Šta su procesorska jezgra i niti?

Informatec Digital » Resursi » Šta su procesorska jezgra i niti?

Kada počnete gledati specifikacije procesora, lako se izgubiti među toliko podataka: frekvencija, keš memorija, TDP... i, naravno, poznati odjeljak o broju jezgara i niti . To su termini koji se svuda ponavljaju, a ipak izazivaju popriličnu zabunu, čak i među iskusnim korisnicima.

Razumijevanje CPU jezgara i niti nije samo tehničko pitanje. Ono direktno utiče na performanse računara u stvarnom svijetu, koliko glatko teče multitasking i koliko dobro rade igre, softver za uređivanje videa i virtuelne mašine. Dok osnovni korisnik može da se snađe bez previše dubokog ulaženja, savladavanje ovih koncepata je ključno za svakoga ko programira, sastavlja računare ili jednostavno želi da donosi informisane odluke o kupovini.

Šta su procesorska jezgra?

Skriveno unutar malog čipa koji nazivamo CPU nalazi se nekoliko logičkih blokova koji djeluju kao potpuno nezavisne računarske jedinice . Ovi blokovi su jezgre. Svaka jezgra može primati instrukcije iz RAM-a, obrađivati ​​ih sinhronizovano sa taktom procesora i vraćati rezultate, poput malog mozga unutar glavnog čipa.

Stariji procesori su imali samo jednu jezgru sposobnu za izvršavanje jedne instrukcije po taktu . Ovaj kapacitet se mjerio u megahercima (MHz) ili gigahercima (GHz): što je veća frekvencija, to je više instrukcija u sekundi mogao izvršiti. Danas, pored povećanja brzine takta, proizvođači su umnožili broj jezgara kako bi dramatično povećali sirovu procesorsku snagu.

Svaka jezgra djeluje kao fizički podprocesor integriran u isto kućište . Četverojezgreni CPU je kao da imate četiri procesora koji rade paralelno na istom čipu. To znači da CPU u jednom ciklusu može istovremeno obraditi četiri različite instrukcije, množeći računarsku snagu sve dok operativni sistem i programi mogu to iskoristiti.

Važno je naglasiti da su jezgra fizičke komponente, a ne nešto virtuelno ili simulirano softverom . Sastoje se od miliona tranzistora i kola koja implementiraju aritmetičke jedinice, kontrolne jedinice, interne registre i druge elemente koji omogućavaju da se ciklus instrukcija (preuzimanje, dekodiranje, izvršavanje i pisanje rezultata) izvršava više puta.

Danas je na potrošačkom tržištu uobičajeno pronaći procesore s 2, 4, 6, 8, pa čak i više od 10 jezgara , dok radne stanice i serveri obično nude još veći broj, kao što su 16, 32 ili više fizičkih jezgara. Što je više jezgara, to se više zadataka može obraditi istovremeno, što je posebno korisno za profesionalne aplikacije, servere ili radne procese s velikim paralelnim opterećenjem.

Šta su procesorske niti i kako funkcionišu?

Dok su kerneli fizičke komponente, niti (ili podprocesi) su logički ili virtuelni entiteti koji predstavljaju tok izvršavanja unutar programa i koje operativni sistem može rasporediti na jednom ili više kernela. Nit je u suštini niz instrukcija koje se mogu izvršavati nezavisno od ostalih, sa vlastitim kontekstualnim informacijama.

Nit možemo posmatrati kao putanju koju dio koda prolazi kroz procesor . Svaka nit ima svoje registre izvršenja, svoj stek i programski brojač koji pokazuje koja instrukcija treba biti izvršena u bilo kojem trenutku. Operativni sistem je odgovoran za dodjeljivanje ovih niti dostupnim jezgrima i što efikasniju distribuciju CPU vremena među njima.

