Apakah teras dan utas pemproses?

Informatec Digital » Sumber » Apakah teras dan utas pemproses?

Apabila anda mula melihat spesifikasi pemproses, mudah untuk hilang di antara begitu banyak data: frekuensi, cache, TDP… dan, sudah tentu, bahagian terkenal tentang bilangan teras dan thread . Ini adalah istilah yang diulang di mana-mana tetapi masih menimbulkan sedikit kekeliruan, walaupun di kalangan pengguna berpengalaman.

Memahami teras dan thread CPU bukan sekadar perkara teknikal. Ia memberi kesan langsung kepada prestasi komputer di dunia sebenar, kelancaran multitasking berjalan dan prestasi permainan, perisian penyuntingan video dan mesin maya. Walaupun pengguna asas boleh mengurusnya tanpa perlu mendalami terlalu mendalam, menguasai konsep ini adalah penting bagi sesiapa sahaja yang memprogram, membina PC atau hanya ingin membuat keputusan pembelian yang termaklum.

Apakah teras pemproses?

Tersembunyi di dalam cip kecil yang kita panggil CPU ialah beberapa blok logik yang bertindak sebagai unit pengkomputeran yang bebas sepenuhnya . Blok-blok ini adalah teras. Setiap teras boleh mengambil arahan daripada RAM, memprosesnya selari dengan jam pemproses dan mengembalikan hasil, seperti otak kecil di dalam cip utama.

Pemproses lama hanya mempunyai satu teras yang mampu melaksanakan satu arahan setiap kitaran jam . Kapasiti ini diukur dalam megahertz (MHz) atau gigahertz (GHz): semakin tinggi frekuensi, semakin banyak arahan sesaat yang dapat diselesaikannya. Hari ini, selain meningkatkan kelajuan jam, pengeluar telah menggandakan bilangan teras untuk meningkatkan kuasa pemprosesan mentah secara mendadak.

Setiap teras bertindak sebagai subpemproses fizikal yang disepadukan ke dalam pakej yang sama . CPU quad-core adalah seperti mempunyai empat pemproses yang berfungsi secara selari pada cip yang sama. Ini bermakna, dalam satu kitaran, CPU boleh mengendalikan empat arahan berbeza secara serentak, mendarabkan kuasa pengkomputeran selagi sistem pengendalian dan program boleh memanfaatkannya.

Adalah penting untuk ditekankan bahawa teras adalah komponen fizikal, bukan sesuatu yang maya atau disimulasikan oleh perisian . Ia terdiri daripada berjuta-juta transistor dan litar yang melaksanakan unit aritmetik, unit kawalan, daftar dalaman dan elemen lain yang membolehkan kitaran arahan (ambil, nyahkod, laksana dan tulis hasil) dilaksanakan berulang kali.

Hari ini, dalam pasaran pengguna, adalah perkara biasa untuk menemui pemproses dengan 2, 4, 6, 8, dan juga lebih daripada 10 teras , manakala stesen kerja dan pelayan biasanya menawarkan nombor yang lebih tinggi, seperti 16, 32, atau lebih teras fizikal. Lebih banyak teras, lebih banyak tugas boleh diproses secara serentak, yang amat berguna untuk aplikasi profesional, pelayan atau aliran kerja dengan beban kerja selari yang tinggi.

Apakah thread pemproses dan bagaimana ia berfungsi?

Walaupun kernel merupakan komponen fizikal, thread (atau subproses) pula merupakan entiti logik atau maya yang mewakili aliran pelaksanaan dalam program dan sistem pengendalian boleh menjadualkannya merentasi satu atau lebih kernel. Thread pada asasnya merupakan jujukan arahan yang boleh dilaksanakan secara bebas daripada yang lain, dengan maklumat konteksnya sendiri.

Kita boleh melihat thread sebagai laluan yang diambil oleh sekeping kod melalui pemproses . Setiap thread mempunyai daftar pelaksanaannya sendiri, tindanannya sendiri dan kaunter program yang menunjukkan arahan yang harus dilaksanakan pada bila-bila masa. Sistem pengendalian bertanggungjawab untuk menugaskan thread ini kepada teras yang tersedia dan mengagihkan masa CPU di antara mereka secekap mungkin.

