Какие программы используют многоядерность. На что влияет количество ядер процессора? Многоядерный процессор
- Tutorial
В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.
Цель статьи - показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).
Предупреждение о знаках ®, ™, в статье
Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.
Процессор
Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин - это «процессор».В современном мире процессор - это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.
Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.
Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает , что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.
Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память - RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.
К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS
Ядро
Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах - как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент - схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер , во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.
Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.
В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.
Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.
Гиперпоток
До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология - гипертреды или гиперпотоки, - Intel® HyperThreading (далее HT).Ничто не ново под луной. HT - это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния - регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня - это зависит от конкретной системы.
Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии . Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.
Ограничения потоков
В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это - частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение - здесь нужны «честные» ядра.Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.
Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре - уникальная для IA-32 конфигурация.
Логический процессор
Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x , y , z ), где x - это число процессоров, y - число ядер в каждом процессоре, а z - число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией - устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.
Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) - ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая - два ядра, а третья - всего лишь два потока.
Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?
Linux top показывает 4 логических процессора.
Это довольно удобно для создателей прикладных приложений - им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.
Программное определение топологии
Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи :
Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к , в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».
APIC ID
Local APIC (advanced programmable interrupt controller) - это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) - для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше - только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.
Выяснение родственных связей
Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два - внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня - гиперпоток, ядро или процессор, - в ECX.
У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, - все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.
Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.
Отмечу, что CPUID.0xB - не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI .
Операционные системы и топология
Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:
Скрытый текст
ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid"
processor: 0
physical id: 0
siblings: 4
core id: 0
cpu cores: 2
apicid: 0
initial apicid: 0
processor: 1
physical id: 0
siblings: 4
core id: 0
cpu cores: 2
apicid: 1
initial apicid: 1
processor: 2
physical id: 0
siblings: 4
core id: 1
cpu cores: 2
apicid: 2
initial apicid: 2
processor: 3
physical id: 0
siblings: 4
core id: 1
cpu cores: 2
apicid: 3
initial apicid: 3
В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:
Скрытый текст
user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec
kern.sched.topology_spec:
В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.
Многоя́дерный проце́ссор - центральный процессор, содержащий два и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.
Среди многоядерных процессоров к данному моменту можно выделить
*процессоры, предназначенные в основном для встраиваемых и мобильных приложений, в которых большое внимание разработчиков было уделено средствам и методам снижения энергопотребления (SEAforth (SEAforth24, seaforth40), Tile (Tile36, Tile64, Tile64pro), AsAP-II, CSX700);
*процессоры для вычислительных или графических станций, где вопросы энергопотребления не столь критичны (графические процессоры, например, процессоры серии g80 от NVIDIA, проект Larrabee от Intel, отчасти сюда можно отнести и процессор Cell от IBM, хотя количество вычислительных ядер у него относительно невысоко);
* процессоры т.н. мейнстрима - предназначенные для серверных, рабочих станций и персональных компьютеров (AMD, Intel, Sun);
- Количество ядер (Количество ядер. Ядро (core) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура. Каждое ядро воспринимается системой как отдельный, самостоятельный процессоров, со всем необходимым набором функций.)
Тактовая частота (такт - элементарная операция в секунду, которую может выполнить процессор. Следовательно, количество тактов - это показатель, сколько операций в секунду времени способен обработать процессор. Единицей измерения этого параметра являются гигагерцы ГГц.)
Кеш-память (память, непосредственно встроенная в процессор, и используемая для хранения и обращения к часто используемым данным, называется кеш-память. Она делиться на несколько уровней - L1, L2 и L3. Вышестоящий уровень кеш-памяти имеет больший объем, но менее скоростной доступ к данным.)
Разрядность (определяет количество информации, которой может обменяться процессор с оперативной памятью за один такт. Параметр этот измеряется в битах. Параметр разрядности влияет на объем возможной оперативной памяти - 32-х битный процессор может работать только с 4 Гб оперативной памяти.)
