Que son os núcleos de CPU?

Un núcleo de CPU é unha parte esencial de calquera ordenador. Os núcleos de CPU forman parte de calquera procesador de CPU. As CPU de escritorio modernas adoitan ter entre dous e 16 núcleos, cada un dos cales pode facerse cargo dunha tarefa específica á vez. O número de núcleos dispoñibles é un dos indicadores críticos do poderoso e rápido que é un PC cun rendemento máximo.

Paga a pena notar que os núcleos non son totalmente independentes entre si. Dependendo do deseño particular da CPU, os núcleos poden estar máis ou menos ligados. Poden compartir cachés, usarse entre si para transmitir mensaxes ou mesmo compartir outros tipos de procesos de comunicación. Na maioría das veces, os núcleos estarán conectados mediante autobuses. Tamén hai unha distinción entre as CPU que só teñen núcleos idénticos e as que combinan outros diferentes.

Deseño CPU

O deseño histórico de CPU multinúcleo utilizou xeralmente unha topoloxía de CPU homoxénea. É dicir, todos os núcleos son idénticos. Isto ten a vantaxe de que só require o esforzo de desenvolvemento dunha arquitectura central que se pode copiar e pegar tantas veces como sexa necesario. Tamén facilita a programación de tarefas xa que todos os núcleos poden realizar todas as tarefas á mesma velocidade e eficiencia.

Pódese atopar un enfoque máis matizado para o deseño do núcleo da CPU cunha topoloxía heteroxénea de CPU. Neste caso, unha matriz de CPU ten varios tipos de núcleos, normalmente optimizados para o rendemento ou a eficiencia energética, e ás veces un punto medio. Esta configuración é especialmente útil en dispositivos móbiles, onde numerosos núcleos eficientes proporcionan un bo rendemento cun mínimo consumo de batería. O rendemento máximo tamén se pode proporcionar cando sexa necesario mediante núcleos optimizados de rendemento máis potentes, pero a costa de aumentar o consumo de enerxía e a produción de calor.

Históricamente, as CPU comezaron cun só núcleo e só podían xestionar unha tarefa á vez. Co paso do tempo, a medida que aumentaba a demanda de hardware, iso xa non era suficiente. Desenvolvéronse e elimináronse progresivamente CPU máis novas e máis modernas que aquelas con menos núcleos. A excepción foron os portátiles: debido ás limitacións de espazo e de refrixeración, as CPU de portátiles quedaron históricamente por detrás das computadoras de escritorio no número de núcleos de CPU. Os portátiles modernos poden igualar o número de núcleos cos ordenadores de sobremesa, pero as CPU adoitan funcionar con niveis de enerxía e velocidades de reloxo máis baixas para xestionar as temperaturas.

Consello: se estás tentando construír un ordenador e elixes a túa CPU, o mínimo absoluto de núcleos aos que debes apuntar é catro.

Multithreading

A maioría dos procesadores modernos usan multi- ou hiper-threading para aumentar o número de núcleos dispoñibles. Este proceso divide un núcleo en varios núcleos virtuais. En concreto, cada núcleo físico funciona como dous fíos. Polo tanto, as CPU con catro núcleos poden funcionar con oito fíos, o que significa que funcionan como unha CPU de oito núcleos.

Nota: Algunhas CPU especializadas poden ofrecer máis de dous fíos por núcleo de CPU. Non obstante, todos estes produtos son exclusivos dos mercados de HPC ( High-Performance Computing ) e de supercomputación. Os núcleos de CPU de escritorio poden executar un ou dous fíos.

Non obstante, o multithreading non é unha duplicación absoluta da potencia da CPU. Hyperthreading non duplica o rendemento do núcleo da CPU. A investigación de Intel suxire que ofrece un aumento do rendemento ao redor do 30%, aínda que pode variar moito e, en casos raros, incluso diminuír lixeiramente o rendemento. Algunhas aplicacións e programas funcionan con el mellor que outros. Os videoxogos, por exemplo, non sempre se benefician de máis núcleos, a miúdo son máis sensibles á velocidade do reloxo. Outro software, especialmente a edición de vídeo e animación, vai máis lonxe con núcleos e fíos adicionais.

Por suposto, é imposible inventar núcleos adicionais, polo que os fíos simulados teñen que compartir os recursos físicos dispoñibles do seu núcleo subxacente. Iso pode significar que os fíos teñan un menor rendemento individualmente, pero tamén pode significar que os recursos se distribúan de forma máis eficaz. Poden ser usados ​​por calquera fío que máis os necesite.

O futuro do hardware

A tendencia no desenvolvemento do núcleo de CPU definitivamente vai cara a implementar máis e máis núcleos nas CPU. Teoricamente, sería posible construír CPUs con centos ou incluso miles de núcleos. Esa aínda non é unha realidade comercial, xa que as CPU AMD Threadripper e EPYC teñen ata 64 núcleos. Por agora, con todo, un enfoque máis realista é optimizar o rendemento por vatio. Noutras palabras: para reducir o consumo de enerxía das CPU. Isto beneficia principalmente aos portátiles e outros dispositivos que funcionan con batería.

Xestionar o consumo de enerxía é fundamental para aumentar significativamente o rendemento. A lei de Moore en xeral duplicou o rendemento da CPU aproximadamente cada dous anos durante décadas. Isto, con todo, baseouse principalmente na redución do nodo, é dicir, no pequenos que poderían ser os elementos máis pequenos da CPU.

Os nodos de CPU modernos son tan pequenos que están moi preto dos límites físicos de reducións de tamaño. O aumento do rendemento significou, polo tanto, un maior consumo de enerxía e unha maior produción de calor. Nun futuro próximo, as CPU de supercomputadoras poden producir tanta calor nun espazo tan pequeno que é imposible arrefrialas con aire, requirindo arrefriamento líquido.

Por suposto, tamén se están desenvolvendo novos tipos de CPU. As dúas marcas máis importantes aquí, Intel e AMD, cada unha presenta diferentes tipos de deseños de CPU. Isto chega tan lonxe que as súas respectivas CPU son máis adecuadas para algúns usos que para outros. Por suposto, as CPU de novo deseño ofrecen novos casos de uso e especialidades ademais dos existentes.

A arquitectura da CPU é un tema complexo. A medida que crece tanto as tecnoloxías dispoñibles como a demanda de maior rendemento, tamén o fai a potencia que ofrecen as CPU e a variedade de configuracións dispoñibles. Do mesmo xeito que o mercado das GPU, o mercado das CPU mostra sinais de cambio cara a aceleradores de hardware específicos. Isto pode permitir un maior rendemento e unha maior eficiencia en tarefas concretas, pero aumenta a complexidade.

Conclusión

Un núcleo de CPU é unha ou máis partes específicas dunha matriz de CPU que realizan o procesamento real. Estes normalmente serán servidos e rodeados de rexistros e cachés. A gran maioría das CPU modernas ofrecen varios núcleos nunha placa de CPU. Os núcleos da CPU poden ser idénticos ou optimizados para diferentes etapas da curva de rendemento/eficiencia.

Os núcleos da CPU adoitan ser de propósito xeral, capaces de realizar calquera procesamento que necesite a CPU. Unha unidade de procesamento non de propósito xeral nunha matriz de CPU pódese denominar acelerador ou núcleo de procesamento X. X substitúese por un propósito específico, como núcleos de procesamento neuronal e aceleradores neuronais para o procesamento da IA.