Mitä ovat prosessorin ytimet ja säikeet?

Informatec Digital » Resurssit » Mitä ovat prosessorin ytimet ja säikeet?

Kun alkaa tutkia prosessorin teknisiä tietoja, on helppo eksyä valtavan datamäärän sekaan: taajuus, välimuisti, TDP… ja tietysti kuuluisa osio ytimien ja säikeiden lukumäärästä . Nämä ovat termejä, joita toistetaan kaikkialla, mutta jotka silti aiheuttavat melkoisesti hämmennystä jopa kokeneiden käyttäjien keskuudessa.

Suorittimen ytimien ja säikeiden ymmärtäminen ei ole vain tekninen asia. Se vaikuttaa suoraan tietokoneen suorituskykyyn käytännössä, moniajon sujuvuuteen ja pelien, videonmuokkausohjelmistojen ja virtuaalikoneiden suorituskykyyn. Vaikka peruskäyttäjä pystyy hallitsemaan nämä asiat ilman syvällistä perehtymistä, näiden käsitteiden hallitseminen on ratkaisevan tärkeää kaikille, jotka ohjelmoivat, rakentavat tietokoneita tai haluavat tehdä tietoon perustuvia ostopäätöksiä.

Mitä ovat prosessorin ytimet?

Pienen sirun, jota kutsumme suorittimeksi (CPU), sisällä on piilossa useita logiikkalohkoja, jotka toimivat täysin itsenäisinä laskentayksiköinä . Nämä lohkot ovat ytimiä. Jokainen ydin voi ottaa ohjeita RAM-muistista, käsitellä ne synkronoidusti suorittimen kellon kanssa ja palauttaa tuloksia, aivan kuten pieni aivot pääsirun sisällä.

Vanhemmissa prosessoreissa oli vain yksi ydin, joka pystyi suorittamaan yhden käskyn kellojaksoa kohden . Tätä kapasiteettia mitattiin megahertseinä (MHz) tai gigahertseinä (GHz): mitä korkeampi taajuus, sitä enemmän käskyjä sekunnissa se pystyi suorittamaan. Nykyään kellotaajuuden nostamisen lisäksi valmistajat ovat moninkertaistaneet ytimien määrän lisätäkseen merkittävästi raakaa prosessointitehoa.

Jokainen ydin toimii fyysisenä aliprosessorina, joka on integroitu samaan koteloon . Neliydinsuoritin on kuin neljä prosessoria toimisi rinnakkain samalla sirulla. Tämä tarkoittaa, että yhden syklin aikana suoritin voi käsitellä neljää eri käskyä samanaikaisesti, mikä moninkertaistaa laskentatehon, kunhan käyttöjärjestelmä ja ohjelmat pystyvät hyödyntämään sitä.

On tärkeää korostaa, että ytimet ovat fyysisiä komponentteja, eivätkä virtuaalisia tai ohjelmiston simuloimia . Ne koostuvat miljoonista transistoreista ja piireistä, jotka toteuttavat aritmeettiset yksiköt, ohjausyksiköt, sisäiset rekisterit ja muut elementit, jotka mahdollistavat käskysyklin (nouto, dekoodaus, suoritus ja tuloksen kirjoittaminen) toistuvan suorittamisen.

Nykyään kuluttajamarkkinoilla on yleistä löytää prosessoreita, joissa on 2, 4, 6, 8 ja jopa yli 10 ydintä , kun taas työasemissa ja palvelimissa on tyypillisesti vielä suurempia määriä, kuten 16, 32 tai enemmän fyysisiä ytimiä. Mitä enemmän ytimiä on, sitä enemmän tehtäviä voidaan käsitellä samanaikaisesti, mikä on erityisen hyödyllistä ammattisovelluksille, palvelimille tai työnkuluille, joissa on paljon rinnakkaista työmäärää.

Mitä ovat prosessorin säikeet ja miten ne toimivat?