Производительность
Потребляемая мощность
Размеры
Стоимость
Классы задач, на которые рассчитаны
Сравнительные характеристики производительности процессоров, потребляемой мощности и скоростей обмена данными представлены в таблицах
(Мфлопс - миллион операций с плавающей точкой в секунду)
Немалый вклад в общую производительность процессора и эффективность его работы вкладывает и структура межъядерных связей и организация подсистемы памяти, в частности кэш-памяти
Процессор CSX700
Архитектура процессора CSX700 была разработана для решения так называемой проблемы массо-габаритных показателей и потребляемой мощности (Size, Weight and Power (SWAP)), которая, как правило, является основной для встраиваемых высокопроизводительных приложений. Путем интегрирования процессоров, системных интерфейсов и встроенной памяти с коррекцией ошибок, CSX700 представляет собой достаточно экономичное, надежное и производительное решение, отвечающее требованиям современных приложений.
Архитектура процессора оптимизирована для работы с применением массового параллелизма данных и спроектирована с высокой степенью эффективности и надежности. Архитектура нацелена на интеллектуальную обработку сигналов и обработку изображений во временной и частотной областях.
Кристалл CSX700 содержит 192 высокопроизводительных процессорных ядра, встроенную буферную память размером 256 кбайт (два банка по 128 кбайт), кэш данных и кэш команд, ECC-защиту внутренней и внешней памяти, встроенный контроллер прямого доступа в память. Для обеспечения накристаль-ной и межкристальной сети используется технология ClearConnect NoC (рис. 11).
Процессор состоит из двух относительно независимых модулей MTAP (MultiThreaded Array Processor - многопотоковый процессорный массив), содержащих кэши инструкций, данных, блоки управления процессорными элементами, и набор из 96 вычислительных ядер (рис. 12).
Рис. 12. Структура MTAP-блока
Каждое ядро имеет двойной блок вычислений с плавающей точкой (сложение, умножение, деление, вычисление квадратного корня, поддерживаются числа одинарной и двойной точности), 6 кбайт высокопроизводительной оперативной памяти, 128-байтный регистровый файл. Поддерживается 64-битное виртуальное адресное пространство и 48-битное реальное.
Технические характеристики процессора:
тактовая частота ядер 250 MГц;
96 ГФлоп для данных двойной или одинарной точности;
поддерживает 75 ГФлоп при тесте перемножения матриц двойной точности (DGEMM);
производительность целочисленных операций 48 ШАОс;
рассеиваемая мощность 9 Вт;
пропускная способность внутренних шин памяти 192 Гбайт/с;
две внешние шины памяти 4 Гбайт/с;
скорость обмена данными между отдельными процессорами 4 Гбайт/с;
интерфейсы PCIe, 2·DDR2 DRAM (64 бита).
Разработанный для систем с низким энергопотреблением, данный процессор работает на относительно низкой тактовой частоте и имеет механизм управления частотой, который позволяет регулировать производительность приложений в условиях определенного энергопотребления и теплового окружения.
CSX700 поддерживается профессиональной средой разработки (SDK) на основе технологии Eclipse с визуальными средствами отладки приложений, базирующейся на оптимизированном компиляторе ANSI C с расширениями для параллельного программирования. В дополнение к стандартной библиотеке С идет набор оптимизированных библиотек с такими функциями, как БПФ, BLAS, LAPACK и др.
Современные процессоры Intel и AMD
Современный рынок процессоров делят два главных конкурента – Intel и AMD.
Процессоры от компании Intel, сегодня считаются самыми производительными, благодаря семейству Core i7 Extreme Edition. В зависимости от модели они могут иметь до 6 ядер одновременно, тактовую частоту до 3300 МГц и до 15 Мб кэш памяти L3. Самые популярные ядра в сегменте настольных процессоров создаются на основе Intel - Ivy Bridge и Sandy Bridge.
В процессорах компании Intel применяются фирменные технологии собственной разработки для повышения эффективности работы системы.
1. Hyper Threading - За счет этой технологии, каждое физическое ядро процессора способно обрабатывать по два потока вычислений одновременно, получается, что число логических ядер фактически удваивается.
2. Turbo Boost - Позволяет пользователю совершить автоматический разгон процессора, не превышая при этом максимально допустимый предел рабочей температуры ядер.
