Kas yra procesoriaus branduoliai ir gijos?

Informatec Digital » Ištekliai » Kas yra procesoriaus branduoliai ir gijos?

Pradėjus nagrinėti procesoriaus specifikacijas, lengva pasiklysti tarp daugybės duomenų: dažnis, talpykla, TDP... ir, žinoma, garsusis skyrius apie branduolių ir gijų skaičių . Tai terminai, kurie kartojasi visur, tačiau vis dar sukelia nemažai painiavos net ir patyrusiems vartotojams.

CPU branduolių ir gijų supratimas nėra vien techninis klausimas. Tai tiesiogiai veikia kompiuterio našumą realiame pasaulyje, tai, kaip sklandžiai veikia daugiaprogramis režimas ir kaip gerai veikia žaidimai, vaizdo įrašų redagavimo programinė įranga ir virtualios mašinos. Nors paprastas vartotojas gali susitvarkyti be per didelio gilinimosi, šių sąvokų įvaldymas yra labai svarbus visiems, kurie programuoja, konstruoja kompiuterius ar tiesiog nori priimti pagrįstus pirkimo sprendimus.

Kas yra procesoriaus branduoliai?

Mažame luste, kurį vadiname CPU, paslėpti keli loginiai blokai, kurie veikia kaip visiškai nepriklausomi skaičiavimo vienetai . Šie blokai yra branduoliai. Kiekvienas branduolys gali gauti instrukcijas iš RAM, apdoroti jas sinchroniškai su procesoriaus laikrodžiu ir grąžinti rezultatus, kaip mažytės smegenys pagrindinio lusto viduje.

Senesni procesoriai turėjo tik vieną branduolį, galintį vykdyti vieną instrukciją per takto ciklą . Ši talpa buvo matuojama megahercais (MHz) arba gigahercais (GHz): kuo didesnis dažnis, tuo daugiau instrukcijų per sekundę jis galėjo atlikti. Šiandien, be takto dažnio didinimo, gamintojai padidino branduolių skaičių, kad smarkiai padidintų bendrą apdorojimo galią.

Kiekvienas branduolys veikia kaip fizinis subprocesorius, integruotas į tą patį korpusą . Keturių branduolių procesorius yra tarsi keturi procesoriai, dirbantys lygiagrečiai tame pačiame luste. Tai reiškia, kad per vieną ciklą procesorius gali vienu metu apdoroti keturias skirtingas instrukcijas, daugindamas skaičiavimo galią, jei tik operacinė sistema ir programos gali tuo pasinaudoti.

Svarbu pabrėžti, kad branduoliai yra fiziniai komponentai, o ne kažkas virtualaus ar programinės įrangos imituojamo . Juos sudaro milijonai tranzistorių ir grandinių, įgyvendinančių aritmetinius vienetus, valdymo blokus, vidinius registrus ir kitus elementus, leidžiančius instrukcijų ciklą (gauti, dekoduoti, vykdyti ir įrašyti rezultatą) vykdyti pakartotinai.

Šiandien vartotojų rinkoje įprasta rasti procesorių su 2, 4, 6, 8 ir net daugiau nei 10 branduolių , o darbo stotys ir serveriai paprastai siūlo dar didesnį skaičių, pavyzdžiui, 16, 32 ar daugiau fizinių branduolių. Kuo daugiau branduolių, tuo daugiau užduočių galima apdoroti vienu metu, o tai ypač naudinga profesionalioms programoms, serveriams ar darbo eigoms su dideliu lygiagrečiu darbo krūviu.

Kas yra procesoriaus gijos ir kaip jos veikia?

Nors branduoliai yra fiziniai komponentai, gijos (arba subprocesai) yra loginiai arba virtualūs objektai, kurie vaizduoja vykdymo srautą programoje ir kuriuos operacinė sistema gali suplanuoti viename ar keliuose branduoliuose. Gija iš esmės yra instrukcijų seka, kuri gali būti vykdoma nepriklausomai nuo kitų, turinti savo kontekstinę informaciją.

Giją galime laikyti kodo dalies keliu procesoriuje . Kiekviena gija turi savo vykdymo registrus, savo steką ir programos skaitiklį, kuris nurodo, kuri instrukcija turėtų būti vykdoma bet kuriuo metu. Operacinė sistema yra atsakinga už šių gijų priskyrimą prieinamiems branduoliams ir procesoriaus laiko paskirstymą tarp jų kuo efektyviau.