U programiranju se pravi razlika između jednonitnih i višenitnih aplikacija . Jednonitni program ima samo jedan tok izvršavanja: instrukcije se izvršavaju jedna za drugom, strogo sekvencijalno. S druge strane, u višenitnoj aplikaciji posao je raspoređen između nekoliko niti koje mogu raditi paralelno, dijeleći resurse, ali se izvršavajući istovremeno.

Ova metoda podjele radnog opterećenja omogućava jednom programu da istovremeno izvršava više operacija . Na primjer, video editor može posvetiti jednu nit grafičkom interfejsu, drugu renderiranju, treću zvuku i tako dalje. Ako postoji dovoljno CPU jezgara i niti, ovi dijelovi programa rade istovremeno, poboljšavajući vrijeme odziva i smanjujući osjećaj kašnjenja.

U praksi, mnogi moderni procesori koriste tehnologije simultanog višenitnog rada poput SMT-a ili Hyper-Threadinga, koje omogućavaju svakoj fizičkoj jezgri da istovremeno obrađuje dvije niti izvršavanja . To objašnjava zašto vidite CPU-e sa, na primjer, 6 jezgara i 12 niti: postoji šest fizičkih jedinica, ali svaka od njih može istovremeno nositi dva različita toka instrukcija, što bolje iskorištava interne jedinice koje bi inače bile neaktivne. Intelova Hyper-Threading tehnologija je dobro poznat primjer ovoga.

Veza između programa, procesa i niti

Da bismo u potpunosti razumjeli ulogu niti, korisno je vratiti se nazad i vidjeti kako je rad organizovan u operativnom sistemu. Program je jednostavno skup instrukcija pohranjenih na disku (aplikacije, drajveri, sam operativni sistem itd.) u binarnom formatu, spremnih za učitavanje u memoriju kada je to potrebno.

Kada pokrenete program, sistem kreira barem jedan proces koji se učitava u RAM memoriju . Ovaj proces uključuje izvršni kod, podatke, resurse koji su mu potrebni (deskriptore datoteka, rezerviranu memoriju itd.) i kontekst kojim operativni sistem pažljivo upravlja. Svaki proces se nalazi u specifičnom memorijskom prostoru, izoliranom od ostalih, što pruža stabilnost i sigurnost.

Procesu su potrebni određeni osnovni elementi da bi funkcionisao: programski brojač koji označava sljedeću instrukciju koja će se izvršiti, niz registara u kojima se pohranjuju privremeni podaci i kontrolne informacije i stek koji pohranjuje podatke iz aktivnih funkcija. Sve se ovo stalno pohranjuje i obnavlja kada se sistem prebacuje iz jednog procesa u drugi.

Zanimljivo je da se svaki proces izvršava nezavisno od ostalih . Zahvaljujući toj nezavisnosti, ako se jedna aplikacija sruši, ostatak sistema može nastaviti funkcionirati. Ova sposobnost upravljanja više procesa omogućava okruženje za obavljanje više zadataka istovremeno: pregledavanje interneta uz slušanje muzike, provjeru e-pošte i istovremeno preuzimanje datoteka.

Unutar svakog procesa postoje niti izvršavanja. Nit je najmanja jedinica rada koju operativni sistem može dodijeliti CPU-u . Proces se može sastojati od jedne niti (najjednostavniji slučaj) ili više niti koje dijele isti memorijski prostor i procesorske resurse, ali se izvršavaju paralelno.

Jednožični i višežični procesi

U jednonitnom procesu, sav programski kod se izvršava u jednom toku instrukcija . To znači da ako jedan dio programa traje predugo (na primjer, spora operacija diska ili težak proračun), ostatak aplikacije može biti blokiran dok se ta operacija ne završi, stvarajući osjećaj tromosti ili zamrzavanja.

Kada je proces višenitni, njegov zadatak je podijeljen na nekoliko manjih podprocesa koji se nazivaju niti . Ove niti dijele memoriju i resurse, ali svaka ima svoj vlastiti stek registara i programski brojač. Na taj način, dva ili više dijelova programa mogu se izvršavati istovremeno, smanjujući vrijeme čekanja i bolje iskorištavajući dostupna jezgra.