Dalam pengaturcaraan, perbezaan dibuat antara aplikasi berulir tunggal dan berbilang utas . Program berulir tunggal hanya mempunyai satu aliran pelaksanaan: arahan dilaksanakan satu demi satu, secara berurutan. Sebaliknya, dalam aplikasi berbilang utas , kerja diagihkan di antara beberapa utas yang boleh berjalan secara selari, berkongsi sumber tetapi dilaksanakan secara serentak.

Kaedah membahagikan beban kerja ini membolehkan satu program melaksanakan berbilang operasi secara serentak . Contohnya, editor video boleh mendedikasikan satu thread kepada antara muka grafik, satu lagi kepada pemaparan, satu lagi kepada audio, dan sebagainya. Jika terdapat teras dan thread CPU yang mencukupi, bahagian program ini akan berjalan serentak, meningkatkan masa tindak balas dan mengurangkan rasa lag.

Dalam praktiknya, banyak pemproses moden menggunakan teknologi multithreading serentak seperti SMT atau Hyper-Threading, yang membolehkan setiap teras fizikal mengendalikan dua thread pelaksanaan secara serentak . Ini menjelaskan mengapa anda melihat CPU dengan, contohnya, 6 teras dan 12 thread: terdapat enam unit fizikal, tetapi setiap satu boleh membawa dua aliran arahan berbeza pada masa yang sama, menjadikan unit dalaman yang sebaliknya akan terbiar dengan lebih baik. Teknologi Hyper-Threading Intel adalah contoh yang terkenal untuk ini.

Hubungan antara program, proses dan thread

Untuk memahami sepenuhnya peranan thread, adalah berguna untuk kembali ke tahap sebelumnya dan melihat bagaimana kerja disusun dalam sistem pengendalian. Program hanyalah satu set arahan yang disimpan pada cakera (aplikasi, pemacu, sistem pengendalian itu sendiri, dll.) dalam format binari, sedia untuk dimuatkan ke dalam memori apabila diperlukan.

Apabila anda menjalankan program, sistem akan mencipta sekurang-kurangnya satu proses yang dimuatkan ke dalam RAM . Proses ini merangkumi kod boleh laku, data, sumber yang diperlukannya (penerang fail, memori simpanan, dll.), dan konteks yang diuruskan oleh sistem pengendalian dengan teliti. Setiap proses terletak di ruang memori tertentu, diasingkan daripada yang lain, yang memberikan kestabilan dan keselamatan.

Sesuatu proses memerlukan elemen asas tertentu untuk berfungsi: kaunter program yang menunjukkan arahan seterusnya yang akan dilaksanakan, satu siri daftar tempat data sementara dan maklumat kawalan disimpan, dan tindanan yang menyimpan data daripada fungsi aktif. Semua ini sentiasa disimpan dan dipulihkan apabila sistem bertukar dari satu proses ke proses yang lain.

Apa yang menarik ialah setiap proses berjalan secara bebas antara satu sama lain . Hasil daripada kebebasan ini, jika satu aplikasi ranap, seluruh sistem boleh terus berfungsi. Keupayaan untuk mengurus berbilang proses ini membolehkan persekitaran berbilang tugas: melayari internet sambil mendengar muzik, menyemak e-mel anda dan memuat turun fail secara serentak.

Dalam setiap proses, terdapat thread pelaksanaan. Thread ialah unit kerja terkecil yang boleh diperuntukkan oleh sistem pengendalian kepada CPU . Sesuatu proses boleh terdiri daripada thread tunggal (kes paling mudah) atau banyak thread yang berkongsi ruang memori dan sumber pemprosesan yang sama, tetapi dilaksanakan secara selari.

Proses wayar tunggal dan berbilang wayar

Dalam proses berulir tunggal, semua kod program dilaksanakan dalam satu aliran arahan . Ini bermakna jika satu bahagian program mengambil masa yang lama (contohnya, operasi cakera yang perlahan atau pengiraan yang berat), aplikasi yang lain mungkin disekat sehingga operasi itu selesai, mewujudkan rasa lembap atau beku.

Apabila sesuatu proses dijalankan secara berbilang utas, tugasnya dibahagikan kepada beberapa subproses yang lebih kecil yang dipanggil utas . Utas ini berkongsi memori dan sumber, tetapi setiap satu mempunyai susunan daftar dan kaunter programnya sendiri. Dengan cara ini, dua atau lebih bahagian program boleh dilaksanakan secara serentak, mengurangkan masa menunggu dan menggunakan teras yang tersedia dengan lebih baik.

