαμηλότερη απόδοση μεμονωμένα, αλλά μπορεί επίσης να σημαίνει ότι οι πόροι κατανέμονται πιο αποτελεσματικά. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν από όποιο νήμα τα χρειάζεται περισσότερο.

Το μέλλον του υλικού

Η τάση στην ανάπτυξη πυρήνα CPU σίγουρα πηγαίνει προς την εφαρμογή ολοένα και περισσότερων πυρήνων σε CPU. Θεωρητικά, θα ήταν δυνατή η κατασκευή CPU με εκατοντάδες ή και χιλιάδες πυρήνες. Αυτό δεν είναι ακόμη μια εμπορική πραγματικότητα, με τους επεξεργαστές Threadripper και EPYC της AMD να έχουν έως και 64 πυρήνες. Προς το παρόν, ωστόσο, μια πιο ρεαλιστική εστίαση είναι η βελτιστοποίηση της απόδοσης ανά watt. Με άλλα λόγια - για να μειώσετε την κατανάλωση ισχύος των CPU. Αυτό ωφελεί πρωτίστως τους φορητούς υπολογιστές και άλλες συσκευές που λειτουργούν με μπαταρία.

Η διαχείριση της κατανάλωσης ενέργειας είναι κρίσιμη για περαιτέρω σημαντικές αυξήσεις απόδοσης. Ο νόμος του Moore έχει γενικά διπλασιάσει την απόδοση της CPU περίπου κάθε δύο χρόνια για δεκαετίες. Αυτό, ωστόσο, βασίστηκε κυρίως στη συρρίκνωση του κόμβου, δηλαδή στο πόσο μικρά θα μπορούσαν να είναι τα μικρότερα στοιχεία της CPU.

Οι σύγχρονοι κόμβοι CPU είναι τόσο μικροί που είναι πολύ κοντά στα φυσικά όρια για μειώσεις μεγέθους. Ως εκ τούτου, η αύξηση της απόδοσης σημαίνει μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας και υψηλότερη απόδοση θερμότητας. Στο εγγύς μέλλον, οι επεξεργαστές υπερυπολογιστών μπορεί να παράγουν τόση θερμότητα σε έναν τόσο μικρό χώρο που είναι αδύνατο να ψύχονται με αέρα, απαιτώντας υγρή ψύξη.

Φυσικά, υπάρχουν επίσης πάντα νέοι τύποι CPU που αναπτύσσονται. Οι δύο μεγαλύτερες μάρκες εδώ, η Intel και η AMD, διαθέτουν η καθεμία διαφορετικούς τύπους σχεδίων CPU. Αυτό φτάνει τόσο μακριά που οι αντίστοιχες CPU τους ταιριάζουν καλύτερα σε ορισμένες χρήσεις από άλλες. Φυσικά, οι νεοσχεδιασμένες CPU προσφέρουν νέες περιπτώσεις χρήσης και ειδικότητες πέρα ​​από τις υπάρχουσες.

Η αρχιτεκτονική της CPU είναι ένα πολύπλοκο θέμα. Καθώς τόσο οι διαθέσιμες τεχνολογίες όσο και η ζήτηση για υψηλότερες επιδόσεις αυξάνονται, αυξάνεται και η ισχύς που προσφέρουν οι CPU και η ποικιλία των διαθέσιμων διαμορφώσεων. Όπως και η αγορά των GPU, η αγορά της CPU δείχνει σημάδια στροφής προς συγκεκριμένους επιταχυντές υλικού. Αυτό μπορεί να επιτρέψει μεγαλύτερη απόδοση και μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα σε συγκεκριμένες εργασίες, αλλά αυξάνει την πολυπλοκότητα.

συμπέρασμα

Ένας πυρήνας CPU είναι ένα ή περισσότερα συγκεκριμένα μέρη ενός καλουπιού CPU που εκτελούν την πραγματική επεξεργασία. Συνήθως θα εξυπηρετούνται και θα περιβάλλονται από μητρώα και κρυφές μνήμες. Η συντριπτική πλειονότητα των σύγχρονων CPU προσφέρει πολλαπλούς πυρήνες σε ένα καλούπι CPU. Οι πυρήνες της CPU μπορεί να είναι πανομοιότυποι ή βελτιστοποιημένοι για διαφορετικά στάδια της καμπύλης απόδοσης/απόδοσης.

Οι πυρήνες της CPU είναι συνήθως γενικής χρήσης, ικανοί να εκτελέσουν οποιαδήποτε επεξεργασία μπορεί να χρειαστεί η CPU. Μια μονάδα επεξεργασίας μη γενικής χρήσης σε ένα καλούπι CPU μπορεί να ονομάζεται επιταχυντής ή πυρήνας επεξεργασίας Χ. Το X αντικαθίσταται με έναν συγκεκριμένο σκοπό, όπως πυρήνες νευρικής επεξεργασίας και νευρωνικούς επιταχυντές για επεξεργασία τεχνητής νοημοσύνης.