Što su jezgre i niti procesora?

Informatec Digital » Resursi » Što su procesorske jezgre i niti?

Kada počnete gledati specifikacije procesora, lako se izgubiti među toliko podataka: frekvencija, predmemorija, TDP… i, naravno, poznati odjeljak o broju jezgri i niti . To su pojmovi koji se ponavljaju posvuda, a ipak stvaraju popriličnu zbrku, čak i među iskusnim korisnicima.

Razumijevanje jezgri i niti CPU-a nije samo tehničko pitanje. Izravno utječe na performanse računala u stvarnom svijetu, koliko glatko teče multitasking te koliko dobro rade igre, softver za uređivanje videa i virtualni strojevi. Dok osnovni korisnik može upravljati bez previše dubokog ulaženja, savladavanje ovih koncepata ključno je za svakoga tko programira, sastavlja računala ili jednostavno želi donositi informirane odluke o kupnji.

Što su procesorske jezgre?

Unutar malog čipa koji nazivamo CPU skriveno je nekoliko logičkih blokova koji djeluju kao potpuno neovisne računalne jedinice . Ti blokovi su jezgre. Svaka jezgra može primati instrukcije iz RAM-a, obrađivati ​​ih sinkronizirano s taktom procesora i vraćati rezultate, poput sićušnog mozga unutar glavnog čipa.

Stariji procesori imali su samo jednu jezgru sposobnu za izvršavanje jedne instrukcije po taktu . Taj se kapacitet mjerio u megahercima (MHz) ili gigahercima (GHz): što je veća frekvencija, to je više instrukcija u sekundi mogao izvršiti. Danas, osim povećanja brzine takta, proizvođači su umnožili broj jezgri 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 računalnu snagu sve dok operativni sustav i programi to mogu iskoristiti.

Važno je naglasiti da su kerneli fizičke komponente, a ne nešto virtualno ili simulirano softverom . Sastoje se od milijuna tranzistora i sklopova koji implementiraju aritmetičke jedinice, upravljačke jedinice, interne registre i druge elemente koji omogućuju ponovljeno izvršavanje ciklusa instrukcija (dohvaćanje, dekodiranje, izvršavanje i zapisivanje rezultata).

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

Što su procesorske niti i kako rade?

Dok su jezgre fizičke komponente, niti (ili podprocesi) su logički ili virtualni entiteti koji predstavljaju tok izvršavanja unutar programa i koje operativni sustav može rasporediti na jednoj ili više jezgri. Nit je u biti niz instrukcija koje se mogu izvršavati neovisno od ostalih, s vlastitim kontekstualnim informacijama.

Nit možemo promatrati kao put kojim dio koda prolazi kroz procesor . Svaka nit ima vlastite registre izvršenja, vlastiti stog i programski brojač koji pokazuje koja se instrukcija treba izvršiti u bilo kojem trenutku. Operacijski sustav odgovoran je za dodjeljivanje tih niti dostupnim jezgrama i što učinkovitiju distribuciju CPU vremena među njima.

U programiranju se razlikuje 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 rad je raspoređen među nekoliko niti koje se mogu izvoditi paralelno, dijeleći resurse, ali se izvršavaju istovremeno.

Ova metoda podjele radnog opterećenja omogućuje jednom programu istovremeno izvršavanje više operacija . Na primjer, video editor može posvetiti jednu nit grafičkom sučelju, drugu renderiranju, treću zvuku i tako dalje. Ako postoji dovoljno CPU jezgri i niti, ovi dijelovi programa izvode se istodobno, poboljšavajući vrijeme odziva i smanjujući osjećaj kašnjenja.

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

Odnos između programa, procesa i niti

Kako bismo u potpunosti razumjeli ulogu niti, korisno je vratiti se nazad i vidjeti kako je rad organiziran u operativnom sustavu. Program je jednostavno skup instrukcija pohranjenih na disku (aplikacije, upravljački programi, sam operativni sustav itd.) u binarnom formatu, spremnih za učitavanje u memoriju kada je to potrebno.

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

Procesu su potrebni određeni osnovni elementi za funkcioniranje: programski brojač koji označava sljedeću instrukciju koja će se izvršiti, niz registara u kojima se pohranjuju privremeni podaci i kontrolne informacije te stog koji pohranjuje podatke iz aktivnih funkcija. Sve se to stalno sprema i vraća kada se sustav prebacuje iz jednog procesa u drugi.

Zanimljivo je da se svaki proces izvršava neovisno od ostalih . Zahvaljujući toj neovisnosti, ako se jedna aplikacija sruši, ostatak sustava može nastaviti funkcionirati. Ova sposobnost upravljanja više procesa omogućuje okruženje za više zadataka istovremeno: pregledavanje interneta uz slušanje glazbe, provjeru e-pošte i istovremeno preuzimanje datoteka.