Programavime skiriamos viengijas ir daugiagijas programas . Viengija programa turi tik vieną vykdymo srautą: instrukcijos vykdomos viena po kitos, griežtai nuosekliai. Kita vertus, daugiagija programoje darbas paskirstomas tarp kelių gijų, kurios gali veikti lygiagrečiai, dalydamosi ištekliais, bet vykdydamos vienu metu.

Šis darbo krūvio paskirstymo metodas leidžia vienai programai vienu metu vykdyti kelias operacijas . Pavyzdžiui, vaizdo įrašų redagavimo programa gali skirti vieną giją grafinei sąsajai, kitą – vaizdavimui, dar kitą – garsui ir pan. Jei yra pakankamai procesoriaus branduolių ir gijų, šios programos dalys veikia vienu metu, taip pagerinant atsako laiką ir sumažinant delsos pojūtį.

Praktiškai daugelis šiuolaikinių procesorių naudoja vienalaikio daugiasriegiškumo technologijas, tokias kaip SMT arba „Hyper-Threading“, kurios leidžia kiekvienam fiziniam branduoliui vienu metu apdoroti du vykdymo gijas . Tai paaiškina, kodėl procesoriai turi, pavyzdžiui, 6 branduolius ir 12 gijų: yra šeši fiziniai įrenginiai, tačiau kiekvienas iš jų gali vienu metu vykdyti du skirtingus instrukcijų srautus, geriau išnaudodamas vidinius įrenginius, kurie kitaip būtų nenaudojami. „Intel“ „Hyper-Threading“ technologija yra gerai žinomas to pavyzdys.

Ryšys tarp programų, procesų ir gijų

Norint visapusiškai suprasti gijų vaidmenį, naudinga grįžti vienu lygiu atgal ir pamatyti, kaip darbas organizuojamas operacinėje sistemoje. Programa yra tiesiog diske saugomų instrukcijų rinkinys (programos, tvarkyklės, pati operacinė sistema ir kt.) dvejetainiu formatu, paruoštas įkelti į atmintį, kai to reikia.

Paleidus programą, sistema sukuria bent vieną procesą, kuris įkeliamas į RAM atmintį . Šis procesas apima vykdomąjį kodą, duomenis, jam reikalingus išteklius (failų aprašus, rezervuotą atmintį ir kt.) ir kontekstą, kurį operacinė sistema kruopščiai tvarko. Kiekvienas procesas yra tam tikroje atminties erdvėje, izoliuotoje nuo kitų, o tai užtikrina stabilumą ir saugumą.

Procesui veikti reikalingi tam tikri pagrindiniai elementai: programos skaitiklis, rodantis kitą vykdytiną instrukciją, registrų serija, kurioje saugomi laikini duomenys ir valdymo informacija, ir stekas, kuriame saugomi aktyvių funkcijų duomenys. Visa tai nuolat išsaugoma ir atkuriama, kai sistema persijungia iš vieno proceso į kitą.

Įdomu tai, kad kiekvienas procesas veikia nepriklausomai nuo kitų . Dėl šio nepriklausomumo, jei viena programa sugenda, likusi sistemos dalis gali toliau funkcionuoti. Ši galimybė valdyti kelis procesus leidžia vienu metu atlikti kelias užduotis: naršyti internete klausantis muzikos, tikrinti el. paštą ir vienu metu atsisiųsti failus.

Kiekviename procese yra vykdymo gijos. Gija yra mažiausias darbo vienetas, kurį operacinė sistema gali priskirti centriniam procesoriui (CPU ). Procesą gali sudaryti vienas siūlas (paprasčiausias atvejis) arba daug gijų, kurios dalijasi ta pačia atminties erdve ir apdorojimo ištekliais, bet vykdomos lygiagrečiai.

Vieno ir kelių laidų procesai

Vienos gijos procese visas programos kodas vykdomas vienu instrukcijų srautu . Tai reiškia, kad jei viena programos dalis užtrunka ilgai (pavyzdžiui, lėta disko operacija arba sudėtingas skaičiavimas), likusi programos dalis gali būti užblokuota, kol ta operacija bus baigta, todėl gali atsirasti lėtumo ar užstrigimo jausmas.

Kai procesas yra daugiagijas, jo užduotis yra padalinta į kelis mažesnius subprocesus, vadinamus gijomis . Šios gijos dalijasi atmintimi ir ištekliais, tačiau kiekviena turi savo registrų steku ir programos skaitiklį. Tokiu būdu dvi ar daugiau programos dalių gali būti vykdomos vienu metu, sutrumpinant laukimo laiką ir geriau panaudojant turimus branduolius.

