Mitä ovat CPU-ytimet?

CPU-ydin on olennainen osa jokaista tietokonetta. CPU-ytimet ovat osa mitä tahansa prosessoria. Nykyaikaisissa työpöytäsuorittimissa on yleensä kahdesta 16 ytimeen, joista jokainen voi hoitaa yhden tietyn tehtävän kerrallaan. Käytettävissä olevien ytimien määrä on yksi kriittisistä indikaattoreista siitä, kuinka tehokas ja nopea PC on huippusuorituskyvyllään.

On syytä huomata, että ytimet eivät ole täysin riippumattomia toisistaan. Tietystä suorittimen suunnittelusta riippuen ytimet voivat olla enemmän tai vähemmän tiiviisti yhteydessä toisiinsa. He voivat jakaa välimuistia, käyttää toisiaan viestien välittämiseen tai jopa jakaa muun tyyppisiä viestintäprosesseja. Useimmiten ytimet yhdistetään väylillä. On myös ero CPU:iden välillä, joissa on vain identtiset ytimet, ja niiden välillä, jotka yhdistävät erilaisia ​​​​ytimiä.

CPU suunnittelu

Historiallisessa moniytimisessä CPU-suunnittelussa on yleensä käytetty homogeenista CPU-topologiaa. Eli kaikki ytimet ovat identtisiä. Tämän etuna on, että se vaatii vain yhden ydinarkkitehtuurin kehittämistyötä, jota voidaan kopioida ja liittää niin usein kuin tarvitaan. Se myös helpottaa tehtävien ajoittamista, koska kaikki ytimet voivat suorittaa kaikki tehtävät samalla nopeudella ja tehokkuudella.

Heterogeenisen CPU-topologian avulla voidaan löytää vivahteikasmpi lähestymistapa CPU-ydinsuunnitteluun. Tässä tapauksessa yhdessä CPU-suulakkeessa on useita tyyppejä ydintä, jotka on tyypillisesti optimoitu suorituskyvyn tai tehon tehokkuuden kannalta, ja joskus keskitie. Tämä asetus on erityisen hyödyllinen mobiililaitteissa, joissa lukuisat tehokkaat ytimet tarjoavat hyvän suorituskyvyn minimaalisella akunkulutuksella. Huippusuorituskyky voidaan tarjota tarvittaessa myös tehokkaammilla suorituskykyoptimoiduilla ytimillä, mutta lisääntyneen virrankulutuksen ja lämmöntuotannon kustannuksella.

Historiallisesti suorittimet aloittivat vain yhden ytimen ja pystyivät käsittelemään vain yhden tehtävän kerrallaan. Ajan myötä, kun laitteistojen kysyntä kasvoi, se ei enää riittänyt. Uudempia, nykyaikaisempia suorittimia kehitettiin ja poistettiin käytöstä kuin ne, joissa on vähemmän ytimiä. Poikkeuksena olivat kannettavat tietokoneet – tila- ja jäähdytysrajoitusten vuoksi kannettavien prosessorit ovat historiallisesti jääneet jälkeen pöytätietokoneista CPU-ydinmäärässä. Nykyaikaiset kannettavat tietokoneet pystyvät vastaamaan ydinmääriä pöytätietokoneiden kanssa, mutta prosessorit toimivat usein pienemmällä teholla ja kellotaajuudella lämpötilojen hallitsemiseksi.

Vinkki: Jos yrität rakentaa tietokonetta ja valita suorittimen, ytimien ehdoton vähimmäismäärä on neljä.

Monisäikeinen

Useimmat nykyaikaiset prosessorit käyttävät moni- tai hypersäikeistystä lisätäkseen käytettävissä olevien ytimien määrää. Tämä prosessi jakaa yhden ytimen useisiin virtuaalisiin ytimiin. Tarkemmin sanottuna jokainen fyysinen ydin toimii kahtena säietenä. Siksi neljän ytimen prosessorit voivat toimia kahdeksalla säikeellä, mikä tarkoittaa, että ne toimivat kuin kahdeksanytiminen CPU.

Huomautus: Jotkut erikoisprosessorit voivat tarjota enemmän kuin kaksi säiettä prosessorin ydintä kohden. Kaikki tällaiset tuotteet ovat kuitenkin yksinomaan HPC- ( High-Performance Computing ) ja supertietokonemarkkinoille. Pöytäkoneen CPU-ytimet voivat ajaa joko yhtä tai kahta säiettä.

