מהם ליבות מעבד והלידים?

אינפורמטק דיגיטל » Recursos » מהם ליבות מעבד והלידים?

כשמתחילים לבחון את מפרטי המעבד, קל ללכת לאיבוד בין כל כך הרבה נתונים: תדר, מטמון, TDP... וכמובן, הסעיף המפורסם על מספר הליבות וה-threads . אלו מונחים שחוזרים על עצמם בכל מקום ועדיין יוצרים לא מעט בלבול, אפילו בקרב משתמשים מנוסים.

הבנת ליבות מעבד והלידים אינה רק עניין טכני. היא משפיעה ישירות על ביצועי המחשב בעולם האמיתי, על מידת הפעולה החלקה של ריבוי משימות, ועל ביצועי משחקים, תוכנות עריכת וידאו ומכונות וירטואליות. בעוד שמשתמש בסיסי יכול להסתדר מבלי להתעמק יותר מדי, שליטה במושגים אלה היא קריטית לכל מי שמתכנת, בונה מחשבים אישיים או פשוט רוצה לקבל החלטות רכישה מושכלות.

מהן ליבות מעבד?

בתוך השבב הקטן שאנו מכנים CPU חבויים מספר בלוקים לוגיים הפועלים כיחידות מחשוב עצמאיות לחלוטין . בלוקים אלה הם הליבות. כל ליבה יכולה לקבל הוראות מזיכרון ה-RAM, לעבד אותן בסנכרון עם שעון המעבד ולהחזיר תוצאות, כמו מוח זעיר בתוך השבב הראשי.

למעבדים ישנים יותר הייתה רק ליבה אחת המסוגלת לבצע הוראה אחת בכל מחזור שעון . קיבולת זו נמדדה במגה-הרץ (MHz) או גיגה-הרץ (GHz): ככל שהתדר גבוה יותר, כך ניתן היה להשלים יותר הוראות בשנייה. כיום, בנוסף להגדלת מהירות השעון, יצרנים הכפילו את מספר הליבות כדי להגדיל באופן דרמטי את כוח העיבוד הגולמי.

כל ליבה פועלת כמעבד משנה פיזי המשולב באותה חבילה . מעבד מרובע ליבות הוא כמו ארבעה מעבדים הפועלים במקביל על אותו שבב. משמעות הדבר היא שבמחזור יחיד, המעבד יכול לטפל בארבע הוראות שונות בו זמנית, ולהכפיל את כוח המחשוב כל עוד מערכת ההפעלה והתוכניות יכולות לנצל זאת.

חשוב להדגיש כי הליבות הן רכיבים פיזיים, לא משהו וירטואלי או מדומה על ידי תוכנה . הן מורכבות ממיליוני טרנזיסטורים ומעגלים המיישמים את היחידות האריתמטיות, יחידות הבקרה, האוגרים הפנימיים ואלמנטים אחרים המאפשרים לבצע שוב ושוב את מחזור ההוראות (אחזור, פענוח, ביצוע וכתיבת תוצאה).

כיום, בשוק הצרכני, נפוץ למצוא מעבדים עם 2, 4, 6, 8 ואף יותר מ-10 ליבות , בעוד שתחנות עבודה ושרתים מציעים בדרך כלל מספרים גבוהים אף יותר, כגון 16, 32 או יותר ליבות פיזיות. ככל שיש יותר ליבות, כך ניתן לעבד יותר משימות בו זמנית, דבר שימושי במיוחד עבור יישומים מקצועיים, שרתים או זרימות עבודה עם עומס עבודה מקבילי גבוה.

מהם חוטי מעבד וכיצד הם פועלים?

בעוד שגרעינים הם רכיבים פיזיים, הלידים (או תת-תהליכים) הם ישויות לוגיות או וירטואליות המייצגות זרימת ביצוע בתוך תוכנית, ושמערכת ההפעלה יכולה לתזמן אותן על פני ליבה אחת או יותר. הליך הוא למעשה רצף של הוראות שיכולות לבצע באופן עצמאי מהשאר, עם מידע הקשר משלו.

אנו יכולים לראות הליך (thread) כנתיב שעובר פיסת קוד דרך המעבד . לכל הליך יש אוגרי ביצוע משלו, מחסנית משלו ומונה תוכניות המציין איזו הוראה יש לבצע בכל זמן נתון. מערכת ההפעלה אחראית על הקצאת הלידים הללו לליבות הזמינות וחלוקת זמן המעבד ביניהן בצורה היעילה ביותר האפשרית.

