Vad är CPU-kärnor?

En CPU-kärna är en viktig del av alla datorer. CPU-kärnor är en del av alla CPU-processorer. Moderna stationära processorer har vanligtvis mellan två och 16 kärnor, som var och en kan ta hand om en specifik uppgift åt gången. Antalet tillgängliga kärnor är en av de kritiska indikatorerna på hur kraftfull och snabb en PC har toppprestanda.

Det är värt att notera att kärnor inte är helt oberoende av varandra. Beroende på den specifika CPU-designen kan kärnor vara mer eller mindre nära sammanlänkade. De kan dela cachar, använda varandra för att skicka meddelanden eller till och med dela andra typer av kommunikationsprocesser. Oftare än inte kommer kärnor att anslutas via bussar. Det finns också en skillnad mellan processorer som bara har identiska kärnor och de som kombinerar olika.

CPU-design

Historisk flerkärnig CPU-design har i allmänhet använt en homogen CPU-topologi. Det vill säga alla kärnor är identiska. Detta har fördelen av att bara kräva utvecklingsansträngning av en kärnarkitektur som kan kopieras och klistras in så ofta som behövs. Det gör också uppgiftsschemaläggning enklare eftersom alla kärnor kan utföra alla uppgifter med samma hastighet och effektivitet.

En mer nyanserad inställning till CPU-kärndesign kan hittas med heterogen CPU-topologi. I det här fallet har en CPU-matris flera typer av kärnor, vanligtvis optimerade för prestanda eller energieffektivitet, och ibland en medelväg. Denna inställning är särskilt användbar i mobila enheter, där många effektiva kärnor ger bra prestanda med minimal batteriförbrukning. Toppprestanda kan också tillhandahållas när det behövs av mer kraftfulla prestandaoptimerade kärnor men till priset av ökat strömförbrukning och värmeproduktion.

Historiskt sett började processorer med endast en kärna och kunde bara hantera en uppgift åt gången. Med tiden, när efterfrågan på hårdvara ökade, räckte det inte längre. Nyare, modernare processorer utvecklades och fasades ut än de med färre kärnor. Undantaget var bärbara datorer – på grund av utrymmes- och kylningsbegränsningar har bärbara processorer historiskt sett släpat efter stationära datorer i antal CPU-kärnor. Moderna bärbara datorer kan matcha kärnantalet med stationära datorer, men processorerna körs ofta på lägre effektnivåer och klockhastigheter för att hantera temperaturer.

Tips: Om du försöker bygga en dator och välja din CPU, är det absoluta minimum av kärnor du bör sikta på fyra.

Multithreading

De flesta moderna processorer använder multi- eller hyper-threading för att öka antalet tillgängliga kärnor. Denna process delar upp en kärna i flera virtuella kärnor. Specifikt fungerar varje fysisk kärna som två trådar. Därför kan CPU:er med fyra kärnor fungera med åtta trådar, vilket innebär att de fungerar som en åttakärnig CPU.

Obs: Vissa specialiserade processorer kan erbjuda mer än två trådar per processorkärna. Alla sådana produkter är dock exklusiva för HPC ( High-Performance Computing ) och superdatormarknader. Desktop CPU-kärnor kan antingen köra en eller två trådar.

Multithreading är dock inte en absolut dubblering av CPU-kraft. Hyperthreading fördubblar inte prestanda för CPU-kärnan. Intels forskning tyder på att det ger en prestandaökning på cirka 30 %, även om detta kan variera kraftigt och i sällsynta fall till och med minska prestanda något. Vissa appar och program fungerar bättre med det än andra. Videospel, till exempel, har inte alltid nytta av fler kärnor, eftersom de ofta är mer känsliga för klockhastighet. Annan programvara, särskilt videoredigering och animering, kör längre med extra kärnor och trådar.

Naturligtvis är det omöjligt att uppfinna ytterligare kärnor – så de simulerade trådarna måste dela de tillgängliga fysiska resurserna för sin underliggande kärna. Det kan innebära att trådarna har en lägre prestanda individuellt, men det kan också innebära att resurserna fördelas mer effektivt. De kan användas av vilken tråd som helst som behöver dem mer.

Hårdvarans framtid

Trenden inom CPU-kärnutveckling går definitivt mot att implementera fler och fler kärnor i CPU:er. Teoretiskt skulle det vara möjligt att bygga processorer med hundratals eller till och med tusentals kärnor. Det är ännu inte en kommersiell verklighet, med AMD:s Threadripper och EPYC-processorer som har upp till 64 kärnor. För nu är dock ett mer realistiskt fokus att optimera prestanda per watt. Med andra ord – för att minska strömförbrukningen för processorer. Detta gynnar främst bärbara datorer och andra batteridrivna enheter.

Att hantera strömförbrukningen är avgörande för ytterligare betydande prestandaökningar. Moores lag har i allmänhet fördubblat CPU-prestanda ungefär vartannat år i decennier. Detta var dock främst baserat på krympningen av noden, dvs hur små de minsta elementen i CPU:n kunde vara.

Moderna CPU-noder är så små att de är mycket nära fysiska gränser för storleksminskningar. Ökad prestanda har därför inneburit högre effektförbrukning och högre värmeeffekt. I en nära framtid kan superdator-processorer producera så mycket värme på ett så litet utrymme att det är omöjligt att kyla dem med luft, vilket kräver vätskekylning.

Naturligtvis utvecklas det också hela tiden nya typer av processorer. De två största märkena här, Intel och AMD, har olika typer av CPU-design. Detta går så långt att deras respektive CPU:er är bättre lämpade för vissa användningsområden än andra. Naturligtvis erbjuder nydesignade processorer nya användningsfall och specialiteter utöver befintliga.

CPU-arkitektur är ett komplext ämne. I takt med att både tillgänglig teknik och efterfrågan på högre prestanda ökar, ökar också kraften som CPU:erna erbjuder och mängden konfigurationer som finns tillgängliga. Liksom GPU-marknaden visar CPU-marknaden tecken på att skifta mot specifika hårdvaruacceleratorer. Detta kan ge mer prestanda och större effektivitet vid vissa uppgifter men ökar komplexiteten.

Slutsats

En CPU-kärna är en eller flera specifika delar av en CPU-matris som utför själva bearbetningen. Dessa kommer vanligtvis att serveras och omges av register och cacher. De allra flesta moderna processorer erbjuder flera kärnor på en CPU-matris. CPU-kärnor kan vara identiska eller optimerade för olika stadier på prestanda/effektivitetskurvan.

CPU-kärnor är vanligtvis generella och kan utföra alla bearbetningar som CPU kan behöva. En icke-allmän bearbetningsenhet på en CPU-matris kan kallas en accelerator eller en X-processorkärna. X ersätts med ett specifikt syfte, såsom neurala bearbetningskärnor och neurala acceleratorer för AI-bearbetning.