3. Intel QuickPath Interconnect (QPI) - Кольцевая шина QPI соединяет все компоненты процессора, за счет этого сводятся к минимуму все возможные задержки при обмене информацией.
4. Visualization Technology - Аппаратная поддержка решений виртуализации.
5. Intel Execute Disable Bit - Практически антивирусная программа, она обеспечивает аппаратную защиту от возможных вирусных атак, в основе которых лежит технология переполнения буфера.
6. Intel SpeedStep-Инструмент позволяющий изменять уровень напряжения и частоты в зависимости от создаваемой нагрузки на процессор.
Core i7 – на данный момент топовая линия компании
Core i5 – отличаются высокой производительностью
Core i3 – невысокая цена, высокая/средняя производительность
Самые быстрые процессоры фирмы AMD все же медленнее, чем самые быстрые процессоры Intel (данные на ноябрь 2010). Но благодаря своему хорошему соотношению цены и качества, процессоры AMD, в основном для настольных ПК, являются прекрасной альтернативой процессорам Intel.
Для процессоров Athlon II и Phenom II важным является не только тактовая частота, но и количество ядер процессора. Athlon II и Phenom II в зависимости от модели могут иметь два три или четыре ядра. Модель с шестью ядрами – только серия Highend Phenom II.
Большинство современных процессоров созданных компанией AMD по умолчанию поддерживают следующие технологии:
1. AMD Turbo CORE - Эта технология призвана автоматически регулировать производительность всех ядер процессора, за счет управляемого разгона (подобная технология у компании Intel имеет название TurboBoost).
2. AVX (Advanced Vector Extensions), ХОР и FMA4 - Инструмент, имеющий расширенный набор команд, специально созданных для работы с числами с плавающей точкой. Однозначно полезный инструментарий.
3. AES (Advanced Encryption Standard) - В программных приложениях использующих шифрование данных, повышает производительность.
4. AMD Visualization (AMD-V) - Эта технология виртуализации, помогает обеспечить разделение ресурсов одного компьютера между несколькими виртуальными машинами.
5. AMD PowcrNow! - Технология управления питанием. Она помогают пользователю добиться повышения производительности, за счет динамической активации и деактивации части процессора.
6. NX Bit - Уникальная антивирусная технология, помогающая предотвратить инфицирование персонального компьютера определенными видами вредоносных программ.
Использование в ГИС
Геоинформационные системы - многофункциональные средства анализа сведенных воедино табличных, текстовых и картографических данных, демографической, статистической, земельной, муниципальной, адресной и другой информации. Многоядерные процессоры необходимы для быстрой обработки различных видов информации, так как они значительно ускоряют и распределяют работу программ.
ВЫВОД
Переход к многоядерным процессорам становится основным направлением повышения производительности. На данный момент самым распространенным считается 4-х и 6-и ядерные процессоры. Каждое ядро воспринимается системой как отдельный, самостоятельный процессоров, со всем необходимым набором функций. Технология многоядерных процессоров, позволила распараллелить операции вычисления, вследствие чего повысился показатель быстродействия ПК.
http://www.intuit.ru/department/hardware/mcoreproc/15/
http://kit-e.ru/articles/build_in_systems/2010_2_92.php
http://softrew.ru/instructions/266-sovremennye-processory.html
http://it-notes.info/centralnyj-processor/
http://www.mediamarkt.ru/mp/article/AMD,847020.html
Преимущества многоядерных процессоров
Возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;
Увеличение скорости работы программ;
Процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;
Более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видеоредакторов);
Снижение энергопотребления;
Работа пользователя ПК становится более комфортной;
Первые компьютерные процессоры с несколькими ядрами появились на потребительском рынке ещё в середине двухтысячных, но множество пользователей до сих пор не совсем понимает — что это такое, многоядерные процессоры, и как разобраться в их характеристиках.
Видео-формат статьи «Вся правда о многоядерных процессорах»
Простое объяснение вопроса «что такое процессор»
Микропроцессор — одно из главных устройств в компьютере. Это сухое официальное название чаще сокращают до просто «процессор») . Процессор — микросхема, по площади сравнимая со спичечным коробком . Если угодно, процессор — это как мотор в автомобиле. Важнейшая часть, но совсем не единственная. Есть у машины ещё и колёса, и кузов, и проигрыватель с фарами. Но именно процессор (как и мотор автомобиля) определяет мощность «машины».