בתכנות, מבחינים בין יישומים בעלי הליך משנה יחיד (single-threaded) ליישומים בעלי הליך משנה מרובים (multi-threaded) . לתוכנית בעלת הליך משנה יחיד יש רק זרימת ביצוע אחת: הוראות מבוצעות אחת אחרי השנייה, באופן סדרתי לחלוטין. ביישום מרובה הליכים , לעומת זאת, העבודה מחולקת בין מספר הליכים שיכולים לפעול במקביל, תוך שיתוף משאבים אך ביצוע בו זמנית.

שיטה זו של חלוקת עומס העבודה מאפשרת לתוכנית אחת לבצע מספר פעולות בו זמנית . לדוגמה, עורך וידאו יכול להקדיש שלב אחד לממשק הגרפי, אחר לרינדור, אחר לאודיו וכן הלאה. אם יש מספיק ליבות מעבד והלידות, חלקים אלה של התוכנית פועלים בו זמנית, מה שמשפר את זמני התגובה ומפחית את תחושת השהייה.

בפועל, מעבדים מודרניים רבים משתמשים בטכנולוגיות ריבוי-הליכים סימולטניות כמו SMT או Hyper-Threading, המאפשרות לכל ליבה פיזית לטפל בשני הליכים של ביצוע בו זמנית . זה מסביר מדוע רואים מעבדים עם, למשל, 6 ליבות ו-12 הליכים: יש שש יחידות פיזיות, אך כל אחת מהן יכולה לשאת שני זרמי הוראות שונים בו זמנית, ובכך לנצל טוב יותר את היחידות הפנימיות שאחרת היו במצב של סרק. טכנולוגיית Hyper-Threading של אינטל היא דוגמה ידועה לכך.

קשר בין תוכניות, תהליכים ושרשורים

כדי להבין באופן מלא את תפקידם של הליכים (threads), כדאי לחזור רמה אחורה ולראות כיצד העבודה מאורגנת במערכת ההפעלה. תוכנית היא פשוט קבוצת הוראות המאוחסנות בדיסק (יישומים, מנהלי התקנים, מערכת ההפעלה עצמה וכו') בפורמט בינארי, מוכנות לטעינה לזיכרון בעת ​​הצורך.

כאשר מפעילים תוכנית, המערכת יוצרת לפחות תהליך אחד שנטען לתוך ה-RAM . תהליך זה כולל את קוד ההפעלה, הנתונים, המשאבים הדרושים לו (תיאורי קבצים, זיכרון שמור וכו') והקשר שמערכת ההפעלה מנהלת בקפידה. כל תהליך ממוקם במרחב זיכרון ספציפי, מבודד מהאחרים, מה שמספק יציבות ואבטחה.

תהליך זקוק לאלמנטים בסיסיים מסוימים כדי לתפקד: מונה תוכנית המציין את ההוראה הבאה לביצוע, סדרה של אוגרים שבהם מאוחסנים נתונים זמניים ומידע בקרה, ומחסנית המאחסנת נתונים מפונקציות פעילות. כל זה נשמר ומשוחזר כל הזמן כאשר המערכת עוברת מתהליך אחד למשנהו.

מעניין שכל תהליך פועל באופן עצמאי מהאחרים . הודות לעצמאות זו, אם יישום אחד קורס, שאר המערכת יכולה להמשיך לתפקד. יכולת זו לנהל תהליכים מרובים מאפשרת סביבה מרובת משימות: גלישה באינטרנט תוך כדי האזנה למוזיקה, בדיקת דוא"ל והורדת קבצים בו זמנית.

בתוך כל תהליך, ישנם הליכי ביצוע. הליך הוא יחידת העבודה הקטנה ביותר שמערכת ההפעלה יכולה להקצות למעבד . תהליך יכול להיות מורכב מהליך בודד (המקרה הפשוט ביותר) או מהליכי משנה רבים שחולקים את אותו שטח זיכרון ומשאבי עיבוד, אך מבוצעים במקביל.

תהליכים חד-חוטיים ורב-חוטיים

בתהליך חד-הליך, כל קוד התוכנית מבוצע בזרם הוראות יחיד . משמעות הדבר היא שאם חלק אחד של התוכנית לוקח זמן רב (לדוגמה, פעולת דיסק איטית או חישוב כבד), שאר היישום עלול להיחסם עד לסיום הפעולה, מה שיוצר תחושה של איטיות או קיפאון.

כאשר תהליך הוא מרובה הליכים, המשימה שלו מחולקת למספר תת-תהליכים קטנים יותר הנקראים הליכים (threads) . הליכים אלה חולקים זיכרון ומשאבים, אך לכל אחד מהם יש מחסנית אוגרים ומונה תוכניות משלו. בדרך זו, שני חלקים או יותר של התוכנית יכולים להתבצע בו זמנית, מה שמפחית את זמני ההמתנה ומנצל טוב יותר את הליבות הזמינות.