Monisäikeisyys ei kuitenkaan ole suorittimen tehon absoluuttista päällekkäisyyttä. Hyperthreading ei kaksinkertaista suorittimen ytimen suorituskykyä. Intelin tutkimusten mukaan se tarjoaa noin 30 %:n suorituskyvyn lisäyksen, vaikka tämä voi vaihdella voimakkaasti ja harvoissa tapauksissa jopa hieman heikentää suorituskykyä. Jotkut sovellukset ja ohjelmat toimivat sen kanssa paremmin kuin toiset. Esimerkiksi videopelit eivät aina hyödy useammista ytimistä, koska ne ovat usein herkempiä kellotaajuudelle. Muut ohjelmistot, erityisesti videoeditointi ja animaatio, kulkevat pidemmälle ylimääräisten ytimien ja säikeiden kanssa.

Tietenkin on mahdotonta keksiä lisäytimiä – joten simuloitujen säikeiden on jaettava taustalla olevan ytimensä käytettävissä olevat fyysiset resurssit. Tämä voi tarkoittaa, että säikeillä on heikompi suorituskyky yksittäin, mutta se voi myös tarkoittaa, että resurssit jakautuvat tehokkaammin. Niitä voi käyttää mikä lanka niitä enemmän tarvitsee.

Laitteiston tulevaisuus

CPU-ydinkehityksen trendi suuntautuu ehdottomasti siihen, että prosessoreihin asennetaan yhä enemmän ytimiä. Teoriassa olisi mahdollista rakentaa prosessoreita, joissa on satoja tai jopa tuhansia ytimiä. Se ei ole vielä kaupallista todellisuutta, sillä AMD:n Threadripper- ja EPYC-suorittimissa on jopa 64 ydintä. Toistaiseksi realistisempi painopiste on tehon optimointi wattia kohden. Toisin sanoen – prosessorien virrankulutuksen alentamiseksi. Tämä hyödyttää ensisijaisesti kannettavia tietokoneita ja muita akkukäyttöisiä laitteita.

Virrankulutuksen hallinta on ratkaisevan tärkeää suorituskyvyn merkittävän lisäyksen kannalta. Mooren laki on yleensä kaksinkertaistanut suorittimen suorituskyvyn noin kahden vuoden välein vuosikymmenien ajan. Tämä kuitenkin perustui ensisijaisesti solmun kutistumiseen eli siihen, kuinka pieniä CPU:n pienimmät elementit voisivat olla.

Nykyaikaiset CPU-solmut ovat niin pieniä, että ne ovat hyvin lähellä koon pienentämisen fyysisiä rajoja. Suorituskyvyn parantaminen on siten merkinnyt suurempaa tehonkulutusta ja suurempaa lämpötehoa. Lähitulevaisuudessa supertietokoneiden prosessorit voivat tuottaa niin paljon lämpöä niin pienessä tilassa, että niitä on mahdotonta jäähdyttää ilmalla, mikä vaatii nestejäähdytystä.

Luonnollisesti myös uudentyyppisiä suorittimia kehitetään jatkuvasti. Kaksi suurinta tuotemerkkiä täällä, Intel ja AMD, kumpikin ylpeilevät erityyppisillä suorittimilla. Tämä menee niin pitkälle, että niiden prosessorit sopivat paremmin joihinkin käyttötarkoituksiin kuin toisiin. Tietenkin äskettäin suunnitellut CPU:t tarjoavat uusia käyttötapauksia ja erikoisuuksia olemassa olevien päälle.

CPU-arkkitehtuuri on monimutkainen aihe. Sekä saatavilla olevien teknologioiden että suuremman suorituskyvyn kysynnän kasvaessa prosessorien tarjoama teho ja saatavilla olevien kokoonpanojen valikoima kasvavat. Kuten GPU-markkinoilla, CPU-markkinoilla on merkkejä siirtymisestä kohti tiettyjä laitteistokiihdyttimiä. Tämä voi lisätä suorituskykyä ja tehokkuutta tietyissä tehtävissä, mutta lisää monimutkaisuutta.

Johtopäätös

CPU-ydin on yksi tai useampi CPU-suulakkeen tietty osa, joka suorittaa varsinaisen käsittelyn. Näitä tyypillisesti palvellaan ja niitä ympäröivät rekisterit ja välimuistit. Suurin osa nykyaikaisista prosessoreista tarjoaa useita ytimiä yhdessä prosessorissa. Prosessoriytimet voivat olla identtisiä tai optimoituja suorituskyky/tehokkuuskäyrän eri vaiheita varten.

CPU-ytimet ovat tyypillisesti yleiskäyttöisiä, ja ne pystyvät suorittamaan minkä tahansa prosessoinnin, jota CPU saattaa tarvita. Ei-yleiskäyttöistä prosessointiyksikköä CPU-suuttimella voidaan kutsua kiihdytinksi tai X-prosessointiytimeksi. X korvataan tietyllä tarkoituksella, kuten hermoprosessointiytimillä ja hermokiihdyttimillä tekoälyn käsittelyyn.