Многие называют процессором системный блок — «ящик», внутри которого находятся все компоненты ПК, но это в корне неверно. Системный блок — это корпус компьютера вместе со всеми составляющими частями — жёстким диском, оперативной памятью и многими другими деталями.
Функция процессора — вычисления . Не столь важно, какие именно. Дело в том, что вся работа компьютера завязана исключительно на арифметических вычислениях. Сложение, умножение, вычитание и прочая алгебра — этим всем занимается микросхема под названием «процессор». А результаты таких вычислений выводятся на экран в виде игры, вордовского файла или просто рабочего стола.
Главная часть компьютера, которая занимается вычислениями — вот, что такое процессор .
Что такое процессорное ядро и многоядерность
Испокон процессорных «веков» эти микросхемы были одноядерными. Ядро — это, фактически, сам процессор. Его основная и главная часть. Есть у процессоров и другие части — скажем, «ножки»-контакты, микроскопическая «электропроводка» — но именно тот блок, который отвечает за вычисления, называется ядром процессора . Когда процессоры стали совсем небольшими, то инженеры решили совместить внутри одного процессорного «корпуса» сразу несколько ядер.
Если представить процессор в виде квартиры, то ядро — это крупная комната в такой квартире. Однокомнатная квартира — это одно процессорное ядро (крупная комната-зал), кухня, санузел, коридор… Двухкомнатная квартира — это уже как два процессорных ядра вместе с прочими комнатами. Бывают и трёх-, и четырёх, и даже 12-комнатные квартиры. Также и в случае с процессорами: внутри одного кристалла-«квартиры» может быть несколько ядер-«комнат».
Многоядерность — это разделение одного процессора на несколько одинаковых функциональных блоков. Количество блоков — это число ядер внутри одного процессора.
Разновидности многоядерных процессоров
Бытует заблуждение: «чем больше ядер у процессора — тем лучше». Именно так стараются представить дело маркетологи, которым платят за создание такого рода заблуждений. Их задача — продавать дешёвые процессоры, притом — подороже и в огромных количествах. Но на самом деле количество ядер — далеко не главная характеристика процессоров.
Вернёмся к аналогии процессоров и квартир. Двухкомнатная квартира дороже, удобнее и престижнее однокомнатной. Но только если эти квартиры находятся в одном районе, оборудованы одинаково, да и ремонт у них схожий. Существуют слабенькие четырёхядерные (а то и 6-ядерные) процессоры, которые значительно слабее двухядерных. Но поверить в это сложно: ещё бы, магия крупных чисел 4 или 6 против «какой-то» двойки. Однако именно так и бывает весьма и весьма часто. Вроде как та же четырёхкомнатная квартира, но в убитом состоянии, без ремонта, в совершенно отдалённом районе — да ещё и по цене шикарной «двушки» в самом центре.
Сколько бывает ядер внутри процессора?
Для персональных компьютеров и ноутбуков одноядерные процессоры толком не выпускаются уже несколько лет, а встретить их в продаже — большая редкость. Число ядер начинается с двух. Четыре ядра — как правило, это более дорогие процессоры, но отдача от них присутствует. Существуют также 6-ядерные процессоры, невероятно дорогие и гораздо менее полезные в практическом плане. Мало какие задачи способны получить прирост производительности на этих монструозных кристаллах.
Был эксперимент компании AMD создавать и 3-ядерные процессоры, но это уже в прошлом. Получилось весьма неплохо, однако их время прошло.
Кстати, компания AMD также производит многоядерные процессоры, но, как правило, они ощутимо слабее конкурентов от Intel. Правда, и цена у них значительно ниже. Просто следует знать, что 4 ядра от AMD почти всегда окажутся заметно слабее, чем те же 4 ядра производства Intel.