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

Jednožični i višežični procesi

U jednonitnom procesu, sav programski kod izvršava se u jednom nizu instrukcija . To znači da ako jedan dio programa traje predugo (na primjer, spora operacija s diskom ili težak izračun), 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 . Te niti dijele memoriju i resurse, ali svaka ima vlastiti stog registara i programski brojač. Na taj način, dva ili više dijelova programa mogu se izvršavati istovremeno, smanjujući vrijeme čekanja i bolje iskorištavajući dostupne jezgre.

Na primjer, web preglednik može imati jednu nit za sučelje, drugu za učitavanje stranica, treću za izvršavanje JavaScript koda i treću za reprodukciju videa. Ako postoji više jezgri i niti CPU-a, sve te niti mogu se izvoditi istovremeno , što rezultira puno glatkijim korisničkim iskustvom.

Ključno je da se s više niti značajno povećava volumen simultanih izračuna . To ne znači da je sam CPU brži, već da može zauzeti svoje unutarnje jedinice s više paralelnog rada. To se prevodi u bolju iskorištenost hardvera, posebno u programima posebno dizajniranim za rad s mnogo niti.

U procesorima s višenitnom tehnologijom, dvonitna jezgra ne izvršava doslovno dvije instrukcije u istom ciklusu sa 100%-tnom učinkovitošću, ali može se prebacivati ​​između dvije niti tako brzo da se čini kao da rade paralelno. Operativni sustav dodjeljuje male "dijelove CPU vremena" svakoj niti, a prebacivanje između njih događa se u djelićima sekunde, neprimjetno za korisnika.

Temeljne razlike između jezgri i niti

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

Kada gledate 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 jezgri i 12 niti, operativni sustav vidi 12 logičkih jedinica na kojima planira zadatke, iako na razini silicija postoji samo 6 potpunih blokova izvršavanja.

U praktičnom smislu, jezgre određuju koliko doista neovisnih zadataka CPU može istovremeno obavljati , dok niti fino podešavaju iskorištenost tih jezgri, smanjujući vrijeme neaktivnosti i omogućujući više istovremenih niti. Zato se kaže da niti povećavaju učinkovitost, 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 sustava, posebno kada se radi o intenzivnom multitaskingu ili zahtjevnom profesionalnom softveru.

Jezgre ili niti: što je važnije ovisno o upotrebi

Tipično pitanje pri kupnji CPU-a je treba li dati prednost većem broju fizičkih jezgri ili većem broju logičkih niti . Odgovor uvelike ovisi o tome kako namjeravate koristiti računalo i kako su programirane aplikacije koje obično koristite.

U zadacima koji intenzivno koriste hardver, poput zahtjevnih igara, napredne video montaže, 3D renderiranja ili pokretanja virtualnih strojeva, veliki broj fizičkih jezgri obično je korisniji . Ta opterećenja imaju koristi od mogućnosti distribucije velikih zadataka na više fizičkih jezgri, umjesto oslanjanja isključivo na logičke niti na nekoliko jezgri.

Za svakodnevnu upotrebu, poput pregledavanja, rada s dokumentima, istovremenog korištenja nekoliko laganih aplikacija ili konzumiranja multimedijskog sadržaja, učinkovito upravljanje nitima može napraviti veću razliku . Čak i s malim brojem jezgri, ako CPU podržava više niti po jezgri i sustav ih dobro raspoređuje, cjelokupno iskustvo bit će glatko i responzivno.

U razvoju softvera, temeljito razumijevanje načina upravljanja jezgrama i nitima je ključno. Loše paralelizirani program možda neće iskoristiti prednosti procesora s mnogo niti ili mnogo jezgri , dok se dobro dizajnirana aplikacija vrlo dobro skalira kako se broj dostupnih jezgri povećava. Neki softver je optimiziran za mnogo logičkih niti, dok drugi softver zna kako iskoristiti samo nekoliko vrlo moćnih jezgri.

Vrlo jednostavno rečeno, za većinu kućnih korisnika, CPU s 4 do 6 jezgri i dobrim brojem niti obično nudi izvrsnu ravnotežu između cijene i performansi . Za kreatore sadržaja, entuzijastične igrače ili profesionalce koji koriste zahtjevne programe, nadogradnja na 8, 10 ili više jezgri ima puno više smisla, posebno ako su te aplikacije dizajnirane za korištenje višenitnog rada.