Vaikka ytimet ovat fyysisiä komponentteja, säikeet (tai aliprosessit) ovat loogisia tai virtuaalisia kokonaisuuksia, jotka edustavat suoritusvirtaa ohjelman sisällä ja jotka käyttöjärjestelmä voi ajoittaa yhden tai useamman ytimen kesken. Säie on pohjimmiltaan sarja käskyjä, jotka voidaan suorittaa muista riippumatta, omilla kontekstitiedoillaan.

Voimme tarkastella säiettä polkuna, jonka koodipätkä kulkee prosessorin läpi . Jokaisella säikeellä on omat suoritusrekisterinsä, oma pinonsa ja ohjelmalaskuri, joka osoittaa, mikä käsky tulisi suorittaa milläkin hetkellä. Käyttöjärjestelmä vastaa näiden säikeiden osoittamisesta käytettävissä oleville ytimille ja suorittimen ajan jakamisesta niiden kesken mahdollisimman tehokkaasti.

Ohjelmoinnissa erotetaan toisistaan ​​yksisäikeiset ja monisäikeiset sovellukset . Yksisäikeisellä ohjelmalla on vain yksi suorituskulku: käskyt suoritetaan peräkkäin, ehdottoman peräkkäin. Monisäikeisessä sovelluksessa työ puolestaan ​​on jaettu useiden säikeiden kesken, jotka voivat toimia rinnakkain ja jakaa resursseja, mutta suorittaa toimintoja samanaikaisesti.

Tämä työmäärän jakamismenetelmä mahdollistaa yhden ohjelman suorittaa useita toimintoja samanaikaisesti . Esimerkiksi videonmuokkausohjelma voi omistaa yhden säikeen graafiselle käyttöliittymälle, toisen renderöinnille, kolmannen äänelle ja niin edelleen. Jos suorittimen ytimiä ja säikeitä on riittävästi, nämä ohjelman osat toimivat samanaikaisesti, mikä parantaa vasteaikoja ja vähentää viiveen tunnetta.

Käytännössä monet nykyaikaiset prosessorit käyttävät samanaikaisia ​​monisäikeistystekniikoita, kuten SMT:tä tai Hyper-Threadingia, joiden avulla jokainen fyysinen ydin voi käsitellä kahta suoritussäiettä samanaikaisesti . Tämä selittää, miksi suorittimissa on esimerkiksi 6 ydintä ja 12 säiettä: fyysisiä yksiköitä on kuusi, mutta jokainen voi kuljettaa kahta eri käskyvirtaa samanaikaisesti, mikä hyödyntää paremmin muuten käyttämättöminä olevia sisäisiä yksiköitä. Intelin Hyper-Threading- teknologia on tästä tunnettu esimerkki.

Ohjelmien, prosessien ja säikeiden välinen suhde

Säikeiden roolin täydelliseksi ymmärtämiseksi on hyödyllistä palata taaksepäin ja tarkastella, miten työ on järjestetty käyttöjärjestelmässä. Ohjelma on yksinkertaisesti joukko ohjeita, jotka on tallennettu levylle (sovellukset, ajurit, itse käyttöjärjestelmä jne.) binäärimuodossa ja jotka ovat valmiita ladattaviksi muistiin tarvittaessa.

Kun suoritat ohjelman, järjestelmä luo ainakin yhden prosessin, joka latautuu RAM-muistiin . Tämä prosessi sisältää suoritettavan koodin, tiedot, tarvittavat resurssit (tiedostokuvaukset, varatun muistin jne.) ja kontekstin, jota käyttöjärjestelmä hallitsee huolellisesti. Jokainen prosessi sijaitsee tietyssä muistitilassa, erillään muista, mikä tarjoaa vakautta ja turvallisuutta.

Prosessi tarvitsee toimiakseen tiettyjä peruselementtejä: ohjelmalaskurin, joka osoittaa seuraavaksi suoritettavan käskyn, sarjan rekistereitä, joihin tallennetaan väliaikaista dataa ja ohjaustietoja, sekä pinomuistin, joka tallentaa aktiivisten funktioiden tiedot. Kaikki tämä tallennetaan ja palautetaan jatkuvasti, kun järjestelmä vaihtaa prosessista toiseen.