Теперь вы знаете, что у процессоров бывает 1, 2, 3, 4, 6 и 12 ядер. Одноядерные и 12-ядерные процессоры — большая редкость. Трёхядерные процессоры — дело прошлого. Шестиядерные процессоры либо очень дороги (Intel), либо не такие уж сильные (AMD), чтобы переплачивать за число. 2 и 4 ядра — самые распространённые и практичные устройства, от самых слабых до весьма мощных.
Частота многоядерных процессоров
Одна из характеристик компьютерных процессоров — их частота. Те самые мегагерцы (а чаще — гигагерцы). Частота — важная характеристика, но далеко не единственная . Да, пожалуй, ещё и не самая главная. К примеру, двухядерный процессор с частотой 2 гигагерца — более мощное предложение, чем его одноядерный собрат с частотой 3 гигагерца.
Совсем неверно считать, что частота процессора равна частоте его ядер, умноженной на количество ядер. Если проще, то у 2-ядерного процессора с частотой ядра 2 ГГц общая частота ни в коем случае не равна 4 гигагерцам! Даже понятия «общая частота» не существует. В данном случае, частота процессора равна именно 2 ГГц. Никаких умножений, сложений или других операций.
И вновь «превратим» процессоры в квартиры. Если высота потолков в каждой комнате — 3 метра, то общая высота квартиры останется такой же — всё те же три метра, и ни сантиметром выше. Сколько бы комнат не было в такой квартире, высота этих комнат не изменяется. Так же и тактовая частота процессорных ядер . Она не складывается и не умножается.
Виртуальная многоядерность, или Hyper-Threading
Существуют ещё и виртуальные процессорные ядра . Технология Hyper-Threading в процессорах производства Intel заставляет компьютер «думать», что внутри двухядерного процессора на самом деле 4 ядра. Очень похоже на то, как один-единственный жёсткий диск делится на несколько логических — локальные диски C, D, E и так далее.
Hyper- Threading — весьма полезная в ряде задач технология . Иногда бывает так, что ядро процессора задействовано лишь наполовину, а остальные транзисторы в его составе маются без дела. Инженеры придумали способ заставить работать и этих «бездельников», разделив каждое физическое процессорное ядро на две «виртуальные» части. Как если бы достаточно крупную комнату разделили перегородкой на две.
Имеет ли практический смысл такая уловка с виртуальными ядрами ? Чаще всего — да, хотя всё зависит от конкретных задач. Вроде, и комнат стало больше (а главное — они используются рациональнее), но площадь помещения не изменилась. В офисах такие перегородки невероятно полезны, в некоторых жилых квартирах — тоже. В других случаях в перегораживании помещения (разделении ядра процессора на два виртуальных) смысла нет вообще.
Отметим, что наиболее дорогие и производительные процессоры класса Core i7 в обязательном порядке оснащены Hyper- Threading . В них 4 физических ядра и 8 виртуальных. Получается, что одновременно на одном процессоре работают 8 вычислительных потоков. Менее дорогие, но также мощные процессоры Intel класса Core i5 состоят из четырёх ядер, но Hyper Threading там не работает. Получается, что Core i5 работают с 4 потоками вычислений.
Процессоры Core i3 — типичные «середнячки», как по цене, так и по производительности. У них два ядра и никакого намёка на Hyper-Threading. Итого получается, что у Core i3 всего два вычислительных потока. Это же относится и к откровенно бюджетным кристаллам Pentium и Celeron . Два ядра, «гипе-трединг» отсутствует = два потока.
Нужно ли компьютеру много ядер? Сколько ядер нужно в процессоре?
Все современные процессоры достаточно производительны для обычных задач . Просмотр интернета, переписка в соцсетях и по электронной почте, офисные задачи Word-PowerPoint-Excel: для этой работы подойдут и слабенькие Atom, бюджетные Celeron и Pentium, не говоря уже о более мощных Core i3. Двух ядер для обычной работы более чем достаточно. Процессор с большим количеством ядер не принесёт значительного прироста в скорости.
Для игр следует обратить внимание на процессоры Core i3 или i5 . Скорее, производительность в играх будет зависеть не от процессора, а от видеокарты. Редко в какой игре потребуется вся мощь Core i7. Поэтому считается, что игры требуют не более четырёх процессорных ядер, а чаще подойдут и два ядра.
