Čo sú jadrá CPU?

Jadro CPU je nevyhnutnou súčasťou každého počítača. Jadrá CPU sú súčasťou každého procesora CPU. Moderné desktopové CPU majú zvyčajne od dvoch do 16 jadier, z ktorých každé sa môže postarať o jednu konkrétnu úlohu naraz. Počet dostupných jadier je jedným z kritických ukazovateľov výkonu a rýchlosti počítača pri špičkovom výkone.

Stojí za zmienku, že jadrá nie sú na sebe úplne nezávislé. V závislosti od konkrétneho dizajnu CPU môžu byť jadrá viac alebo menej úzko prepojené. Môžu zdieľať vyrovnávacie pamäte, používať sa navzájom na odovzdávanie správ alebo dokonca zdieľať iné typy komunikačných procesov. Častejšie budú jadrá spájané cez zbernice. Existuje tiež rozdiel medzi CPU, ktoré majú iba identické jadrá a tými, ktoré kombinujú rôzne.

Dizajn CPU

Historický viacjadrový dizajn CPU vo všeobecnosti používal homogénnu topológiu CPU. To znamená, že všetky jadrá sú rovnaké. To má tú výhodu, že vyžaduje iba vývojové úsilie jednej základnej architektúry, ktorú možno kopírovať a prilepovať tak často, ako je potrebné. Uľahčuje tiež plánovanie úloh, pretože všetky jadrá môžu vykonávať všetky úlohy rovnakou rýchlosťou a efektívnosťou.

Jemnejší prístup k návrhu jadra CPU možno nájsť s heterogénnou topológiou CPU. V tomto prípade má jedna procesorová matrica viacero typov jadier, zvyčajne optimalizovaných pre výkon alebo energetickú účinnosť a niekedy aj strednú cestu. Toto nastavenie je užitočné najmä v mobilných zariadeniach, kde početné efektívne jadrá poskytujú dobrý výkon s minimálnym vybíjaním batérie. Špičkový výkon možno v prípade potreby zabezpečiť aj výkonnejšími jadrami s optimalizovaným výkonom, ale za cenu zvýšenej spotreby energie a produkcie tepla.

Historicky procesory začínali iba s jedným jadrom a mohli naraz zvládnuť iba jednu úlohu. Postupom času, ako sa zvýšil dopyt po hardvéri, to už nestačilo. Boli vyvinuté a postupne vyradené novšie, modernejšie CPU ako tie s menším počtom jadier. Výnimkou boli notebooky – kvôli priestorovým a chladiacim obmedzeniam procesory notebookov historicky zaostávali za stolnými počítačmi v počte jadier CPU. Moderné prenosné počítače môžu zodpovedať počtu jadier stolným počítačom, ale procesory často bežia na nižších úrovniach výkonu a taktovacích rýchlostiach, aby zvládli teploty.

Tip: Ak sa pokúšate postaviť počítač a vybrať si svoj procesor, absolútne minimum jadier, na ktoré by ste sa mali zamerať, sú štyri.

Multithreading

Väčšina moderných procesorov používa multi- alebo hyper-threading na zvýšenie počtu dostupných jadier. Tento proces rozdeľuje jedno jadro na niekoľko virtuálnych jadier. Konkrétne každé fyzické jadro funguje ako dve vlákna. Preto procesory so štyrmi jadrami môžu pracovať s ôsmimi vláknami, čo znamená, že fungujú ako osemjadrový procesor.

Poznámka: Niektoré špecializované procesory môžu ponúkať viac ako dve vlákna na jadro procesora. Všetky takéto produkty sú však exkluzívne pre trhy HPC ( High-Performance Computing ) a superpočítače. Stolové procesorové jadrá môžu prevádzkovať jedno alebo dve vlákna.