לדוגמה, דפדפן אינטרנט עשוי לכלול רצף אחד לממשק, רצף אחר לטעינת דפים, רצף אחר להרצת קוד JavaScript, ורצף אחר להפעלת וידאו. אם ישנן מספר ליבות מעבד ורצפים, כל הרצפים הללו יכולים לפעול בו זמנית , וכתוצאה מכך חוויית משתמש חלקה הרבה יותר.

המפתח הוא שעם יותר הליכים, נפח החישובים הסימולטניים עולה משמעותית . זה לא אומר שהמעבד עצמו מהיר יותר, אלא שהוא יכול להעסיק את היחידות הפנימיות שלו בעבודה מקבילה יותר. זה מתורגם לניצול טוב יותר של החומרה, במיוחד בתוכניות שתוכננו במיוחד לעבודה עם הרבה הליכים.

במעבדים עם טכנולוגיית ריבוי הליכים, ליבה בעלת שני הליכים אינה מבצעת שתי הוראות באותו מחזור ביעילות של 100%, אך היא יכולה לעבור בין שני הליכים כל כך מהר עד שנדמה שהם פועלים במקביל. מערכת ההפעלה מקצה "פרוסות קטנות של זמן מעבד" לכל הליך, והמעבר ביניהם מתרחש בשברירי שנייה, בלתי מורגש על ידי המשתמש.

הבדלים מהותיים בין ליבות לגדילים

ההבדל העיקרי הוא שליבות הן יחידות עיבוד פיזיות , בעוד שהליבות הן ישויות לוגיות המייצגות משימות או תת-תהליכים הפועלים על ליבות אלה. ליבה יכולה להתקיים ללא הליכי SMT נוספים (פשוט ביצוע זרם הוראות יחיד), אך הליך, וירטואלי ככל שיהיה, תמיד דורש ליבה פיזית בשלב מסוים כדי לבצע אותו.

כשמסתכלים על מפרטי המעבד, תראו שילובים כמו "4 ליבות / 8 נימים" או "6 ליבות / 12 נימים". משמעות הדבר היא שכל ליבה פיזית יכולה להתמודד עם שני נימים של ביצוע בו זמנית . במעבד בעל 6 ליבות ו-12 נימים, מערכת ההפעלה רואה 12 יחידות לוגיות שעליהן ניתן לתזמן משימות, למרות שברמת הסיליקון יש רק 6 בלוקי ביצוע שלמים.

במונחים מעשיים, ליבות קובעות כמה משימות עצמאיות באמת המעבד יכול לבצע בו זמנית , בעוד שהלידים מכוונים את ניצול הליבות הללו, ממזערים את זמן ההתנהלות ומאפשרים יותר לידים בו זמנית. זו הסיבה שאומרים שלידים מגבירים את היעילות, אך הקפיצה המשמעותית בקיבולת האמיתית תמיד נובעת מהוספת ליבות פיזיות נוספות.

בקיצור, הליבות מספקות את השרירים הפיזיים, בעוד שהחוטים מארגנים טוב יותר את העבודה . איזון טוב בין השניים עושה את כל ההבדל בביצועי המערכת הכוללים, במיוחד כשמדובר בריבוי משימות אינטנסיבי או בתוכנה מקצועית תובענית.

ליבות או גדילים: מה שחשוב יותר בהתאם לשימוש

השאלה האופיינית בעת רכישת מעבד היא האם לתעדף יותר ליבות פיזיות או יותר הליכים לוגיים . התשובה תלויה במידה רבה באופן שבו אתם מתכוונים להשתמש במחשב ובאופן שבו מתוכנתות היישומים שאתם משתמשים בהם בדרך כלל.

במשימות המשתמשות בחומרה במידה רבה, כגון משחקים תובעניים, עריכת וידאו מתקדמת, רינדור תלת-ממדי או הפעלת מכונות וירטואליות, מספר גדול של ליבות פיזיות הוא בדרך כלל מועיל יותר . עומסי עבודה אלה נהנים מהיכולת לפזר משימות גדולות על פני ליבות פיזיות מרובות, במקום להסתמך אך ורק על הליכים לוגיים על פני מספר ליבות.

לשימוש יומיומי יותר, כגון גלישה, עבודה עם מסמכים, שימוש בו זמנית במספר יישומים קלים, או צריכת תוכן מולטימדיה, ניהול יעיל של הליכים יכול לעשות את ההבדל הגדול יותר . אפילו עם מעט ליבות, אם המעבד תומך במספר הליכים לכל ליבה והמערכת מפזרת אותם היטב, החוויה הכוללת תהיה חלקה ותגובתית.