Contohnya, pelayar web mungkin mempunyai satu thread untuk antara muka, satu lagi untuk memuatkan halaman, satu lagi untuk melaksanakan kod JavaScript dan satu lagi untuk memainkan video. Jika terdapat berbilang teras dan thread CPU, semua thread ini boleh berjalan serentak , menghasilkan pengalaman pengguna yang lebih lancar.

Kuncinya ialah, dengan lebih banyak thread, jumlah pengiraan serentak meningkat dengan ketara . Ini tidak bermakna CPU itu sendiri lebih pantas, tetapi sebaliknya ia boleh memastikan unit dalamannya sibuk dengan lebih banyak kerja selari. Ini diterjemahkan kepada penggunaan perkakasan yang lebih baik, terutamanya dalam program yang direka khusus untuk berfungsi dengan banyak thread.

Dalam pemproses dengan teknologi berbilang thread, teras dwi-thread tidak secara literal melaksanakan dua arahan dalam kitaran yang sama pada kecekapan 100%, tetapi ia boleh bertukar antara dua thread dengan begitu pantas sehingga terasa seperti ia berfungsi secara selari. Sistem pengendalian memperuntukkan "kepingan masa CPU" yang kecil kepada setiap thread, dan pertukaran antara keduanya berlaku dalam pecahan saat, tidak dapat dilihat oleh pengguna.

Perbezaan asas antara teras dan untaian

Perbezaan utama ialah teras ialah unit pemprosesan fizikal , manakala thread ialah entiti logik yang mewakili tugas atau subproses yang berjalan pada teras tersebut. Teras boleh wujud tanpa thread SMT tambahan (hanya melaksanakan satu aliran arahan), tetapi thread, walau apa pun maya, sentiasa memerlukan teras fizikal pada satu ketika untuk dilaksanakan.

Apabila melihat spesifikasi CPU, anda akan melihat kombinasi seperti "4 teras / 8 utas" atau "6 teras / 12 utas." Ini bermakna setiap teras fizikal boleh mengendalikan dua utas pelaksanaan secara serentak . Dalam pemproses 6 teras, 12 utas, sistem pengendalian melihat 12 unit logik untuk menjadualkan tugas, walaupun pada peringkat silikon hanya terdapat 6 blok pelaksanaan yang lengkap.

Secara praktikal, teras menentukan berapa banyak tugas yang benar-benar bebas yang boleh dilakukan oleh CPU secara serentak , manakala thread memperhalusi penggunaan teras tersebut, meminimumkan masa melahu dan membolehkan lebih banyak thread serentak. Inilah sebabnya thread dikatakan meningkatkan kecekapan, tetapi lonjakan ketara dalam kapasiti sebenar sentiasa datang daripada penambahan lebih banyak teras fizikal.

Pendek kata, teras menyediakan otot fizikal, manakala benang mengatur kerja dengan lebih baik . Keseimbangan yang baik antara kedua-duanya membuat semua perbezaan dalam prestasi sistem keseluruhan, terutamanya apabila berurusan dengan multitasking yang intensif atau perisian profesional yang mencabar.

Teras atau untaian: yang mana lebih penting bergantung pada penggunaannya

Persoalan biasa apabila membeli CPU ialah sama ada untuk mengutamakan lebih banyak teras fizikal atau lebih banyak thread logik . Jawapannya sebahagian besarnya bergantung pada cara anda berhasrat untuk menggunakan komputer dan bagaimana aplikasi yang biasanya anda gunakan diprogramkan.

Dalam tugasan yang banyak menggunakan perkakasan, seperti permainan yang mencabar, penyuntingan video lanjutan, pemaparan 3D atau menjalankan mesin maya, mempunyai sebilangan besar teras fizikal biasanya lebih bermanfaat . Beban kerja ini mendapat manfaat daripada keupayaan untuk mengagihkan tugasan besar merentasi berbilang teras fizikal, dan bukannya hanya bergantung pada thread logik merentasi beberapa teras.

Untuk kegunaan harian yang lebih kerap, seperti menyemak imbas, mengendalikan dokumen, menggunakan beberapa aplikasi ringan secara serentak atau menggunakan kandungan multimedia, pengurusan thread yang cekap boleh membawa perbezaan yang lebih besar . Walaupun dengan beberapa teras, jika CPU menyokong berbilang thread setiap teras dan sistem mengagihkannya dengan baik, pengalaman keseluruhan akan menjadi lancar dan responsif.

