Що таке ядра ЦП?

Ядро центрального процесора є важливою частиною будь-якого комп’ютера. Ядра CPU є частиною будь-якого процесора CPU. Сучасні настільні процесори зазвичай мають від двох до 16 ядер, кожне з яких може одночасно виконувати одне конкретне завдання. Кількість доступних ядер є одним із найважливіших показників того, наскільки потужний і швидкий ПК має максимальну продуктивність.

Варто зазначити, що ядра не зовсім незалежні одне від одного. Залежно від конкретної конструкції процесора, ядра можуть бути більш-менш тісно пов’язані між собою. Вони можуть спільно використовувати кеші, використовувати один одного для передачі повідомлень або навіть спільно використовувати інші типи комунікаційних процесів. Найчастіше ядра підключаються через шини. Існує також різниця між процесорами, які мають лише ідентичні ядра, і тими, які поєднують різні.

Дизайн ЦП

Історичний дизайн багатоядерного ЦП зазвичай використовував однорідну топологію ЦП. Тобто всі ядра ідентичні. Це має перевагу в тому, що вимагається лише розробка однієї основної архітектури, яку можна копіювати та вставляти так часто, як це необхідно. Це також полегшує планування завдань, оскільки всі ядра можуть виконувати всі завдання з однаковою швидкістю та ефективністю.

Більш тонкий підхід до дизайну ядра ЦП можна знайти з гетерогенною топологією ЦП. У цьому випадку один кристал процесора має декілька типів ядер, як правило, оптимізованих для продуктивності чи енергоефективності, а іноді й золоту середину. Це налаштування особливо корисно в мобільних пристроях, де численні ефективні ядра забезпечують хорошу продуктивність при мінімальному споживанні батареї. Пікова продуктивність також може бути забезпечена за потреби більш потужними ядрами з оптимізованою продуктивністю, але за рахунок збільшення енергоспоживання та виділення тепла.

Історично процесори починалися з одного ядра і могли виконувати лише одне завдання за раз. З часом, коли попит на апаратне забезпечення зріс, цього було недостатньо. Були розроблені та виведені з експлуатації новіші, сучасніші ЦП, ніж ті, що мають менше ядер. Винятком були ноутбуки – через обмеження простору та охолодження процесори ноутбуків історично відставали від настільних комп’ютерів за кількістю ядер ЦП. Сучасні ноутбуки можуть порівняти кількість ядер із настільними комп’ютерами, але ЦП часто працюють на нижчих рівнях потужності та тактовій частоті, щоб контролювати температуру.

Порада: якщо ви збираєтеся створити комп’ютер і вибираєте свій ЦП, абсолютний мінімум ядер, до якого ви повинні прагнути, становить чотири.

Багатопотоковість

Більшість сучасних процесорів використовують багато- або гіперпотоковість для збільшення кількості доступних ядер. Цей процес розбиває одне ядро ​​на декілька віртуальних ядер. Зокрема, кожне фізичне ядро ​​працює як два потоки. Таким чином, процесори з чотирма ядрами можуть працювати з вісьмома потоками, тобто вони функціонують як восьмиядерні процесори.

Примітка. Деякі спеціалізовані ЦП можуть пропонувати більше двох потоків на ядро ​​ЦП. Однак усі такі продукти є ексклюзивними для ринків HPC ( високопродуктивних обчислень ) і суперкомп’ютерів. Ядра настільного ЦП можуть виконувати один або два потоки.

Однак багатопотоковість не є абсолютним дублюванням потужності ЦП. Гіперпотоковість не подвоює продуктивність ядра ЦП. Дослідження Intel свідчать про підвищення продуктивності приблизно на 30%, хоча це може сильно відрізнятися, а в рідкісних випадках навіть дещо знижувати продуктивність. Деякі додатки та програми працюють із ним краще, ніж інші. Наприклад, відеоігри не завжди виграють від більшої кількості ядер, часто вони більш чутливі до тактової частоти. Інше програмне забезпечення, особливо для редагування відео та анімації, працює далі завдяки додатковим ядрам і потокам.

Звичайно, неможливо винайти додаткові ядра, тому змодельовані потоки повинні спільно використовувати доступні фізичні ресурси свого основного ядра. Це може означати, що окремі потоки мають нижчу продуктивність, але це також може означати, що ресурси розподіляються ефективніше. Вони можуть бути використані тим потоком, який більше їх потребує.

Майбутнє обладнання

Тенденція в розробці ядер ЦП безумовно спрямована на впровадження все більшої кількості ядер у ЦП. Теоретично можна було б створювати процесори з сотнями або навіть тисячами ядер. Це ще не комерційна реальність, адже процесори AMD Threadripper і EPYC мають до 64 ядер. Однак наразі більш реалістичним фокусом є оптимізація продуктивності на ват. Іншими словами – знизити енергоспоживання процесорів. Це в першу чергу вигідно ноутбукам та іншим пристроям, що живляться від батарейок.

Управління енергоспоживанням має вирішальне значення для подальшого значного підвищення продуктивності. Закон Мура зазвичай подвоював продуктивність ЦП приблизно кожні два роки протягом десятиліть. Однак це в першу чергу ґрунтувалося на зменшенні вузла, тобто на тому, наскільки малими можуть бути найменші елементи ЦП.

Сучасні процесорні вузли настільки малі, що вони дуже близькі до фізичних обмежень щодо зменшення розміру. Таким чином, підвищення продуктивності означає більшу споживану потужність і більшу тепловіддачу. Найближчим часом процесори суперкомп’ютерів можуть виробляти стільки тепла в такому маленькому просторі, що неможливо охолодити їх повітрям, вимагаючи рідинного охолодження.

Природно, постійно розробляються нові типи ЦП. Два найбільші бренди тут, Intel і AMD, кожен може похвалитися різними типами процесорів. Це заходить настільки далеко, що їхні відповідні процесори краще підходять для одних цілей, ніж інші. Звичайно, нещодавно розроблені процесори пропонують нові варіанти використання та особливості на додаток до існуючих.

Архітектура центрального процесора є складною темою. У міру того, як доступні технології та попит на більш високу продуктивність зростають, зростає потужність, яку пропонують ЦП, і різноманітність доступних конфігурацій. Як і ринок графічних процесорів, ринок центральних процесорів демонструє ознаки переходу до конкретних апаратних прискорювачів. Це може забезпечити більшу продуктивність і ефективність у конкретних завданнях, але збільшує складність.

Висновок

Ядро ЦП — це одна або кілька окремих частин кристала ЦП, які виконують фактичну обробку. Зазвичай вони обслуговуються й оточуються реєстрами та кешами. Переважна більшість сучасних ЦП пропонують кілька ядер на одному процесорному кристалі. Ядра ЦП можуть бути ідентичними або оптимізованими для різних етапів на кривій продуктивності/ефективності.

Ядра ЦП, як правило, універсальні, здатні виконувати будь-яку обробку, яка може знадобитися ЦП. Процесор незагального призначення на кристалі ЦП можна назвати прискорювачем або ядром обробки X. X замінено певним призначенням, наприклад ядрами нейронної обробки та нейронними прискорювачами для обробки ШІ.