Na primjer, web preglednik može imati jednu nit za interfejs, drugu za učitavanje stranica, treću za izvršavanje JavaScript koda i treću za reprodukciju videa. Ako postoji više CPU jezgara i niti, sve ove niti mogu se izvršavati istovremeno , što rezultira mnogo glatkijim korisničkim iskustvom.

Ključno je to što se, s više niti, obim simultanih izračuna značajno povećava . To ne znači da je sam CPU brži, već da može zauzeti svoje interne jedinice s više paralelnog rada. To se prevodi u bolje iskorištenje hardvera, posebno u programima posebno dizajniranim za rad s mnogo niti.

U procesorima s višenitnom tehnologijom, dvostruko jezgro ne izvršava doslovno dvije instrukcije u istom ciklusu sa 100% efikasnošću, ali može prelaziti između dvije niti tako brzo da se čini kao da rade paralelno. Operativni sistem dodjeljuje male "dijelove CPU vremena" svakoj niti, a prebacivanje između njih se događa u djelićima sekunde, neprimjetno za korisnika.

Fundamentalne razlike između jezgara i pramenova

Ključna razlika je u tome što su jezgre fizičke procesorske jedinice , dok su niti logički entiteti koji predstavljaju zadatke ili podprocese koji se izvršavaju na tim jezgrama. Jezgro može postojati bez dodatnih SMT niti (jednostavnim izvršavanjem jednog toka instrukcija), ali nit, ma koliko virtuelna bila, uvijek zahtijeva fizičku jezgru u nekom trenutku za izvršavanje.

Kada pogledate specifikacije CPU-a, vidjet ćete kombinacije poput "4 jezgre / 8 niti" ili "6 jezgri / 12 niti". To znači da svaka fizička jezgra može istovremeno obraditi dvije niti izvršavanja . U procesoru sa 6 jezgara i 12 niti, operativni sistem vidi 12 logičkih jedinica na kojima planira zadatke, iako na nivou silicija postoji samo 6 kompletnih blokova za izvršavanje.

U praktičnom smislu, jezgre određuju koliko zaista nezavisnih zadataka CPU može istovremeno obavljati , dok niti fino podešavaju iskorištenost tih jezgri, minimizirajući vrijeme mirovanja i omogućavajući više istovremenih niti. Zbog toga se kaže da niti povećavaju efikasnost, ali značajan skok u stvarnom kapacitetu uvijek dolazi od dodavanja više fizičkih jezgri.

Ukratko, jezgre pružaju fizičku snagu, dok niti bolje organiziraju rad . Dobra ravnoteža između ta dva čini veliku razliku u ukupnim performansama sistema, posebno kada se radi o intenzivnom multitaskingu ili zahtjevnom profesionalnom softveru.

Jezgre ili niti: šta je važnije u zavisnosti od upotrebe

Tipično pitanje pri kupovini CPU-a je da li dati prioritet većem broju fizičkih jezgara ili većem broju logičkih niti . Odgovor uveliko zavisi od toga kako namjeravate koristiti računar i kako su programirane aplikacije koje obično koristite.

U zadacima koji intenzivno koriste hardver, kao što su zahtjevne igre, napredna montaža videa, 3D renderiranje ili pokretanje virtuelnih mašina, posjedovanje velikog broja fizičkih jezgara je obično korisnije . Ova opterećenja imaju koristi od mogućnosti distribucije velikih zadataka na više fizičkih jezgara, umjesto oslanjanja isključivo na logičke niti na nekoliko jezgara.

Za svakodnevnu upotrebu, kao što je pregledavanje, rad s dokumentima, istovremeno korištenje nekoliko laganih aplikacija ili konzumiranje multimedijalnog sadržaja, efikasno upravljanje nitima može napraviti veću razliku . Čak i sa malim brojem jezgara, ako CPU podržava više niti po jezgri i sistem ih dobro raspoređuje, cjelokupno iskustvo će biti glatko i brzog odziva.