Dalam pembangunan perisian, pemahaman yang menyeluruh tentang cara teras dan thread diuruskan adalah penting. Program yang selari dengan baik mungkin tidak memanfaatkan pemproses yang mempunyai banyak thread atau banyak teras , manakala aplikasi yang direka bentuk dengan baik akan berskala dengan baik apabila bilangan teras yang tersedia meningkat. Sesetengah perisian dioptimumkan untuk banyak thread logik, manakala perisian lain hanya tahu cara memanfaatkan beberapa teras yang sangat berkuasa.

Secara ringkasnya, bagi kebanyakan pengguna di rumah, CPU 4 hingga 6 teras dengan bilangan thread yang baik biasanya menawarkan keseimbangan yang hebat antara harga dan prestasi . Bagi pencipta kandungan, pemain permainan yang gemar atau profesional yang menggunakan program yang mencabar, menaik taraf kepada 8, 10 atau lebih teras adalah lebih masuk akal, terutamanya jika aplikasi tersebut direka bentuk untuk memanfaatkan multithreading.

Cara mengetahui berapa banyak teras dan thread yang ada pada CPU anda

Jika anda ingin menyemak berapa banyak teras dan thread yang ada pada komputer anda, sistem pengendalian itu sendiri menawarkan alat yang sangat mudah untuk melakukannya tanpa memasang apa-apa tambahan . Ini berguna untuk mengetahui sama ada perkakasan anda memenuhi keperluan program atau permainan tertentu, atau untuk menilai sama ada ia benar-benar berbaloi untuk menaik taraf pemproses anda.

Dalam Windows 10 atau 11, anda boleh membuka menu konteks butang Mula dan pergi ke bahagian "Sistem" untuk melihat model pemproses yang dipasang . Dengan maklumat itu, anda boleh mencari di laman web pengilang dan menyemak berapa banyak teras dan thread yang disokongnya. Di samping itu, Pengurus Tugas , dalam tab "Prestasi", memaparkan graf setiap CPU logik yang memberi anda gambaran tentang bilangan thread yang digunakan oleh sistem.

Jika anda mahukan maklumat yang lebih terperinci, Pengurus Tugas itu sendiri mempunyai pautan ke Resource Monitor , di mana anda boleh melihat pecahan proses dan thread berserta penggunaan CPUnya. Setiap entri "thread" di sana sepadan dengan thread pelaksanaan yang diuruskan oleh sistem.

Pada macOS, maklumat asas CPU boleh didapati dalam menu Apple, di bawah "Perihal Mac Ini" dan kemudian "Laporan Sistem ". Di sana anda boleh melihat nama pemproses dan, dengan merujuk spesifikasi rasmi, mengetahui bilangan teras fizikal dan thread. Monitor Aktiviti juga memaparkan bilangan thread yang terdapat pada setiap aplikasi yang dibuka.

Dengan alat ini, anda boleh mendapatkan gambaran yang jelas tentang berapa banyak kuasa pemprosesan selari yang anda ada dan sama ada program anda memenuhi teras atau hanya menggunakan satu atau dua, menyebabkan selebihnya hampir terbiar.

Berapa banyak teras CPU yang perlu anda pilih bergantung pada penggunaan anda?

Bilangan teras yang ideal tidak sama untuk semua orang. Ia bergantung pada jenis tugas yang anda lakukan setiap hari dan sama ada aplikasi kegemaran anda dioptimumkan untuk memanfaatkan berbilang teras dan thread . Lebih banyak tidak selalunya lebih baik, tetapi penting untuk mencari julat yang betul.

Untuk kegunaan yang sangat asas (melayari, tugas pejabat mudah, e-mel, menonton video) 2 teras fizikal biasanya mencukupi , walaupun hari ini lebih dinasihatkan untuk menggunakan sekurang-kurangnya 4 teras untuk mendapatkan margin bagi kemas kini perisian masa hadapan dan multitasking yang lebih intensif.

Jika anda biasanya bermain permainan yang kurang mencabar, melakukan penyuntingan foto atau video ringan, dan membiarkan beberapa aplikasi dibuka secara serentak, pilihan yang paling bijak adalah mencari pemproses quad-core dengan sokongan multi-threading. Penambahbaikan berbanding pemproses dwi-teras adalah ketara dari segi kelancaran keseluruhan, masa pemuatan dan keupayaan untuk mengendalikan berbilang program pada masa yang sama.