Для серьёзной работы вроде специальных инженерных программ, кодирования видео и прочих ресурсоёмких задач требуется действительно производительная техника . Часто здесь задействуются не только физические, но и виртуальные процессорные ядра. Чем больше вычислительных потоков, тем лучше. И не важно, сколько стоит такой процессор: профессионалам цена не столь важна.
Есть ли польза от многоядерных процессоров?
Безусловно, да. Одновременно компьютер занимается несколькими задачами — хотя бы работа Windows (кстати, это сотни разных задач) и, в тот же момент, проигрывание фильма. Проигрывание музыки и просмотр интернета. Работа текстового редактора и включённая музыка. Два процессорных ядра — а это, по сути, два процессора, справятся с разными задачами быстрее одного. Два ядра сделают это несколько быстрее. Четыре — ещё быстрее, чем два.
В первые годы существования технологии многоядерности далеко не все программы умели работать даже с двумя ядрами процессора. К 2014 году подавляющее большинство приложений отлично понимают и умеют пользоваться преимуществами нескольких ядер. Скорость обработки задач на двухядерном процессоре редко увеличивается в два раза, но прирост производительности есть почти всегда.
Поэтому укоренившийся миф о том, что, якобы, программы не могут использовать несколько ядер — устаревшая информация. Когда-то действительно было так, сегодня ситуация улучшилась кардинально. Преимущества от нескольких ядер неоспоримы, это факт.
Когда меньше ядер у процессора — лучше
Не следует покупать процессор по неверной формуле «чем больше ядер — тем лучше». Это не так. Во-первых, 4, 6 и 8-ядерные процессоры ощутимо дороже своих двухядерных собратьев. Значительная прибавка в цене далеко не всегда оправдана с точки зрения в производительности. К примеру, если 8-ядерник окажется лишь на 10% быстрее CPU с меньшим количеством ядер, но будет в 2 раза дороже, то такую покупку сложно оправдать.
Во-вторых, чем больше ядер у процессора, тем он «прожорливее» с точки зрения энергопотребления. Нет никакого смысла покупать гораздо более дорогой ноутбук с 4-ядерным (8-поточным) Core i7, если на этом ноутбуке будут обрабатываться лишь текстовые файлы, просматриваться интернет и так далее. Никакой разницы с двухядерником (4 потока) Core i5 не будет, да и классический Core i3 лишь с двумя вычислительными потоками не уступит более именитому «коллеге». А от батарейки такой мощный ноутбук проработает гораздо меньше, чем экономичный и нетребовательный Core i3.
Многоядерные процессоры в мобильных телефонах и планшетах
Мода на несколько вычислительных ядер внутри одного процессора касается и мобильных аппаратов. Смартфоны вместе с планшетами с большим количеством ядер почти никогда не используют все возможности своих микропроцессоров. Двухядерные мобильные компьютеры иногда действительно работают чуть быстрее, но 4, а тем более 8 ядер — откровеннейший перебор. Аккумулятор расходуется совершенно безбожно, а мощные вычислительные устройства попросту простаивают без дела. Вывод — многоядерные процессоры в телефонах, смартфонах и планшетах — лишь дань маркетингу, а не насущная необходимость. Компьютеры — более требовательные устройства, чем телефоны. Два процессорных ядра им действительно нужны. Четыре — не помешают. 6 и 8 — излишество в обычных задачах и даже в играх.
Как выбрать многоядерный процессор и не ошибиться?
Практическая часть сегодняшней статьи актуальна на 2014 год. Вряд ли в ближайшие годы что-то серьёзно поменяется. Речь пойдёт только о процессорах производства Intel. Да, AMD предлагает неплохие решения, но они менее популярны, да и разобраться в них сложнее.