Mielenkiintoista on, että jokainen prosessi toimii itsenäisesti muista . Tämän itsenäisyyden ansiosta, jos yksi sovellus kaatuu, muu järjestelmä voi jatkaa toimintaansa. Tämä kyky hallita useita prosesseja mahdollistaa moniajon: internetin selaamisen musiikin kuuntelun ohella, sähköpostin tarkistamisen ja tiedostojen lataamisen samanaikaisesti.

Jokaisen prosessin sisällä on suoritussäikeitä. Säie on pienin työyksikkö, jonka käyttöjärjestelmä voi varata suorittimelle . Prosessi voi koostua yhdestä säikeestä (yksinkertaisin tapaus) tai useista säikeistä, jotka jakavat saman muistitilan ja prosessointiresurssit, mutta suoritetaan rinnakkain.

Yksilankaiset ja monilankaiset prosessit

Yksisäikeisessä prosessissa kaikki ohjelmakoodi suoritetaan yhtenä käskyjonona . Tämä tarkoittaa, että jos yhden ohjelman osan suorittaminen kestää kauan (esimerkiksi hidas levyn käyttö tai raskas laskenta), sovelluksen muu osa voi olla jumiutunut, kunnes kyseinen toiminto on valmis, mikä luo vaikutelman hitaudesta tai jumiutumisesta.

Kun prosessi on monisäikeinen, sen tehtävä jaetaan useisiin pienempiin aliprosesseihin, joita kutsutaan säikeiksi . Nämä säikeet jakavat muistia ja resursseja, mutta jokaisella on oma rekisteripino ja ohjelmalaskuri. Tällä tavoin kaksi tai useampia ohjelman osia voidaan suorittaa samanaikaisesti, mikä lyhentää odotusaikoja ja hyödyntää paremmin käytettävissä olevia ytimiä.

Esimerkiksi verkkoselaimella voi olla yksi säie käyttöliittymää varten, toinen sivujen lataamista varten, kolmas JavaScript-koodin suorittamista varten ja kolmas videon toistamista varten. Jos suorittimen ytimiä ja säikeitä on useita, kaikki nämä säikeet voivat toimia samanaikaisesti , mikä johtaa paljon sujuvampaan käyttökokemukseen.

Olennaista on, että useamman säikeen myötä samanaikaisten laskelmien määrä kasvaa merkittävästi . Tämä ei tarkoita, että itse suoritin olisi nopeampi, vaan pikemminkin sitä, että se voi pitää sisäiset yksikkönsä kiireisinä useammilla rinnakkaisilla töillä. Tämä tarkoittaa parempaa laitteiston käyttöastetta, erityisesti ohjelmissa, jotka on erityisesti suunniteltu toimimaan useiden säikeiden kanssa.

Monisäikeistystekniikkaa hyödyntävissä prosessoreissa kaksisäikeinen ydin ei kirjaimellisesti suorita kahta käskyä samassa syklissä 100 %:n tehokkuudella, mutta se voi vaihtaa kahden säikeen välillä niin nopeasti , että tuntuu siltä kuin ne toimisivat rinnakkain. Käyttöjärjestelmä varaa kullekin säikeelle pieniä "suoritinajan siivuja", ja niiden välinen vaihto tapahtuu sekunnin murto-osissa käyttäjän huomaamatta.

Ytimien ja säikeiden väliset perustavanlaatuiset erot

Keskeinen ero on, että ytimet ovat fyysisiä prosessointiyksiköitä , kun taas säikeet ovat loogisia kokonaisuuksia, jotka edustavat näissä ytimissä suoritettavia tehtäviä tai aliprosesseja. Ydin voi olla olemassa ilman ylimääräisiä SMT-säikeitä (vain yhden käskyvirran suorittaminen), mutta säie, olipa se kuinka virtuaalinen tahansa, vaatii aina fyysisen ytimen jossain vaiheessa suoriutuakseen.