Multithreading však nie je absolútnou duplikáciou výkonu CPU. Hyperthreading nezdvojnásobuje výkon jadra CPU. Výskum spoločnosti Intel naznačuje, že ponúka zvýšenie výkonu o približne 30 %, hoci sa to môže výrazne líšiť a v zriedkavých prípadoch môže výkon dokonca mierne znížiť. Niektoré aplikácie a programy s ním fungujú lepšie ako iné. Napríklad videohry nie vždy profitujú z väčšieho počtu jadier, často sú citlivejšie na takt. Iný softvér, najmä strih videa a animácie, beží ďalej s extra jadrami a vláknami.

Samozrejme, nie je možné vymyslieť ďalšie jadrá – takže simulované vlákna musia zdieľať dostupné fyzické zdroje svojho základného jadra. To môže znamenať, že jednotlivé vlákna majú nižší výkon, ale môže to tiež znamenať, že zdroje sú distribuované efektívnejšie. Môžu byť použité tým, ktoré vlákno ich potrebuje viac.

Budúcnosť hardvéru

Trend vo vývoji jadier CPU rozhodne smeruje k implementácii stále väčšieho počtu jadier do CPU. Teoreticky by bolo možné postaviť CPU so stovkami alebo dokonca tisíckami jadier. To ešte nie je komerčná realita, pretože procesory AMD Threadripper a EPYC majú až 64 jadier. Nateraz je však reálnejšie zameranie na optimalizáciu výkonu na watt. Inými slovami – znížiť spotrebu CPU. Z toho profitujú predovšetkým notebooky a iné zariadenia napájané z batérie.

Riadenie spotreby energie je rozhodujúce pre ďalšie výrazné zvýšenie výkonu. Moorov zákon vo všeobecnosti zdvojnásobil výkon CPU zhruba každé dva roky po celé desaťročia. Toto však bolo primárne založené na zmenšení uzla, teda na tom, aké malé môžu byť najmenšie prvky v CPU.

Moderné uzly CPU sú také malé, že sú veľmi blízko k fyzickým limitom zmenšenia veľkosti. Zvýšenie výkonu teda znamenalo vyšší odber energie a vyšší tepelný výkon. V blízkej budúcnosti môžu procesory superpočítačov produkovať toľko tepla na tak malom priestore, že ich nebude možné ochladiť vzduchom, čo si vyžaduje chladenie kvapalinou.

Prirodzene, neustále sa vyvíjajú aj nové typy CPU. Dve najväčšie značky, Intel a AMD, sa môžu pochváliť rôznymi typmi CPU. Ide to tak ďaleko, že ich príslušné CPU sú na niektoré použitia vhodnejšie ako iné. Samozrejme, novo navrhnuté CPU ponúkajú nové prípady použitia a špeciality nad rámec existujúcich.

Architektúra CPU je zložitá téma. S rastúcimi dostupnými technológiami a požiadavkami na vyšší výkon rastie aj výkon, ktorý CPU ponúkajú, a množstvo dostupných konfigurácií. Rovnako ako trh s GPU, aj trh s CPU vykazuje známky posunu smerom k špecifickým hardvérovým akcelerátorom. To môže poskytnúť vyšší výkon a vyššiu efektivitu pri konkrétnych úlohách, ale zvyšuje to zložitosť.

Záver

Jadro CPU je jedna alebo viac špecifických častí procesora, ktoré vykonávajú skutočné spracovanie. Tieto budú zvyčajne podávané a obklopené registrami a vyrovnávacími pamäťami. Prevažná väčšina moderných CPU ponúka viacero jadier na jednom procesore. Jadrá CPU môžu byť identické alebo optimalizované pre rôzne stupne krivky výkon/účinnosť.

Jadrá CPU sú zvyčajne univerzálne, schopné vykonávať akékoľvek spracovanie, ktoré CPU môže potrebovať. Neuniverzálna procesorová jednotka na CPU matrici sa môže nazývať akcelerátor alebo X procesorové jadro. X je nahradené špecifickým účelom, ako sú napríklad neurónové procesorové jadrá a neurónové urýchľovače na spracovanie AI.