Заметим, что таблица основана на процессорах образца 2012-2014 годов. Более старые образцы имеют другие характеристики. Также мы не стали упоминать редкие варианты CPU, например — одноядерный Celeron (бывают и такие даже сегодня, но это нетипичный вариант, который почти не представлен на рынке). Не следует выбирать процессоры исключительно по количеству ядер внутри них — есть и другие, более важные характеристики. Таблица лишь облегчит выбор многоядерного процессора, но конкретную модель (а их десятки в каждом классе) следует покупать только после тщательного ознакомления с их параметрами: частотой, тепловыделением, поколением, размером кэша и другими характеристиками.
| Процессор | Количество ядер | Вычислительные потоки | Типичная область применения |
| Atom | 1-2 | 1-4 | Маломощные компьютеры и нетбуки. Задача процессоров Atom — минимальное энергопотребление. Производительность у них минимальна. |
| Celeron | 2 | 2 | Самые дешёвые процессоры для настольных ПК и ноутбуков. Производительности достаточно для офисных задач, но это совсем не игровые CPU. |
| Pentium | 2 | 2 | Столь же недорогие и малопроизводительные процессоры Intel, как и Celeron. Отличный выбор для офисных компьютеров. Pentium оснащаются чуть более ёмким кэшем, и, иногда, слегка повышенными характеристиками по сравнению с Celeron |
| Core i3 | 2 | 4 | Два достаточно мощных ядра, каждое из которых разделено на два виртуальных «процессора» (Hyper-Threading). Это уже довольно мощные CPU при не слишком высоких ценах. Хороший выбор для домашнего или мощного офисного компьютера без особой требовательности к производительности. |
| Core i5 | 4 | 4 | Полноценные 4-ядерники Core i5 — довольно дорогие процессоры. Их производительности не хватает лишь в самых требовательных задачах. |
| Core i7 | 4-6 | 8-12 | Самые мощные, но особенно дорогие процессоры Intel. Как правило, редко оказываются быстрее Core i5, и лишь в некоторых программах. Альтернатив им просто нет. |
Краткий итог статьи «Вся правда о многоядерных процессорах». Вместо конспекта
- Ядро процессора — его составная часть. Фактически, самостоятельный процессор внутри корпуса. Двухядерный процессор — два процессора внутри одного.
- Многоядерность сравнима с количеством комнат внутри квартиры. Двухкомнатные лучше однокомнатных, но лишь при прочих равных характеристиках (расположение квартиры, состояние, площадь, высота потолков).
- Утверждение о том, что чем больше ядер у процессора, тем он лучше — маркетинговая уловка, совершенно неверное правило. Квартиру ведь выбирают далеко не только по количеству комнат, но и по её расположению, ремонту и другим параметрам. Это же касается и нескольких ядер внутри процессора.
- Существует «виртуальная» многоядерность — технология Hyper-Threading. Благодаря этой технологии, каждое «физическое» ядро разделяется на два «виртуальных». Получается, что у 2-ядерного процессора с Hyper-Threading лишь два настоящих ядра, но эти процессоры одновременно обрабатывают 4 вычислительных потока. Это действительно полезная «фишка», но 4-поточный процессор нельзя считать четырёхядерным.
- Для настольных процессоров Intel: Celeron — 2 ядра и 2 потока. Pentium — 2 ядра, 2 потока. Core i3 — 2 ядра, 4 потока. Core i5 — 4 ядра, 4 потока. Core i7 — 4 ядра, 8 потоков. Ноутбучные (мобильные) CPU Intel имеют иное количество ядер/потоков.
- Для мобильных компьютеров часто важнее экономичность в энергопотреблении (на практике — время работы от батареи), чем количество ядер.
Нельзя разобраться с этим вопросом, не зная, что собой представляет 4-х ядерный процессор. С одно-, двух- и трехъядерными процессорами все просто: они имеют одно, два или три ядра соответственно. А что касается 4-х ядерного, то тут не все так, как кажется на первый взгляд.
2-х или 4-х ядерный процессор?
Большинство людей ошибаются, думая, что частота каждого ядра складывается. Раз 2.5 Ггц частота ядер, а ядра 4, то значит 2.5*4= 10Ггц. Но это не так: частота всегда одна — 2.5 Ггц. Почему же частота не складывается? Потому, что с этой частотой параллельно работает каждый процессор.