Kun tarkastellaan suorittimen teknisiä tietoja, nähdään yhdistelmiä, kuten "4 ydintä / 8 säiettä" tai "6 ydintä / 12 säiettä". Tämä tarkoittaa, että jokainen fyysinen ydin voi käsitellä kahta suoritussäiettä samanaikaisesti . 6-ytimisessä, 12-säikeisessä suorittimessa käyttöjärjestelmä näkee 12 loogista yksikköä, joille tehtäviä ajoitetaan, vaikka piisirun tasolla on vain 6 kokonaista suorituslohkoa.

Käytännössä ytimet määrittävät, kuinka monta aidosti itsenäistä tehtävää suoritin voi suorittaa samanaikaisesti , kun taas säikeet hienosäätävät näiden ydinten käyttöä minimoiden joutoaikaa ja mahdollistaen useampia samanaikaisia ​​säikeitä. Tästä syystä säikeiden sanotaan lisäävän tehokkuutta, mutta merkittävä todellisen kapasiteetin harppaus tulee aina lisäämällä fyysisiä ytimiä.

Lyhyesti sanottuna ytimet tarjoavat fyysisen voiman, kun taas säikeet organisoivat työtä paremmin . Hyvä tasapaino näiden kahden välillä tekee kaiken eron järjestelmän kokonaissuorituskyvyssä, erityisesti käsiteltäessä intensiivistä moniajoa tai vaativia ammattitason ohjelmistoja.

Ytimet vai säikeet: kumpi on tärkeämpää käyttötarkoituksesta riippuen

Tyypillinen kysymys suoritinta ostettaessa on, pitäisikö priorisoida enemmän fyysisiä ytimiä vai enemmän loogisia säikeitä . Vastaus riippuu pitkälti siitä, miten aiot käyttää tietokonetta ja miten yleensä käyttämäsi sovellukset on ohjelmoitu.

Tehtävissä, jotka käyttävät laitteistoa paljon, kuten vaativissa peleissä, edistyneessä videonmuokkauksessa, 3D-renderöinnissä tai virtuaalikoneiden suorittamisessa, suuri määrä fyysisiä ytimiä on yleensä edullisempaa . Nämä työkuormit hyötyvät kyvystä jakaa suuria tehtäviä useille fyysisille ytimille sen sijaan, että luotettaisiin pelkästään muutaman ytimen loogisiin säikeisiin.

Arkipäiväisemmässä käytössä, kuten selaamisessa, dokumenttien kanssa työskentelyssä, useiden kevyiden sovellusten samanaikaisessa käytössä tai multimediasisällön kuluttamisessa, tehokas säikeiden hallinta voi tehdä suuremman eron . Vaikka ytimiä olisi vähän, jos suoritin tukee useita säikeitä ydintä kohden ja järjestelmä jakaa ne hyvin, kokonaiskokemus on sujuva ja reagoiva.

Ohjelmistokehityksessä on elintärkeää ymmärtää perusteellisesti, miten ytimiä ja säikeitä hallitaan. Huonosti rinnakkaistava ohjelma ei välttämättä hyödynnä prosessoria, jossa on useita säikeitä tai useita ytimiä , kun taas hyvin suunniteltu sovellus skaalautuu erittäin hyvin käytettävissä olevien ytimien määrän kasvaessa. Jotkut ohjelmistot on optimoitu useille loogisille säikeille, kun taas toiset ohjelmistot osaavat hyödyntää vain muutamaa erittäin tehokasta ydintä.

Yksinkertaisesti sanottuna useimmille kotikäyttäjille 4–6-ytiminen suoritin ja hyvä määrä säikeitä tarjoaa yleensä hyvän tasapainon hinnan ja suorituskyvyn välillä . Sisällöntuottajille, innokkaille pelaajille tai vaativia ohjelmia käyttäville ammattilaisille päivittäminen 8, 10 tai useampaan ytimeen on paljon järkevämpää, varsinkin jos kyseiset sovellukset on suunniteltu hyödyntämään monisäikeisyyttä.

Kuinka selvittää, kuinka monta ydintä ja säiettä suorittimessasi on

Jos haluat tarkistaa tietokoneesi ydinten ja säikeiden määrän, käyttöjärjestelmä itsessään tarjoaa hyvin yksinkertaisia ​​työkaluja sen tekemiseen ilman lisäasennuksia . Tämä on hyödyllistä sen selvittämiseksi, täyttääkö laitteistosi tietyn ohjelman tai pelin vaatimukset, tai sen arvioimiseksi, kannattaako prosessoria todella päivittää.