Untuk permainan yang mencabar, penciptaan kandungan yang lebih serius (penyuntingan video resolusi tinggi, pemaparan 3D yang kerap), atau penggunaan mesin maya, beralih ke julat 6-8 teras menawarkan lonjakan prestasi yang besar. Banyak permainan moden boleh memanfaatkan 6 atau 8 teras dengan agak cekap, dan program penyuntingan dan pemaparan biasanya berskala sangat baik dengan setiap teras tambahan.

Melebihi 10 teras, kita sedang membincangkan sistem yang direka untuk senario yang sangat mencabar: permainan mewah dengan penstriman serentak , pemaparan dan animasi 3D profesional, simulasi kompleks atau stesen kerja dan pelayan yang menjalankan banyak tugas secara selari. Dalam kes ini, semakin banyak teras dan thread yang ada (dengan syarat ia digunakan dengan baik oleh perisian), semakin baik kapasiti untuk memproses beban kerja yang besar.

Kesan kiraan teras dan benang terhadap prestasi

Mempunyai lebih banyak teras dan thread mengubah cara sistem berfungsi dengan ketara di bawah beban. CPU dengan berbilang teras boleh mengendalikan banyak tugas serentak tanpa satu menyekat yang lain , menghasilkan masa tindak balas yang lebih pantas, kurang gagap dan kestabilan yang lebih baik apabila PC anda berjalan pada kapasiti penuh.

Multitasking adalah salah satu bidang di mana perkara ini paling ketara. Mempunyai berbilang teras dan thread membolehkan sistem pengendalian mengagihkan aplikasi antara CPU logik yang berbeza , supaya sementara satu mengendalikan pengiraan yang panjang, yang lain boleh terus memberi respons kepada pengguna. Inilah yang membolehkan, sebagai contoh, bermain permainan semasa sesuatu sedang dipaparkan di latar belakang atau merakam video permainan.

Dalam permainan video, kebanyakan permainan moden biasanya berskala baik kepada 4 atau 6 teras, dan sesetengah permainan mewah memanfaatkan 8 teras fizikal . Dalam kes ini, selain kad grafik, pemproses mesti mengendalikan fizik, kecerdasan buatan, logik permainan, rangkaian dan sebagainya. Mengagihkan tugas-tugas ini merentasi berbilang teras dan thread membantu mengekalkan kadar bingkai yang lebih stabil, terutamanya dalam babak yang sangat mencabar.

Dalam penciptaan kandungan, seperti penyuntingan video profesional, pemaparan 3D atau pemprosesan foto berskala besar, bilangan teras memainkan peranan penting. Banyak enjin pemaparan, pengekod video dan alatan profesional direka bentuk untuk diskalakan hampir secara linear dengan setiap teras tambahan , jadi peralihan daripada 4 kepada 8 teras boleh mengurangkan separuh masa eksport di bawah beban kerja tertentu.

Dalam persekitaran pelayan dan stesen kerja, pengendalian berpuluh-puluh pengguna, mesin maya atau perkhidmatan serentak memerlukan kiraan teras yang sangat tinggi , selalunya 16 atau lebih. Setiap perkhidmatan atau mesin boleh mempunyai beberapa teras dan thread yang dikhaskan, dan masih mempunyai ruang untuk tugas baharu, sekali gus meningkatkan kapasiti sistem keseluruhan dengan ketara.

Walau bagaimanapun, adalah penting untuk diingat bahawa tidak semua program memanfaatkan sepenuhnya teras tambahan . Banyak program masih banyak bergantung pada satu thread utama, jadi kelajuan setiap teras (frekuensi dan prestasi setiap kitaran) kekal penting. Sebaik-baiknya, anda harus menggabungkan bilangan teras yang munasabah dengan frekuensi yang baik, tanpa terpengaruh semata-mata oleh gembar-gembur pemasaran sekitar kiraan thread.

Dengan semua ini, jelas bahawa teras dan thread berfungsi bersama untuk menentukan tingkah laku sebenar CPU : teras menentukan berapa banyak tugas bebas yang boleh dikendalikan secara selari, dan thread membolehkan tugas-tugas ini dipecahkan kepada bahagian yang lebih kecil dan diselaraskan dengan lebih baik. Memahami bagaimana setiap komponen sesuai antara satu sama lain membantu anda memilih pemproses yang betul dan menilai sama ada penaiktarafan benar-benar berbaloi berdasarkan tugas harian anda.