בפיתוח תוכנה, הבנה מעמיקה של אופן ניהול ליבות ונימים היא חיונית. תוכנית עם ביצועים מקביליים גרועים עשויה לא לנצל מעבד עם הרבה נימים או ליבות רבות , בעוד שאפליקציה מעוצבת היטב מתרחבת היטב ככל שמספר הליבות הזמינות גדל. תוכנות מסוימות מותאמות לנימים לוגיים רבים, בעוד שתוכנות אחרות יודעות רק כיצד למנף כמה ליבות חזקות מאוד.

במילים פשוטות מאוד, עבור רוב המשתמשים הביתיים, מעבד בעל 4 עד 6 ליבות ומספר רב של הליכים בדרך כלל מציע איזון מצוין בין מחיר לביצועים . עבור יוצרי תוכן, גיימרים חובבים או אנשי מקצוע המשתמשים בתוכנות תובעניות, שדרוג ל-8, 10 או יותר ליבות הגיוני הרבה יותר, במיוחד אם יישומים אלה נועדו לנצל ריבוי הליכים.

איך לגלות כמה ליבות והלידות יש במעבד שלך

אם אתם רוצים לבדוק כמה ליבות והלידות יש במחשב שלכם, מערכת ההפעלה עצמה מציעה כלים פשוטים מאוד לעשות זאת מבלי להתקין שום דבר נוסף . זה שימושי כדי לדעת אם החומרה שלכם עומדת בדרישות של תוכנית או משחק מסוימים, או כדי להעריך האם באמת כדאי לשדרג את המעבד שלכם.

ב-Windows 10 או 11, ניתן לפתוח את תפריט ההקשר של לחצן התחל ולעבור לקטע "מערכת" כדי לראות את דגם המעבד המותקן . בעזרת מידע זה, ניתן לחפש באתר האינטרנט של היצרן ולבדוק כמה ליבות והלידות הוא תומך בהן. בנוסף, מנהל המשימות , בכרטיסייה "ביצועים", מציג גרפים לכל מעבד לוגי שנותנים לך מושג על מספר ההליכות שהמערכת משתמשת בהן.

אם אתם רוצים מידע מפורט יותר, למנהל המשימות עצמו יש קישור ל- Resource Monitor , שם תוכלו לראות פירוט של תהליכים והלידים יחד עם צריכת המעבד שלהם. כל ערך "ליד" שם מתאים לליד ביצוע המנוהל על ידי המערכת.

ב-macOS, ניתן למצוא מידע בסיסי על המעבד בתפריט Apple, תחת "אודות Mac זה", ולאחר מכן תחת "דוח מערכת ". שם תוכלו לראות את שם המעבד, ועל ידי עיון במפרט הרשמי, לגלות את מספר הליבות וה-threads הפיזיים. פעילות צג המעבד מציג גם את מספר ה-threads שיש לכל יישום פתוח.

בעזרת כלים אלה תוכלו לקבל מושג ברור כמה כוח עיבוד מקבילי זמין בפועל , והאם התוכניות שלכם רוויות את הליבות או פשוט משתמשות באחת או שתיים, ומשאירות את השאר כמעט ללא פעילות.

כמה ליבות מעבד כדאי לבחור בהתאם לשימוש שלך?

מספר הליבות האידיאלי אינו זהה עבור כולם. זה תלוי בסוגי המשימות שאתם מבצעים מדי יום ובשאלה האם היישומים המועדפים עליכם מותאמים לניצול ליבות והלידים מרובים . יותר לא תמיד עדיף, אבל חשוב למצוא את הטווח הנכון.

לשימוש בסיסי מאוד (גלישה, משימות משרדיות פשוטות, דוא"ל, צפייה בסרטונים) 2 ליבות פיזיות בדרך כלל מספיקות , אם כי כיום מומלץ יותר ללכת על לפחות 4 כדי להרוויח מרווח לעדכוני תוכנה עתידיים וריבוי משימות אינטנסיבי מעט יותר.

אם אתם בדרך כלל משחקים במשחקים פחות תובעניים, עורכים תמונות או וידאו קלים ומשאירים מספר יישומים פתוחים בו זמנית, האפשרות הנבונה ביותר היא לחפש מעבד מרובע ליבות עם תמיכה בריבוי הליכים. השיפור לעומת מעבד כפול ליבות הוא משמעותי מבחינת החלקות הכוללת, זמני הטעינה והיכולת להתמודד עם מספר תוכניות בו זמנית.

