Što su CPU jezgre?

CPU jezgra bitan je dio svakog računala. CPU jezgre su dio svakog CPU procesora. Moderni stolni procesori obično imaju između dvije i 16 jezgri, od kojih svaka može obavljati jedan po jedan zadatak. Broj dostupnih jezgri jedan je od kritičnih pokazatelja koliko je moćno i brzo računalo na vrhuncu performansi.

Vrijedno je napomenuti da jezgre nisu potpuno neovisne jedna o drugoj. Ovisno o određenom CPU dizajnu, jezgre mogu biti više ili manje blisko povezane. Mogu dijeliti predmemorije, koristiti se međusobno za prosljeđivanje poruka ili čak dijeliti druge vrste komunikacijskih procesa. Češće nego ne, jezgre će biti povezane preko sabirnica. Također postoji razlika između procesora koji imaju samo identične jezgre i onih koji kombiniraju različite.

CPU dizajn

Povijesni višejezgreni CPU dizajn općenito je koristio homogenu CPU topologiju. Odnosno, sve su jezgre identične. Ovo ima prednost jer zahtijeva razvoj samo jedne jezgrene arhitekture koja se može kopirati i lijepiti onoliko često koliko je potrebno. Također olakšava raspoređivanje zadataka jer sve jezgre mogu obavljati sve zadatke istom brzinom i učinkovitošću.

Nijansiraniji pristup dizajnu CPU jezgre može se pronaći s heterogenom CPU topologijom. U ovom slučaju, jedna CPU matrica ima više vrsta jezgri, obično optimiziranih za performanse ili energetsku učinkovitost, a ponekad i sredinu. Ova postavka je posebno korisna u mobilnim uređajima, gdje brojne učinkovite jezgre pružaju dobre performanse uz minimalno trošenje baterije. Vrhunska izvedba također se može osigurati kada je to potrebno snažnijim jezgrama optimiziranim za izvedbu, ali po cijenu povećane potrošnje energije i proizvodnje topline.

Povijesno gledano, procesori su započeli sa samo jednom jezgrom i mogli su obavljati samo jedan zadatak odjednom. S vremenom, kako je potražnja za hardverom rasla, to više nije bilo dovoljno. Noviji, moderniji CPU-i su razvijeni i postupno ukinuti od onih s manje jezgri. Iznimka su bila prijenosna računala – zbog ograničenja prostora i hlađenja, procesori prijenosnih računala povijesno su zaostajali za stolnim računalima u broju jezgri procesora. Moderna prijenosna računala mogu usporediti broj jezgri sa stolnim računalima, ali procesori često rade na nižim razinama snage i brzinama takta radi upravljanja temperaturama.

Savjet: Ako pokušavate izgraditi računalo i odabrati svoj CPU, apsolutni minimum jezgri kojem biste trebali težiti su četiri.

Višenitnost

Većina modernih procesora koristi multi- ili hiper-threading za povećanje broja dostupnih jezgri. Ovaj proces dijeli jednu jezgru u nekoliko virtualnih jezgri. Točnije, svaka fizička jezgra radi kao dvije niti. Stoga CPU s četiri jezgre mogu raditi s osam niti, što znači da funkcioniraju kao CPU s osam jezgri.

Napomena: neki specijalizirani procesori mogu ponuditi više od dvije niti po jezgri procesora. Međutim, svi takvi proizvodi ekskluzivni su za HPC ( High-Performance Computing ) i tržišta superračunala. CPU jezgre stolnih računala mogu izvoditi jednu ili dvije niti.

Višenitnost ipak nije apsolutno dupliciranje CPU snage. Hyperthreading ne udvostručuje performanse CPU jezgre. Intelovo istraživanje sugerira da nudi poboljšanje performansi od oko 30%, iako to može jako varirati i, u rijetkim slučajevima, čak i malo smanjiti performanse. Neke aplikacije i programi rade s njim bolje od drugih. Video igre, na primjer, nemaju uvijek koristi od više jezgri, često su osjetljivije na brzinu takta. Drugi softver, posebice video uređivanje i animacija, radi dalje s dodatnim jezgrama i nitima.

Naravno, nemoguće je izmisliti dodatne jezgre – tako da simulirane niti moraju dijeliti dostupne fizičke resurse svoje osnovne jezgre. To može značiti da niti pojedinačno imaju nižu izvedbu, ali također može značiti da su resursi učinkovitije raspoređeni. Može ih koristiti koja god nit više treba.

Budućnost hardvera

Trend u razvoju CPU jezgri definitivno ide prema implementaciji sve više i više jezgri u CPU. Teoretski, bilo bi moguće izgraditi CPU sa stotinama ili čak tisućama jezgri. To još nije komercijalna stvarnost, jer AMD-ovi Threadripper i EPYC procesori imaju do 64 jezgre. No, za sada je realističniji fokus optimizacija performansi po vatu. Drugim riječima – smanjiti potrošnju energije CPU-a. To prvenstveno pogoduje prijenosnim računalima i drugim uređajima na baterije.

Upravljanje potrošnjom energije ključno je za daljnja značajna povećanja performansi. Mooreov zakon je općenito udvostručio performanse CPU-a otprilike svake dvije godine desetljećima. To se, međutim, prvenstveno temeljilo na smanjenju čvora, tj. koliko mali mogu biti najmanji elementi u CPU-u.

Moderni CPU čvorovi toliko su mali da su vrlo blizu fizičkih ograničenja smanjenja veličine. Povećanje performansi stoga znači veću potrošnju energije i veću toplinsku snagu. U bliskoj budućnosti, procesori superračunala mogli bi proizvesti toliko topline u tako malom prostoru da ih je nemoguće hladiti zrakom, zahtijevajući hlađenje tekućinom.

Naravno, uvijek se razvijaju i novi tipovi CPU-a. Dva najveća brenda ovdje, Intel i AMD, svaki se može pohvaliti različitim tipovima CPU dizajna. To ide toliko daleko da su njihovi CPU-i prikladniji za neke namjene od drugih. Naravno, novodizajnirani CPU-i nude nove slučajeve uporabe i specijalitete povrh postojećih.

CPU arhitektura je složena tema. Kako dostupne tehnologije i potražnja za višim performansama rastu, tako raste i snaga koju nude CPU-i i raznolikost dostupnih konfiguracija. Poput tržišta GPU-a, tržište CPU-a pokazuje znakove pomaka prema određenim hardverskim akceleratorima. To može omogućiti više performansi i veću učinkovitost u određenim zadacima, ali povećava složenost.

Zaključak

CPU jezgra je jedan ili više specifičnih dijelova CPU-a koji obavljaju stvarnu obradu. Oni će obično biti posluženi i okruženi registrima i predmemorijama. Velika većina modernih CPU-a nudi više jezgri na jednom CPU-u. CPU jezgre mogu biti identične ili optimizirane za različite faze na krivulji performansi/učinkovitosti.

CPU jezgre obično su opće namjene, sposobne izvršiti bilo koju obradu koja CPU-u može biti potrebna. Procesorska jedinica neopće namjene na CPU matrici može se nazvati akcelerator ili X procesorska jezgra. X je zamijenjen specifičnom svrhom, kao što su jezgre neuronske obrade i neuralni akceleratori za AI obradu.