Mis on protsessori tuumad?

Protsessori tuum on iga arvuti oluline osa. Protsessori tuumad on mis tahes CPU protsessori osa. Kaasaegsetel lauaarvutite protsessoritel on tavaliselt kaks kuni 16 tuuma, millest igaüks saab korraga hoolt kanda ühe konkreetse ülesande eest. Saadaolevate tuumade arv on üks kriitilisi näitajaid selle kohta, kui võimas ja kiire arvuti tippjõudlusega on.

Väärib märkimist, et tuumad ei ole üksteisest täiesti sõltumatud. Sõltuvalt konkreetsest CPU konstruktsioonist võivad tuumad olla enam-vähem tihedalt seotud. Nad saavad jagada vahemälu, kasutada üksteist sõnumite edastamiseks või isegi jagada muud tüüpi suhtlusprotsesse. Enamasti ühendatakse südamikud busside kaudu. Samuti eristatakse protsessoreid, millel on ainult identsed tuumad, ja neid, millel on erinevad tuumad.

CPU disain

Ajaloolises mitmetuumalise protsessori disainis on üldiselt kasutatud homogeenset CPU topoloogiat. See tähendab, et kõik tuumad on identsed. Selle eeliseks on ainult ühe põhiarhitektuuri arendustöö, mida saab kopeerida ja kleepida nii sageli kui vaja. Samuti muudab see ülesannete ajastamise lihtsamaks, kuna kõik tuumad suudavad kõiki ülesandeid täita sama kiiruse ja tõhususega.

Nüansirikkama lähenemisviisi CPU tuuma disainile võib leida heterogeense CPU topoloogiaga. Sel juhul on ühel CPU stantsil mitut tüüpi südamikku, mis on tavaliselt optimeeritud jõudluse või energiatõhususe jaoks ja mõnikord ka kesktee. See seadistus on eriti kasulik mobiilseadmetes, kus arvukad tõhusad tuumad tagavad hea jõudluse minimaalse aku tühjenemisega. Maksimaalse jõudluse saab vajaduse korral tagada ka võimsamate jõudlusega optimeeritud südamike abil, kuid suurema energiatarbimise ja soojuse tootmise hinnaga.

Ajalooliselt alustasid protsessorid ainult ühe tuumaga ja said korraga hakkama ainult ühe ülesandega. Aja jooksul, kui nõudlus riistvara järele kasvas, ei piisanud sellest enam. Töötati välja uuemad ja moodsamad protsessorid ning need eemaldati järk-järgult kui need, millel on vähem südamikke. Erandiks olid sülearvutid – ruumi- ja jahutuspiirangute tõttu on sülearvutite protsessorid ajalooliselt CPU tuumade arvu poolest lauaarvutitest maha jäänud. Kaasaegsed sülearvutid suudavad tuumade arvu võrrelda lauaarvutitega, kuid protsessorid töötavad temperatuuride haldamiseks sageli madalama võimsustaseme ja taktsagedusega.

Näpunäide. Kui proovite luua arvutit ja valida oma CPU-d, on tuumade absoluutne miinimum neli.

Mitmelõimeline

Enamik kaasaegseid protsessoreid kasutab saadaolevate tuumade arvu suurendamiseks multi- või hüperlõime. See protsess jagab ühe tuuma mitmeks virtuaalseks tuumaks. Täpsemalt, iga füüsiline tuum töötab kahe lõimena. Seetõttu saavad nelja tuumaga protsessorid töötada kaheksa keermega, mis tähendab, et nad toimivad nagu kaheksatuumaline protsessor.

Märkus. Mõned spetsialiseeritud protsessorid võivad pakkuda rohkem kui kahte lõime CPU tuuma kohta. Kuid kõik sellised tooted on ainult HPC ( High-Performance Computing ) ja superarvutite turul. Lauaarvuti protsessori tuumad võivad töötada kas ühe või kahe lõimega.