עבור משחקים תובעניים, יצירת תוכן רציני יותר (עריכת וידאו ברזולוציה גבוהה, רינדור תלת-ממדי תכוף), או שימוש במכונות וירטואליות, מעבר לטווח של 6-8 ליבות מציע קפיצת מדרגה עצומה בביצועים. כותרים מודרניים רבים יכולים לנצל 6 או 8 ליבות ביעילות רבה, ותוכנות עריכה ורינדור בדרך כלל מתקדמות היטב עם כל ליבה נוספת.

מעל 10 ליבות, אנחנו מדברים על מערכות שנועדו לתרחישים תובעניים מאוד: משחקים מתקדמים עם סטרימינג סימולטני , רינדור ואנימציה תלת-ממדית מקצועית, סימולציות מורכבות, או תחנות עבודה ושרתים שמריצים משימות רבות במקביל. במקרים אלה, ככל שיש יותר ליבות והלידות (בתנאי שהם מנוצלים היטב על ידי התוכנה), כך היכולת לעבד עומסי עבודה עצומים טובה יותר.

השפעת ספירת הליבות והחוטים על הביצועים

יותר ליבות ונימים משנה באופן משמעותי את אופן התנהגות המערכת תחת עומס. מעבד עם מספר ליבות יכול להתמודד עם משימות רבות בו זמנית מבלי שאחת מהן תחסום את השנייה , וכתוצאה מכך זמני תגובה מהירים יותר, פחות גמגומים ויציבות רבה יותר כאשר המחשב פועל במלוא העוצמה.

ריבוי משימות הוא אחד התחומים שבהם זה בולט ביותר. ריבוי ליבות והלידים מאפשר למערכת ההפעלה לפזר יישומים בין מעבדים לוגיים שונים , כך שבעוד שאחד מטפל בחישוב ארוך, אחרים יכולים להמשיך להגיב למשתמש. זה מה שמאפשר, למשל, לשחק משחק בזמן שמשהו מוצג ברקע או מקליט וידאו של משחקיות.

במשחקי וידאו, רוב הכותרים המודרניים בדרך כלל מתרחבים היטב ל-4 או 6 ליבות, וחלק ממשחקי ה-high-end מנצלים 8 ליבות פיזיות . במקרים אלה, בנוסף לכרטיס המסך, המעבד חייב לטפל בפיזיקה, בינה מלאכותית, לוגיקת משחק, רשתות וכן הלאה. פיזור משימות אלה על פני ליבות ו-threads מרובים מסייע לשמור על קצב פריימים יציב יותר, במיוחד בסצנות תובעניות מאוד.

ביצירת תוכן, כגון עריכת וידאו מקצועית, רינדור תלת-ממדי או עיבוד תמונות בקנה מידה גדול, מספר הליבות משחק תפקיד מכריע. מנועי רינדור, מקודדי וידאו וכלים מקצועיים רבים מתוכננים להתרחב כמעט באופן ליניארי עם כל ליבה נוספת , כך שמעבר מ-4 ל-8 ליבות יכול לקצר את זמני הייצוא בחצי תחת עומסי עבודה מסוימים.

בסביבות שרתים ותחנות עבודה, טיפול בעשרות משתמשים, מכונות וירטואליות או שירותים בו-זמניים דורש ספירת ליבות גבוהה מאוד , לעתים קרובות 16 או יותר. לכל שירות או מכונה יכולות להיות מספר ליבות ו-threads שמורים, ועדיין יהיה מקום למשימות חדשות, מה שמגדיל משמעותית את קיבולת המערכת הכוללת.

עם זאת, חשוב לזכור שלא כל התוכנות מנצלות את מלוא היתרונות של ליבות נוספות . תוכנות רבות עדיין מסתמכות במידה רבה על הליך משנה ראשי יחיד, כך שמהירות כל ליבה (תדירות וביצועים לכל מחזור) נותרה קריטית. באופן אידיאלי, כדאי לשלב מספר סביר של ליבות עם תדירות טובה, מבלי להיות מושפעות אך ורק מההייפ השיווקי סביב ספירת הלידים.

בהתחשב בכל זאת, ברור שליבות והלידות פועלים יחד כדי לקבוע את התנהגותו בפועל של המעבד : ליבות קובעות כמה משימות עצמאיות ניתן לטפל בהן במקביל, והלידות מאפשרות לפרק את המשימות הללו לחלקים קטנים יותר ומתואמים טוב יותר. הבנת האופן שבו כל רכיב משתלב יחד עוזרת לך לבחור את המעבד הנכון ולהעריך האם שדרוג באמת כדאי בהתבסס על המשימות היומיומיות שלך.