Pavyzdžiui, žiniatinklio naršyklė gali turėti vieną giją sąsajai, kitą – puslapiams įkelti, dar kitą – „JavaScript“ kodui vykdyti, o dar kitą – vaizdo įrašams leisti. Jei yra keli procesoriaus branduoliai ir gijos, visos šios gijos gali veikti vienu metu , todėl vartotojo patirtis yra daug sklandesnė.

Svarbiausia, kad kuo daugiau gijų, tuo labiau padidėja vienalaikių skaičiavimų skaičius . Tai nereiškia, kad pats procesorius yra greitesnis, o greičiau tai, kad jis gali užimti savo vidinius įrenginius lygiagrečiais darbais. Tai reiškia geresnį aparatinės įrangos panaudojimą, ypač programose, specialiai sukurtose dirbti su daugeliu gijų.

Procesoriuose su daugiagija technologija dviejų gijų branduolys tiesiogine prasme nevykdo dviejų instrukcijų tame pačiame cikle 100 % efektyvumu, tačiau gali taip greitai perjungti dvi gijas , kad atrodo, jog jos veikia lygiagrečiai. Operacinė sistema kiekvienam gijai skiria mažas „procesoriaus laiko dalis“, o perjungimas tarp jų vyksta per sekundės dalis, vartotojui to nepastebint.

Pagrindiniai skirtumai tarp šerdies ir sruogų

Pagrindinis skirtumas yra tas, kad branduoliai yra fiziniai apdorojimo vienetai , o gijos yra loginiai objektai, vaizduojantys užduotis arba subprocesus, kurie veikia šiuose branduoliuose. Branduolys gali egzistuoti be papildomų SMT gijų (tiesiog vykdant vieną instrukcijų srautą), tačiau gijai, kad ir kokia virtuali ji būtų, tam tikru momentu vykdyti visada reikalingas fizinis branduolys.

Žvelgiant į procesoriaus specifikacijas, matysite tokius derinius kaip „4 branduoliai / 8 gijos“ arba „6 branduoliai / 12 gijų“. Tai reiškia, kad kiekvienas fizinis branduolys gali vienu metu apdoroti dvi vykdymo gijas . 6 branduolių, 12 gijų procesoriuje operacinė sistema mato 12 loginių vienetų, kuriuose planuojamos užduotys, nors silicio lygmenyje yra tik 6 pilni vykdymo blokai.

Praktiškai branduoliai lemia, kiek iš tikrųjų nepriklausomų užduočių CPU gali atlikti vienu metu , o gijos tiksliai sureguliuoja tų branduolių panaudojimą, sumažindamos prastovos laiką ir leisdamos daugiau lygiagrečių gijų. Štai kodėl sakoma, kad gijos padidina efektyvumą, tačiau reikšmingas realios talpos šuolis visada atsiranda pridėjus daugiau fizinių branduolių.

Trumpai tariant, branduoliai suteikia fizinę galią, o gijos geriau organizuoja darbą . Geras balansas tarp šių dviejų dalykų labai lemia bendrą sistemos našumą, ypač dirbant su intensyviu daugiaprogramiu darbu arba naudojant sudėtingą profesionalią programinę įrangą.

Šerdys ar sruogos: kas svarbiau, priklausomai nuo naudojimo būdo

Tipiškas klausimas perkant centrinį procesorių yra tai, ar teikti pirmenybę daugiau fizinių branduolių, ar daugiau loginių gijų . Atsakymas labai priklauso nuo to, kaip ketinate naudoti kompiuterį ir kaip programuojamos jūsų paprastai naudojamos programos.

Užduotims, kurioms reikalinga didelė aparatinė įranga, pavyzdžiui, sudėtingiems žaidimams, sudėtingam vaizdo įrašų redagavimui, 3D vaizdavimui ar virtualių mašinų veikimui, didelis fizinių branduolių skaičius paprastai yra naudingesnis . Šiems darbo krūviams naudinga tai, kad galima paskirstyti dideles užduotis tarp kelių fizinių branduolių, o ne pasikliauti vien loginiais gijomis keliuose branduoliuose.

Kasdieniam naudojimui, pavyzdžiui, naršymui, darbui su dokumentais, kelių lengvų programų naudojimui vienu metu arba multimedijos turinio naudojimui, efektyvus gijų valdymas gali turėti didesnį skirtumą . Net ir turint nedaug branduolių, jei CPU palaiko kelias gijas viename branduolyje ir sistema jas gerai paskirsto, bendra patirtis bus sklandi ir greita.