U razvoju softvera, temeljno razumijevanje načina upravljanja jezgrama i nitima je od vitalnog značaja. Loše paralelizirani program možda neće iskoristiti prednosti procesora s mnogo niti ili mnogo jezgara , dok se dobro dizajnirana aplikacija vrlo dobro skalira kako se broj dostupnih jezgara povećava. Neki softveri su optimizirani za mnogo logičkih niti, dok drugi softveri znaju kako iskoristiti samo nekoliko vrlo moćnih jezgara.

Vrlo jednostavno rečeno, za većinu kućnih korisnika, CPU sa 4 do 6 jezgara i dobrim brojem niti obično nudi odličan balans između cijene i performansi . Za kreatore sadržaja, entuzijastične igrače ili profesionalce koji koriste zahtjevne programe, nadogradnja na 8, 10 ili više jezgara ima mnogo više smisla, posebno ako su te aplikacije dizajnirane da iskoriste prednosti višenitnog rada.

Kako saznati koliko jezgara i niti ima vaš CPU

Ako želite provjeriti koliko jezgara i niti ima vaš računar, sam operativni sistem nudi vrlo jednostavne alate za to bez instaliranja ičega dodatnog . Ovo je korisno za saznanje da li vaš hardver ispunjava zahtjeve određenog programa ili igre ili za procjenu da li se zaista isplati nadograditi vaš procesor.

U Windowsu 10 ili 11, možete otvoriti kontekstni meni dugmeta Start i otići na odjeljak "Sistem" da biste vidjeli instalirani model procesora . Pomoću tih informacija možete pretražiti web stranicu proizvođača i provjeriti koliko jezgara i niti podržava. Osim toga, Upravitelj zadataka , na kartici "Performanse", prikazuje grafikone po logičkom CPU-u koji vam daju predstavu o broju niti koje sistem koristi.

Ako želite detaljnije informacije, sam Upravitelj zadataka ima vezu do Monitora resursa , gdje možete vidjeti pregled procesa i niti zajedno s njihovom upotrebom CPU-a. Svaki unos "niti" tamo odgovara niti izvršavanja kojom upravlja sistem.

Na macOS-u, osnovne informacije o CPU-u mogu se pronaći u Apple meniju, pod "O ovom Macu", a zatim "Izvještaj o sistemu ". Tamo možete vidjeti naziv procesora i, konsultujući službene specifikacije, saznati broj fizičkih jezgara i niti. Activity Monitor također prikazuje broj niti koje svaka otvorena aplikacija ima.

Pomoću ovih alata možete dobiti jasnu predstavu o tome koliko paralelne procesorske snage zapravo imate na raspolaganju i da li vaši programi zasićuju jezgre ili jednostavno koriste jednu ili dvije, ostavljajući ostale gotovo neaktivnima.

Koliko jezgara CPU-a biste trebali odabrati ovisno o vašoj upotrebi?

Idealan broj jezgara nije isti za svakoga. To zavisi od vrsta zadataka koje svakodnevno obavljate i od toga da li su vaše omiljene aplikacije optimizovane da iskoriste prednosti više jezgara i niti . Više nije uvijek bolje, ali je važno pronaći pravi raspon.

Za vrlo osnovnu upotrebu (pretraživanje interneta, jednostavni kancelarijski zadaci, e-pošta, gledanje videa) obično su dovoljne 2 fizičke jezgre , iako je danas preporučljivije odabrati barem 4 kako bi se dobila margina za buduća ažuriranja softvera i nešto intenzivniji multitasking.

Ako obično igrate manje zahtjevne igre, radite laganu obradu fotografija ili videa i držite nekoliko aplikacija otvorenih istovremeno, najrazumnija opcija je potražiti četverojezgreni procesor s podrškom za višenitnost. Poboljšanje u odnosu na dvojezgreni procesor je značajno u smislu ukupne glatkoće, vremena učitavanja i mogućnosti istovremenog pokretanja više programa.