Windows 10:ssä tai 11:ssä voit avata Käynnistä-painikkeen pikavalikon ja siirtyä "Järjestelmä"-osioon nähdäksesi asennetun suorittimen mallin . Näiden tietojen avulla voit etsiä valmistajan verkkosivustolta, kuinka monta ydintä ja säiettä se tukee. Lisäksi Tehtävienhallinnassa " Suorituskyky"-välilehdellä näkyy kaavioita loogisen suorittimen mukaan, jotka antavat käsityksen järjestelmän käyttämien säikeiden määrästä.

Jos haluat tarkempia tietoja, Tehtävienhallinnassa itsessään on linkki Resurssien valvontaan , josta näet prosessien ja säikeiden erittelyn sekä niiden suorittimen käytön. Jokainen "säike"-merkintä siellä vastaa järjestelmän hallitsemaa suoritussäikettä.

macOS:ssä suorittimen perustiedot löytyvät Omenavalikosta kohdasta "Tietoja tästä Macista" ja sitten "Järjestelmäraportti ". Sieltä näet suorittimen nimen ja virallisten tietojen avulla voit selvittää fyysisten ytimien ja säikeiden määrän. Järjestelmän valvonta näyttää myös kunkin avoimen sovelluksen säikeiden määrän.

Näiden työkalujen avulla saat selkeän kuvan siitä, kuinka paljon rinnakkaissuoritustehoa sinulla todellisuudessa on käytettävissäsi ja käyttävätkö ohjelmasi ytimiä vai käyttävätkö ne vain yhtä tai kahta, jolloin loput ovat lähes käyttämättömiä.

Kuinka monta suorittimen ydintä sinun pitäisi valita käyttötarkoituksesi mukaan?

Ihanteellinen ydinten määrä ei ole sama kaikille. Se riippuu päivittäin suorittamiesi tehtävien tyypeistä ja siitä, onko suosikkisovelluksesi optimoitu hyödyntämään useita ytimiä ja säikeitä . Enemmän ei ole aina parempi, mutta on tärkeää löytää oikea alue.

Hyvin peruskäyttöön (selailu, yksinkertaiset toimistotehtävät, sähköposti, videoiden katselu) kaksi fyysistä ydintä riittää yleensä , vaikka nykyään on suositeltavaa käyttää vähintään neljä ydintä, jotta saadaan pelivaraa tulevia ohjelmistopäivityksiä ja hieman intensiivisempää moniajoa varten.

Jos pelaat tyypillisesti vähemmän vaativia pelejä, teet kevyttä valokuvien tai videoiden muokkausta ja pidät useita sovelluksia auki samanaikaisesti, järkevin vaihtoehto on etsiä neliydinprosessori, joka tukee monisäikeisyyttä. Parannus kaksiydinprosessoriin verrattuna on merkittävä yleisen sujuvuuden, latausaikojen ja useiden ohjelmien samanaikaisen käsittelykyvyn kannalta.

Vaativissa peleissä, vakavammassa sisällöntuotannossa (korkean resoluution videonmuokkaus, usein toistuva 3D-renderöinti) tai virtuaalikoneiden käytössä siirtyminen 6–8 ytimen luokkaan tarjoaa valtavan suorituskyvyn parannuksen. Monet nykyaikaiset pelit pystyvät hyödyntämään 6 tai 8 ydintä varsin tehokkaasti, ja editointi- ja renderöintiohjelmat skaalautuvat tyypillisesti erittäin hyvin jokaisen lisäytimen myötä.

Yli 10 ytimen tapauksessa puhumme järjestelmistä, jotka on suunniteltu erittäin vaativiin tilanteisiin: huippuluokan pelaamiseen samanaikaisella suoratoistolla , ammattimaiseen 3D-renderöintiin ja -animaatioon, monimutkaisiin simulaatioihin tai työasemiin ja palvelimiin, jotka suorittavat useita tehtäviä rinnakkain. Näissä tapauksissa mitä enemmän ytimiä ja säikeitä on (edellyttäen, että ohjelmisto hyödyntää niitä tehokkaasti), sitä parempi on kapasiteetti käsitellä massiivisia työkuormia.