Kuriant programinę įrangą, labai svarbu gerai suprasti, kaip valdomi branduoliai ir gijos. Prastai paralelizuota programa gali neišnaudoti procesoriaus su daugybe gijų ar branduolių , o gerai suprojektuota programa labai gerai keičiasi, didėjant galimų branduolių skaičiui. Kai kuri programinė įranga yra optimizuota daugeliui loginių gijų, o kita programinė įranga žino tik, kaip panaudoti kelis labai galingus branduolius.

Paprastai tariant, daugumai namų vartotojų 4–6 branduolių procesorius su daugybe gijų paprastai siūlo puikų kainos ir našumo balansą . Turinio kūrėjams, žaidimų entuziastams ar profesionalams, naudojantiems sudėtingas programas, atnaujinimas iki 8, 10 ar daugiau branduolių yra daug prasmingesnis, ypač jei tos programos yra sukurtos taip, kad galėtų pasinaudoti daugiagija darbo technologija.

Kaip sužinoti, kiek branduolių ir gijų turi jūsų procesorius

Jei norite patikrinti, kiek branduolių ir gijų turi jūsų kompiuteris, pati operacinė sistema siūlo labai paprastus įrankius tai padaryti neįdiegus jokių papildomų programų . Tai naudinga norint sužinoti, ar jūsų aparatinė įranga atitinka tam tikros programos ar žaidimo reikalavimus, arba norint įvertinti, ar tikrai verta atnaujinti procesorių.

„Windows 10“ arba „11“ sistemoje galite atidaryti mygtuko „Pradėti“ kontekstinį meniu ir eiti į skyrių „Sistema“, kad pamatytumėte įdiegto procesoriaus modelį . Turėdami šią informaciją, galite ieškoti gamintojo svetainėje ir patikrinti, kiek branduolių ir gijų jis palaiko. Be to, užduočių tvarkytuvėje , skirtuke „Našumas“, rodomi grafikai pagal loginį procesorių, kurie suteikia supratimą apie sistemos naudojamų gijų skaičių.

Jei norite išsamesnės informacijos, pačioje užduočių tvarkytuvėje yra nuoroda į išteklių monitorių , kuriame galite matyti procesų ir gijų suskirstymą bei jų procesoriaus naudojimą. Kiekvienas „gijos“ įrašas atitinka sistemos valdomą vykdymo giją.

„macOS“ sistemoje pagrindinę procesoriaus informaciją galima rasti „Apple“ meniu, skiltyje „Apie šį „Mac“ ir tada „Sistemos ataskaita “. Ten galite pamatyti procesoriaus pavadinimą ir, peržiūrėję oficialias specifikacijas, sužinoti fizinių branduolių ir gijų skaičių. Veiklos monitorius taip pat rodo kiekvienos atidarytos programos gijų skaičių.

Naudodami šiuos įrankius galite aiškiai matyti, kiek lygiagretaus apdorojimo galios iš tikrųjų turite ir ar jūsų programos perkrauna branduolius, ar tiesiog naudoja vieną ar du, o likusius beveik nenaudoja.

Kiek procesoriaus branduolių reikėtų rinktis, atsižvelgiant į naudojimą?

Idealus branduolių skaičius ne visiems vienodas. Tai priklauso nuo to, kokias užduotis atliekate kasdien ir ar jūsų mėgstamiausios programos yra optimizuotos, kad išnaudotų kelis branduolius ir gijas . Daugiau ne visada yra geriau, bet svarbu rasti tinkamą diapazoną.

Labai paprastam naudojimui (naršymui, paprastoms biuro užduotims, el. paštui, vaizdo įrašų peržiūrai) paprastai pakanka 2 fizinių branduolių , nors šiandien labiau patartina rinktis bent 4, kad būtų daugiau laiko būsimiems programinės įrangos atnaujinimams ir šiek tiek intensyvesniam daugiaprogramiam darbui.

Jei paprastai žaidžiate mažiau reikalingus žaidimus, atliekate nedidelį nuotraukų ar vaizdo įrašų redagavimą ir vienu metu laikote atidarytas kelias programas, protingiausias pasirinkimas yra ieškoti keturių branduolių procesoriaus su daugiagija darbo palaikymu. Patobulinimas, palyginti su dviejų branduolių procesoriumi, yra reikšmingas kalbant apie bendrą sklandumą, įkėlimo laiką ir galimybę vienu metu valdyti kelias programas.