Порция — это часть времени, на вычисление которой процессор выделяет ресурсы всем потокам, попавшим в процессор. Это как 4-ре магистрали с предельной скоростью 60 км/час (2.5 Ггц): у нас есть грузовики, которые должны доставить нам товары (это наши кусочки программы или порции программы), и чтобы нам повысить скорость доставки (повысить работоспособность системы), нам нужно использовать все 4-ре магистрали или повысить предельную скорость (3.0 Ггц). Но для большинства программ невозможно работать в несколько потоков, так как они работают в один поток и способны использовать лишь одну магистраль (а значит нашей программе будет выделено лишь 25% общей мощности процессора) потому, что в программе логика должна выполняться последовательно (поточно), и если нарушить последовательность, нарушится логика, а это приведет к сбоям. Новые программы стараются использовать мультипрограммирование — возможность работать в несколько потоков (наших магистралей), а не в одну, как большинство программ сейчас. Игры, по большей части тоже оптимизированы под многопоточность, но основной поток обычно работает в один. Хоть сейчас и пытаются разделить его на несколько, чтобы облегчить и ускорить. Поэтому для игр или приложений, которые обычно работают в один или два потока, лучше взять 2-ух ядерный процессор.
Если частота у двухъядерного такая же, как у четырехъядерного, то лучше конечно взять четырехъядерный, ведь у нас же одновременно работает огромное количество программ, пускай и слабых по нагрузке. Мы выиграем производительность системы за счет того, что все другие процессы могут быть вытеснены на другое ядро при полной загрузке одного из них. Но обычно частота у новых двухъядерных выше, чем у новых четырехъядерных. Именно поэтому при тестах в играх побеждают 2-ух ядерные с большей частотой, чем 4-ех ядерные с меньшей.
Теперь об очередях:
Теперь поймем, что при переходе от одноядерного к двуядерному, скорость возрастает быстрее не только за счет одновременной обработки ядрами, но и за счет ожидания и очереди на процессоре.
Частота у одноядерного процессора и двухъядерного одна и та же, но работает компьютер быстрее с 2-я ядрами. Дело в мультипрограммировании, когда осуществляется переход с одноядерного на двухъядерный, то скорость возрастает в разы. А мультипрограммирование — это работа с потоками. Представим себе 2 потока, например, работа Windows и запущенная компьютерная игра. Если у нас имеется одно ядро, то обрабатывается последовательно то игра (порция), то работа Windows (порция). Процессам приходиться ждать очереди, т. е. когда «кусочек» игры обрабатывается, то Windows приходится ждать конца обработки игры (порции игры). Когда мы перешли на 2 ядра, то даже с той же частотой, как у одноядерного, компьютер начинает более быструю обработку, так как очередь уменьшается в 2 раза.
Объясню подробнее на примере 100 приложений, если у нас 1 ядро, то 1 приложение обрабатывается, остальные 99 ждут своей очереди. И чем длиннее очередь, тем дольше идет обновления, и тогда мы чувствуем, что у нас тормозит система. А когда у нас 2 ядра, то очередь делится наполовину, т. е. 50 приложений на одном и 50 на другом, следовательно, их проще и быстрее обновлять. Важно знать, что очередь становится меньше и наши приложения быстрее обновляются.
Для теста потока запустите winrar, чтобы сжимать большой файл, и посмотрите в диспетчере (он сжимает в один поток), сколько ресурсов процессора он будет использовать (25%- на 4-ех ядерном и 50% на 2-ух). Из этого следует, что нашей игре, если она работает в один поток в четырехъядерном процессоре, будет выделено 25 % мощности процессора, 50%, если в двухъядерном. В играх у нас многопоточность присутствует, но главный поток в игре все равно будет обрабатываться на четверть процессора (в четырехъядерном).
Все рассматривалось упрощенно, 2-х ядерный с большей частотой подходит лучше для игр, так как больше частоты выделяется одному потоку, а 4-х ядерный подходит для много-поточных данных, например, множество запущенных одновременно приложений.
У 2-ух ядерного процессора i5 есть технология позволяющая имитировать работу системы, как с 4-х ядерным процессором. Фактически есть только 2 ядра, но для Windows имитируется работа 4-х ядер. 4 очереди (потока) по 2 очереди (потока) на ядро обрабатываются по очереди. Каждое ядро берет по порции каждого из потоков, то есть он способен быть четырехъядерным.