Za zahtjevne igre, ozbiljnije kreiranje sadržaja (montaža videa visoke rezolucije, često 3D renderiranje) ili korištenje virtualnih mašina, prelazak na raspon od 6-8 jezgara nudi ogroman skok u performansama. Mnogi moderni naslovi mogu prilično efikasno iskoristiti 6 ili 8 jezgara, a programi za montažu i renderiranje obično se vrlo dobro skaliraju sa svakom dodatnom jezgrom.

Iznad 10 jezgara, govorimo o sistemima dizajniranim za vrlo zahtjevne scenarije: vrhunsko igranje sa istovremenim streamingom , profesionalno 3D renderiranje i animaciju, složene simulacije ili radne stanice i servere koji paralelno izvršavaju mnogo zadataka. U tim slučajevima, što je više jezgara i niti (pod uslovom da ih softver dobro koristi), to je bolji kapacitet za obradu ogromnih opterećenja.

Utjecaj broja jezgara i niti na performanse

Veći broj jezgara i niti značajno mijenja ponašanje sistema pod opterećenjem. CPU s više jezgara može obraditi mnogo istovremenih zadataka bez da jedno blokira drugo , što rezultira bržim vremenom odziva, manjim brojem zastoja i većom stabilnošću kada vaš računar radi punim kapacitetom.

Multitasking je jedno od područja gdje je ovo najuočljivije. Posjedovanje više jezgara i niti omogućava operativnom sistemu da distribuira aplikacije između različitih logičkih CPU-a , tako da dok jedan obrađuje dugačke proračune, drugi mogu nastaviti odgovarati korisniku. To je ono što omogućava, na primjer, igranje igre dok se nešto renderira u pozadini ili snima video igranja.

U video igrama, većina modernih naslova se obično dobro skalira na 4 ili 6 jezgara, a neke vrhunske igre koriste prednosti 8 fizičkih jezgara . U tim slučajevima, pored grafičke kartice, procesor mora da se bavi fizikom, vještačkom inteligencijom, logikom igre, umrežavanjem i tako dalje. Raspodjela ovih zadataka na više jezgara i niti pomaže u održavanju stabilnijih brzina kadrova, posebno u vrlo zahtjevnim scenama.

U kreiranju sadržaja, kao što su profesionalna video montaža, 3D renderiranje ili obrada fotografija velikih razmjera, broj jezgri igra ključnu ulogu. Mnogi renderirajući mehanizmi, video enkoderi i profesionalni alati dizajnirani su da se skaliraju gotovo linearno sa svakom dodatnom jezgrom , tako da prelazak sa 4 na 8 jezgri može prepoloviti vrijeme izvoza pod određenim opterećenjima.

U serverskim i radnim okruženjima, rukovanje desetinama korisnika, virtuelnih mašina ili istovremenih servisa zahtijeva vrlo veliki broj jezgara , često 16 ili više. Svaki servis ili mašina može imati nekoliko rezervisanih jezgara i niti, a i dalje imati prostora za nove zadatke, što značajno povećava ukupni kapacitet sistema.

Međutim, važno je zapamtiti da ne koriste svi programi u potpunosti dodatne jezgre . Mnogi programi se i dalje uveliko oslanjaju na jednu glavnu nit, tako da brzina svake jezgre (frekvencija i performanse po ciklusu) ostaje ključna. Idealno bi bilo da kombinujete razuman broj jezgri s dobrom frekvencijom, a da vas ne vodi isključivo marketinška pompa oko broja niti.

Imajući sve ovo u vidu, jasno je da jezgre i niti rade zajedno kako bi odredili stvarno ponašanje CPU -a : jezgre određuju koliko nezavisnih zadataka se može obraditi paralelno, a niti omogućavaju da se ovi zadaci razbiju na manje, bolje koordinirane dijelove. Razumijevanje kako se svaka komponenta uklapa pomaže vam da odaberete pravi procesor i procijenite da li se nadogradnja zaista isplati na osnovu vaših svakodnevnih zadataka.