Reikšmingiems žaidimams, rimtesnio turinio kūrimui (didelės raiškos vaizdo įrašų redagavimui, dažnam 3D perteikimui) arba virtualių mašinų naudojimui perėjimas prie 6–8 branduolių diapazono suteikia didžiulį našumo šuolį. Daugelis šiuolaikinių žaidimų gali gana efektyviai išnaudoti 6 ar 8 branduolius, o redagavimo ir perteikimo programos paprastai labai gerai keičiasi su kiekvienu papildomu branduoliu.

Virš 10 branduolių kalbame apie sistemas, skirtas labai sudėtingiems scenarijams: aukščiausios klasės žaidimams su vienalaikiu srautiniu perdavimu , profesionaliam 3D vaizdavimui ir animacijai, sudėtingoms simuliacijoms arba darbo stotims ir serveriams, kurie lygiagrečiai vykdo daug užduočių. Tokiais atvejais, kuo daugiau branduolių ir gijų (jei programinė įranga juos gerai naudoja), tuo geresnė jų talpa apdoroti didelius darbo krūvius.

Branduolių ir gijų skaičiaus įtaka našumui

Didesnis branduolių ir gijų skaičius žymiai pakeičia sistemos veikimą esant apkrovai. CPU su keliais branduoliais gali apdoroti daug vienu metu atliekamų užduočių, vienai neblokuojant kitos , todėl padidėja reakcijos laikas, sumažėja strigimų ir padidėja stabilumas, kai kompiuteris veikia visu pajėgumu.

Daugiaprogramis veikimas vienu metu yra viena iš sričių, kurioje tai labiausiai pastebima. Kelių branduolių ir gijų turėjimas leidžia operacinei sistemai paskirstyti programas tarp skirtingų loginių procesorių , kad, kol vienas atlieka ilgus skaičiavimus, kiti gali toliau reaguoti į vartotojo komandas. Tai leidžia, pavyzdžiui, žaisti žaidimą, kol kažkas atvaizduojama fone arba įrašomas žaidimo vaizdo įrašas.

Vaizdo žaidimuose dauguma šiuolaikinių žaidimų paprastai yra pritaikomi 4 arba 6 branduoliams, o kai kurie aukščiausios klasės žaidimai naudoja 8 fizinius branduolius . Tokiais atvejais, be vaizdo plokštės, procesorius turi tvarkyti fiziką, dirbtinį intelektą, žaidimo logiką, tinklą ir pan. Šių užduočių paskirstymas keliems branduoliams ir gijoms padeda išlaikyti stabilesnį kadrų dažnį, ypač labai sudėtingose ​​scenose.

Kuriant turinį, pavyzdžiui, profesionaliai redaguojant vaizdo įrašus, 3D vaizdavimą ar apdorojant didelio masto nuotraukas, branduolių skaičius vaidina labai svarbų vaidmenį. Daugelis vaizdavimo variklių, vaizdo kodavimo įrenginių ir profesionalių įrankių yra sukurti taip, kad su kiekvienu papildomu branduoliu mastelis būtų beveik tiesinis , todėl perėjus nuo 4 iki 8 branduolių, esant tam tikram darbo krūviui, eksportavimo laikas gali sutrumpėti perpus.

Serverių ir darbo stočių aplinkose dešimčių vartotojų, virtualių mašinų ar vienu metu veikiančių paslaugų tvarkymas reikalauja labai didelio branduolių skaičiaus , dažnai 16 ar daugiau. Kiekviena paslauga ar mašina gali turėti kelis rezervuotus branduolius ir gijas, ir vis tiek turėti vietos naujoms užduotims, o tai žymiai padidina bendrą sistemos pajėgumą.

Tačiau svarbu nepamiršti, kad ne visos programos pilnai išnaudoja papildomų branduolių galimybes . Daugelis programų vis dar labai priklauso nuo vieno pagrindinio gijos, todėl kiekvieno branduolio greitis (dažnis ir našumas per ciklą) išlieka labai svarbus. Idealiu atveju reikėtų derinti pagrįstą branduolių skaičių su tinkamu dažniu, nepasiduojant vien rinkodaros ažiotažui, susijusiam su gijų skaičiumi.

Turint visa tai omenyje, akivaizdu, kad branduoliai ir gijos veikia kartu, kad nustatytų faktinį procesoriaus elgesį : branduoliai nustato, kiek nepriklausomų užduočių galima apdoroti lygiagrečiai, o gijos leidžia šias užduotis suskaidyti į mažesnes, geriau koordinuotas dalis. Supratimas, kaip kiekvienas komponentas dera tarpusavyje, padeda pasirinkti tinkamą procesorių ir įvertinti, ar atnaujinimas tikrai vertas dėmesio jūsų kasdienėms užduotims.