Ytimien ja säikeiden määrän vaikutus suorituskykyyn

Useampien ydinten ja säikeiden käyttö muuttaa merkittävästi järjestelmän käyttäytymistä kuormituksen aikana. Usean ytimen sisältävä suoritin pystyy käsittelemään useita samanaikaisia ​​tehtäviä ilman, että yksi estäisi toista , mikä johtaa nopeampiin vasteaikoihin, vähemmän nykimiseen ja suurempaan vakauteen, kun tietokone toimii täydellä kapasiteetilla.

Moniajo on yksi alueista, joilla tämä on huomattavinta. Useiden ydinten ja säikeiden ansiosta käyttöjärjestelmä voi jakaa sovelluksia eri loogisten suorittimien kesken , jolloin yhden suorittimen hoitaessa pitkän laskutoimituksen toiset voivat jatkaa käyttäjälle vastaamista. Tämä mahdollistaa esimerkiksi pelin pelaamisen samalla, kun jotakin renderöidään taustalla tai tallennetaan pelivideota.

Videopeleissä useimmat nykyaikaiset pelit skaalautuvat tyypillisesti hyvin 4 tai 6 ytimeen, ja jotkut huippuluokan pelit hyödyntävät kahdeksaa fyysistä ydintä . Näissä tapauksissa näytönohjaimen lisäksi prosessorin on käsiteltävä fysiikkaa, tekoälyä, pelilogiikkaa, verkkoa ja niin edelleen. Näiden tehtävien jakaminen useille ytimille ja säikeille auttaa ylläpitämään vakaampaa kuvataajuutta, erityisesti erittäin vaativissa kohtauksissa.

Sisällöntuotannossa, kuten ammattimaisessa videonmuokkauksessa, 3D-renderöinnissä tai laajamittaisessa valokuvien käsittelyssä, ytimien lukumäärällä on ratkaiseva rooli. Monet renderöintimoottorit, videoenkooderit ja ammattityökalut on suunniteltu skaalautumaan lähes lineaarisesti jokaisen lisäytimen myötä , joten siirtyminen neljästä kahdeksaan ytimeen voi puolittaa vientiajat tietyillä työkuormilla.

Palvelin- ja työasemaympäristöissä kymmenien käyttäjien, virtuaalikoneiden tai samanaikaisten palveluiden käsittely vaatii erittäin suuria ydinmääriä , usein 16 tai enemmän. Jokaisella palvelulla tai koneella voi olla useita ytimiä ja säikeitä varattuna, ja silti tilaa uusille tehtäville on edelleen, mikä lisää merkittävästi järjestelmän kokonaiskapasiteettia.

On kuitenkin tärkeää muistaa, että kaikki ohjelmat eivät hyödynnä täysimääräisesti lisäytimiä . Monet ohjelmat ovat edelleen vahvasti riippuvaisia ​​yhdestä pääseimästä, joten kunkin ytimen nopeus (taajuus ja suorituskyky sykliä kohden) on edelleen ratkaisevan tärkeää. Ihannetapauksessa kohtuullinen määrä ytimiä tulisi yhdistää hyvään taajuuteen antamatta pelkästään säikeiden määrään liittyvän markkinointihypetyksen vaikuttaa.

Kaiken tämän huomioon ottaen on selvää, että ytimet ja säikeet toimivat yhdessä määrittääkseen suorittimen todellisen toiminnan : ytimet määrittävät, kuinka monta itsenäistä tehtävää voidaan käsitellä rinnakkain, ja säikeet mahdollistavat näiden tehtävien jakamisen pienempiin, paremmin koordinoituihin osiin. Ymmärtämällä, miten kukin komponentti sopii yhteen, voit valita oikean suorittimen ja arvioida, onko päivittäminen todella kannattavaa päivittäisten tehtäviesi perusteella.