Mitme lõimega töötlemine ei ole siiski protsessori võimsuse absoluutne dubleerimine. Hüperkeermestamine ei kahekordista protsessori tuuma jõudlust. Inteli uuringud näitavad, et see suurendab jõudlust umbes 30%, kuigi see võib oluliselt erineda ja harvadel juhtudel jõudlust isegi veidi vähendada. Mõned rakendused ja programmid töötavad sellega paremini kui teised. Näiteks videomängudele ei ole alati rohkem südamikku kasu, kuna need on sageli taktsageduse suhtes tundlikumad. Muu tarkvara, eriti videotöötlus ja animatsioon, töötab täiendavate tuumade ja lõimedega kaugemale.

Täiendavaid südamikke on muidugi võimatu leiutada – seega peavad simuleeritud lõimed jagama nende aluseks oleva tuuma olemasolevaid füüsilisi ressursse. See võib tähendada, et lõimedel on eraldiseisvalt madalam jõudlus, kuid see võib tähendada ka ressursside tõhusamat jaotamist. Neid saab kasutada see, kumb niit neid rohkem vajab.

Riistvara tulevik

Protsessori tuumade arendamise suundumus on kindlasti suunatud üha enamate tuumade kasutuselevõtule protsessorites. Teoreetiliselt oleks võimalik ehitada sadade või isegi tuhandete tuumadega protsessoreid. See pole veel kaubanduslik reaalsus, kuna AMD-de Threadripper ja EPYC protsessoritel on kuni 64 tuuma. Praegu on realistlikum fookus aga jõudluse optimeerimisel vati kohta. Teisisõnu – protsessorite energiatarbimise vähendamiseks. See on eelkõige kasulik sülearvutitele ja muudele akutoitel seadmetele.

Energiatarbimise juhtimine on jõudluse edasiseks oluliseks suurendamiseks kriitilise tähtsusega. Moore'i seadus on üldiselt kahekordistanud protsessori jõudlust ligikaudu iga kahe aasta järel aastakümnete jooksul. See aga põhines eelkõige sõlme kahanemisel ehk sellel, kui väikesed võiksid olla CPU väikseimad elemendid.

Kaasaegsed CPU-sõlmed on nii väikesed, et on väga lähedal suuruse vähendamise füüsilistele piirangutele. Suurem jõudlus on seega tähendanud suuremat energiatarbimist ja suuremat soojusvõimsust. Lähitulevikus võivad superarvuti CPU-d toota nii väikeses ruumis nii palju soojust, et neid on võimatu õhuga jahutada, mis nõuab vedelikjahutust.

Loomulikult arendatakse pidevalt ka uut tüüpi protsessoreid. Kahel suurimal kaubamärgil Intel ja AMD on erinevat tüüpi protsessori kujundused. See läheb nii kaugele, et nende vastavad CPU-d sobivad mõneks kasutuseks paremini kui teised. Muidugi pakuvad äsja disainitud CPU-d lisaks olemasolevatele uusi kasutusjuhtumeid ja -alasid.

CPU arhitektuur on keeruline teema. Kuna nii saadaolevad tehnoloogiad kui ka nõudlus suurema jõudluse järele kasvavad, kasvab ka protsessorite pakutav võimsus ja saadaolevate konfiguratsioonide mitmekesisus. Sarnaselt GPU-turule on protsessoriturul märke üleminekust konkreetsete riistvarakiirendite poole. See võib teatud ülesannete täitmisel suurendada jõudlust ja tõhusust, kuid suurendab keerukust.

Järeldus

Protsessori tuum on protsessori stantsi üks või mitu konkreetset osa, mis teostavad tegelikku töötlemist. Tavaliselt teenindatakse neid ja need on ümbritsetud registrite ja vahemäludega. Valdav enamus kaasaegseid protsessoreid pakuvad mitut tuuma ühel CPU-vormingus. Protsessori tuumad võivad olla identsed või optimeeritud jõudluse/tõhususe kõvera erinevateks etappideks.

Protsessori tuumad on tavaliselt üldotstarbelised ja suudavad täita mis tahes töötlemist, mida protsessor võib vajada. CPU stantsil olevat mitteüldotstarbelist töötlemisüksust võib nimetada kiirendiks või X-töötlussüdamikuks. X asendatakse kindla eesmärgiga, näiteks AI töötlemiseks mõeldud närvitöötlussüdamike ja närvikiirenditega.