Kako saznati koliko jezgri i niti ima vaš CPU

Ako želite provjeriti koliko jezgri i niti ima vaše računalo, sam operativni sustav nudi vrlo jednostavne alate za to bez instaliranja ičega dodatnog . To je korisno za saznanje ispunjava li vaš hardver zahtjeve određenog programa ili igre ili za procjenu isplati li se zaista nadograditi procesor.

U sustavu Windows 10 ili 11 možete otvoriti kontekstni izbornik gumba Start i otići na odjeljak "Sustav" da biste vidjeli instalirani model procesora . Pomoću tih informacija možete pretražiti web-mjesto proizvođača i provjeriti koliko jezgri i niti podržava. Osim toga, Upravitelj zadataka , na kartici "Performanse", prikazuje grafove po logičkom CPU-u koji vam daju predodžbu o broju niti koje sustav koristi.

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

Na macOS-u, osnovne informacije o CPU-u mogu se pronaći u Apple izborniku, pod "O ovom Macu", a zatim "Izvješće o sustavu ". Tamo možete vidjeti naziv procesora i, konzultirajući službene specifikacije, saznati broj fizičkih jezgri i niti. Monitor aktivnosti također prikazuje broj niti koje ima svaka otvorena aplikacija.

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

Koliko jezgri procesora trebate odabrati ovisno o vašoj upotrebi?

Idealan broj jezgri nije isti za svakoga. Ovisi o vrstama zadataka koje svakodnevno obavljate i jesu li vaše omiljene aplikacije optimizirane za iskorištavanje više jezgri i niti . Više nije uvijek bolje, ali važno je pronaći pravi raspon.

Za vrlo osnovnu upotrebu (pregledavanje, jednostavni uredski 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, obavljate lagano uređivanje fotografija ili videa i istovremeno držite otvorenih nekoliko aplikacija, najrazumnija opcija je potražiti četverojezgreni procesor s podrškom za više niti. Poboljšanje u odnosu na dvojezgreni procesor je značajno u smislu ukupne glatkoće, vremena učitavanja i mogućnosti istovremenog pokretanja više programa.

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

Iznad 10 jezgri govorimo o sustavima dizajniranim za vrlo zahtjevne scenarije: vrhunsko igranje s istovremenim streamingom , profesionalno 3D renderiranje i animaciju, složene simulacije ili radne stanice i poslužitelji koji paralelno izvršavaju mnoge zadatke. U tim slučajevima, što je više jezgri i niti (pod uvjetom da ih softver dobro koristi), to je bolji kapacitet za obradu ogromnih opterećenja.

Utjecaj broja jezgri i niti na performanse

Veći broj jezgri i niti značajno mijenja ponašanje sustava pod opterećenjem. CPU s više jezgri može podnijeti mnogo istovremenih zadataka bez da jedna blokira drugu , što rezultira bržim vremenom odziva, manje zastoja i većom stabilnošću kada vaše računalo radi punim kapacitetom.

Multitasking je jedno od područja gdje je to najuočljivije. Posjedovanje više jezgri i niti omogućuje operativnom sustavu da distribuira aplikacije među različitim logičkim CPU-ima , tako da dok jedan obrađuje dugi izračun, drugi mogu nastaviti odgovarati korisniku. To je ono što omogućuje, na primjer, igranje igre dok se nešto renderira u pozadini ili snima video igre.

U videoigrama, većina modernih naslova obično se dobro skalira na 4 ili 6 jezgri, a neke vrhunske igre koriste 8 fizičkih jezgri . U tim slučajevima, osim grafičke kartice, procesor mora obrađivati ​​fiziku, umjetnu inteligenciju, logiku igre, umrežavanje i tako dalje. Raspodjela ovih zadataka na više jezgri i niti pomaže u održavanju stabilnijih brzina kadrova, posebno u vrlo zahtjevnim scenama.

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

U okruženjima poslužitelja i radnih stanica, rukovanje desecima korisnika, virtualnih strojeva ili istovremenih servisa zahtijeva vrlo velik broj jezgri , često 16 ili više. Svaki servis ili stroj može imati rezerviranih nekoliko jezgri i niti, a i dalje imati prostora za nove zadatke, što značajno povećava ukupni kapacitet sustava.

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

Imajući sve to na umu, jasno je da jezgre i niti rade zajedno kako bi odredile stvarno ponašanje CPU -a : jezgre određuju koliko se neovisnih zadataka može obraditi paralelno, a niti omogućuju da se ti zadaci razbiju na manje, bolje koordinirane dijelove. Razumijevanje kako se svaka komponenta uklapa pomaže vam da odaberete pravi procesor i procijenite je li nadogradnja zaista isplativa na temelju vaših svakodnevnih zadataka.