Hva er CPU-kjerner?

En CPU-kjerne er en viktig del av enhver datamaskin. CPU-kjerner er en del av enhver CPU-prosessor. Moderne stasjonære CPUer har vanligvis mellom to og 16 kjerner, som hver kan ta seg av en spesifikk oppgave om gangen. Antall tilgjengelige kjerner er en av de kritiske indikatorene på hvor kraftig og rask en PC har topp ytelse.

Det er verdt å merke seg at kjerner ikke er helt uavhengige av hverandre. Avhengig av den spesielle CPU-designen, kan kjerner være mer eller mindre tett knyttet sammen. De kan dele cacher, bruke hverandre til å sende meldinger eller til og med dele andre typer kommunikasjonsprosesser. Oftere enn ikke vil kjerner kobles sammen via busser. Det er også et skille mellom CPUer som bare har identiske kjerner og de som kombinerer forskjellige.

CPU-design

Historisk multicore CPU-design har generelt brukt en homogen CPU-topologi. Det vil si at alle kjerner er identiske. Dette har fordelen av å bare kreve utviklingsinnsats av én kjernearkitektur som kan kopieres og limes inn så ofte som nødvendig. Det gjør også oppgaveplanlegging enklere ettersom alle kjerner kan utføre alle oppgaver med samme hastighet og effektivitet.

En mer nyansert tilnærming til CPU-kjernedesign kan bli funnet med heterogen CPU-topologi. I dette tilfellet har én CPU-dyse flere typer kjerne, vanligvis optimalisert for ytelse eller strømeffektivitet, og noen ganger en mellomting. Dette oppsettet er spesielt nyttig på mobile enheter, der mange effektive kjerner gir god ytelse med minimalt batteriforbruk. Maksimal ytelse kan også gis ved behov av kraftigere ytelsesoptimerte kjerner, men på bekostning av økt strømforbruk og varmeproduksjon.

Historisk sett startet CPUer med bare én kjerne og kunne bare håndtere én oppgave om gangen. Over tid, ettersom etterspørselen etter maskinvare økte, var det ikke lenger nok. Nyere, mer moderne CPUer ble utviklet og faset ut enn de med færre kjerner. Unntaket var bærbare datamaskiner - på grunn av plass- og kjølebegrensninger har bærbare CPUer historisk sett ligget bak stasjonære datamaskiner i CPU-kjerneteller. Moderne bærbare datamaskiner kan matche kjernetall med stasjonære datamaskiner, men CPU-ene kjører ofte med lavere strømnivåer og klokkehastigheter for å håndtere temperaturer.

Tips: Hvis du prøver å bygge en datamaskin og velge CPU, er det absolutte minimum av kjerner du bør sikte på fire.

Multithreading

De fleste moderne prosessorer bruker multi- eller hyper-threading for å øke antall tilgjengelige kjerner. Denne prosessen deler en kjerne i flere virtuelle kjerner. Nærmere bestemt fungerer hver fysisk kjerne som to tråder. Derfor kan CPUer med fire kjerner fungere med åtte tråder, noe som betyr at de fungerer som en åttekjernes CPU.

Merk: Noen spesialiserte CPUer kan tilby mer enn to tråder per CPU-kjerne. Imidlertid er alle slike produkter eksklusive for HPC ( High-Performance Computing ) og superdatabehandling-markedene. Desktop CPU-kjerner kan enten kjøre en eller to tråder.

Multithreading er imidlertid ikke en absolutt duplisering av CPU-kraft. Hyperthreading dobler ikke ytelsen til CPU-kjernen. Intels forskning antyder at den tilbyr en ytelsesøkning på rundt 30 %, selv om dette kan variere sterkt og i sjeldne tilfeller til og med redusere ytelsen litt. Noen apper og programmer fungerer bedre med det enn andre. Videospill, for eksempel, har ikke alltid nytte av flere kjerner, og er ofte mer følsomme for klokkehastighet. Annen programvare, spesielt videoredigering og animasjon, kjører lenger med ekstra kjerner og tråder.

Selvfølgelig er det umulig å finne opp flere kjerner – så de simulerte trådene må dele de tilgjengelige fysiske ressursene til deres underliggende kjerne. Det kan bety at trådene har lavere ytelse hver for seg, men det kan også bety at ressursene fordeles mer effektivt. De kan brukes av den tråden som trenger dem mer.

Maskinvarens fremtid

Trenden innen CPU-kjerneutvikling går definitivt mot å implementere flere og flere kjerner i CPUer. Teoretisk sett ville det være mulig å bygge CPUer med hundrevis eller til og med tusenvis av kjerner. Det er ennå ikke en kommersiell realitet, med AMDs Threadripper og EPYC CPUer som har opptil 64 kjerner. For nå er imidlertid et mer realistisk fokus å optimalisere ytelsen per watt. Med andre ord – for å redusere strømforbruket til CPUer. Dette kommer først og fremst til fordel for bærbare datamaskiner og andre batteridrevne enheter.

Håndtering av strømforbruk er avgjørende for ytterligere betydelig ytelsesøkning. Moores lov har generelt doblet CPU-ytelsen omtrent hvert annet år i flere tiår. Dette var imidlertid først og fremst basert på krympingen av noden, dvs. hvor små de minste elementene i CPUen kunne være.

Moderne CPU-noder er så små at de er veldig nær fysiske grenser for størrelsesreduksjoner. Økt ytelse har derfor betydd høyere strømforbruk og høyere varmeeffekt. I nær fremtid kan superdatamaskin-CPUer produsere så mye varme på så liten plass at det er umulig å avkjøle dem med luft, noe som krever væskekjøling.

Naturligvis er det også alltid nye typer CPUer som utvikles. De to største merkene her, Intel og AMD, kan skilte med forskjellige typer CPU-design. Dette går så langt at deres respektive CPUer er bedre egnet til noen bruksområder enn andre. Selvfølgelig tilbyr nydesignede CPUer nye bruksområder og spesialiteter i tillegg til eksisterende.

CPU-arkitektur er et komplekst tema. Ettersom både tilgjengelige teknologier og etterspørselen etter høyere ytelse vokser, øker også kraften som CPU-er tilbyr og mangfoldet av tilgjengelige konfigurasjoner. I likhet med GPU-markedet viser CPU-markedet tegn til å skifte mot spesifikke maskinvareakseleratorer. Dette kan gi mer ytelse og større effektivitet ved bestemte oppgaver, men øker kompleksiteten.

Konklusjon

En CPU-kjerne er en eller flere spesifikke deler av en CPU-dyse som utfører selve behandlingen. Disse vil typisk bli servert og omgitt av registre og cacher. De aller fleste moderne CPU-er tilbyr flere kjerner på én CPU-dyse. CPU-kjerner kan være identiske eller optimert for ulike stadier på ytelses-/effektivitetskurven.

CPU-kjerner er vanligvis generelle, i stand til å utføre all prosessering CPUen måtte trenge. En ikke-generell prosesseringsenhet på en CPU-dyse kan kalles en akselerator eller en X-behandlingskjerne. X er erstattet med et spesifikt formål, for eksempel nevrale prosesseringskjerner og nevrale akseleratorer for AI-behandling.