Hva er prosessorkjerner og tråder?

Informatec Digital » Ressurser » Hva er prosessorkjerner og tråder?

Når man begynner å se på prosessorspesifikasjoner, er det lett å gå seg vill blant så mye data: frekvens, hurtigbuffer, TDP ... og selvfølgelig den berømte delen om antall kjerner og tråder . Dette er begreper som gjentas overalt, men som likevel skaper en del forvirring, selv blant erfarne brukere.

Å forstå CPU-kjerner og tråder er ikke bare et teknisk spørsmål. Det påvirker direkte datamaskinens ytelse i den virkelige verden, hvor smidig multitasking kjører, og hvor godt spill, videoredigeringsprogramvare og virtuelle maskiner yter. Selv om en grunnleggende bruker kan klare seg uten å gå for dypt inn i det, er det avgjørende å mestre disse konseptene for alle som programmerer, bygger PC-er eller bare ønsker å ta informerte kjøpsbeslutninger.

Hva er prosessorkjerner?

Gjemt inne i den lille brikken vi kaller CPU-en, finnes det flere logiske blokker som fungerer som helt uavhengige dataenheter . Disse blokkene er kjernene. Hver kjerne kan ta imot instruksjoner fra RAM, behandle dem synkronisert med prosessorens klokke og returnere resultater, som en liten hjerne inne i hovedbrikken.

Eldre prosessorer hadde bare én kjerne som kunne utføre én instruksjon per klokkesyklus . Denne kapasiteten ble målt i megahertz (MHz) eller gigahertz (GHz): jo høyere frekvens, desto flere instruksjoner per sekund kunne den fullføre. I dag, i tillegg til å øke klokkehastigheten, har produsenter mangedoblet antallet kjerner for å øke rå prosessorkraft dramatisk.

Hver kjerne fungerer som en fysisk delprosessor integrert i samme pakke . En firekjerners CPU er som å ha fire prosessorer som jobber parallelt på samme brikke. Dette betyr at CPU-en i en enkelt syklus kan håndtere fire forskjellige instruksjoner samtidig, og dermed multiplisere datakraften så lenge operativsystemet og programmene kan dra nytte av den.

Det er viktig å understreke at kjernene er fysiske komponenter, ikke noe virtuelt eller simulert av programvare . De består av millioner av transistorer og kretser som implementerer de aritmetiske enhetene, kontrollenhetene, interne registrene og andre elementer som gjør at instruksjonssyklusen (henting, dekoding, utførelse og skriving av resultat) kan utføres gjentatte ganger.

I dag er det vanlig å finne prosessorer med 2, 4, 6, 8 og til og med mer enn 10 kjerner på forbrukermarkedet , mens arbeidsstasjoner og servere vanligvis tilbyr enda høyere tall, for eksempel 16, 32 eller flere fysiske kjerner. Jo flere kjerner det er, desto flere oppgaver kan behandles samtidig, noe som er spesielt nyttig for profesjonelle applikasjoner, servere eller arbeidsflyter med høy parallell arbeidsbelastning.

Hva er prosessortråder, og hvordan fungerer de?

Mens kjerner er fysiske komponenter, er tråder (eller delprosesser) logiske eller virtuelle enheter som representerer en utførelsesflyt i et program, og som operativsystemet kan planlegge på tvers av en eller flere kjerner. En tråd er i hovedsak en sekvens av instruksjoner som kan utføres uavhengig av resten, med sin egen kontekstinformasjon.

Vi kan se på en tråd som banen et kodestykke tar gjennom prosessoren . Hver tråd har sine egne utførelsesregistre, sin egen stakk og en programteller som indikerer hvilken instruksjon som skal utføres til enhver tid. Operativsystemet er ansvarlig for å tilordne disse trådene til de tilgjengelige kjernene og fordele CPU-tiden mellom dem så effektivt som mulig.

I programmering skilles det mellom enkelttrådede og flertrådete applikasjoner . Et enkelttrådet program har bare én utførelsesflyt: instruksjoner utføres etter hverandre, på en strengt sekvensiell måte. I en flertrådet applikasjon , derimot, fordeles arbeidet mellom flere tråder som kan kjøre parallelt, dele ressurser, men kjøre samtidig.

Denne metoden for å dele arbeidsmengden lar et enkelt program utføre flere operasjoner samtidig . For eksempel kan et videoredigeringsprogram dedikere én tråd til det grafiske grensesnittet, en annen til rendering, en annen til lyd, og så videre. Hvis det er nok CPU-kjerner og tråder, kjører disse delene av programmet samtidig, noe som forbedrer responstidene og reduserer følelsen av forsinkelse.

I praksis bruker mange moderne prosessorer samtidige multitrådingsteknologier som SMT eller Hyper-Threading, som lar hver fysiske kjerne håndtere to utførelsestråder samtidig . Dette forklarer hvorfor du ser CPU-er med for eksempel 6 kjerner og 12 tråder: det er seks fysiske enheter, men hver av dem kan bære to forskjellige instruksjonsstrømmer samtidig, noe som bedre utnytter de interne enhetene som ellers ville være inaktive. Intels Hyper-Threading -teknologi er et velkjent eksempel på dette.

Forholdet mellom programmer, prosesser og tråder

For å forstå trådenes rolle fullt ut, er det nyttig å gå tilbake et nivå og se hvordan arbeid er organisert i operativsystemet. Et program er rett og slett et sett med instruksjoner lagret på disk (applikasjoner, drivere, selve operativsystemet osv.) i binært format, klare til å lastes inn i minnet når det er nødvendig.

Når du kjører et program, oppretter systemet minst én prosess som lastes inn i RAM . Denne prosessen inkluderer den kjørbare koden, dataene, ressursene den trenger (filbeskrivelser, reservert minne osv.) og en kontekst som operativsystemet nøye administrerer. Hver prosess er plassert i et spesifikt minneområde, isolert fra de andre, noe som gir stabilitet og sikkerhet.

En prosess trenger visse grunnleggende elementer for å fungere: en programteller som indikerer neste instruksjon som skal utføres, en serie registre der midlertidige data og kontrollinformasjon lagres, og en stabel som lagrer data fra aktive funksjoner. Alt dette lagres og gjenopprettes kontinuerlig når systemet bytter fra en prosess til en annen.

Det interessante er at hver prosess kjører uavhengig av de andre . Takket være denne uavhengigheten kan resten av systemet fortsette å fungere hvis ett program krasjer. Denne muligheten til å administrere flere prosesser gir mulighet for et multitasking-miljø: surfing på internett mens du lytter til musikk, sjekker e-posten din og laster ned filer samtidig.

Innenfor hver prosess finnes det utførelsestråder. En tråd er den minste arbeidsenheten som operativsystemet kan tildele til CPU-en . En prosess kan bestå av en enkelt tråd (det enkleste tilfellet) eller mange tråder som deler samme minneplass og prosesseringsressurser, men kjøres parallelt.

Entråds- og flertrådsprosesser

I en enkelttrådet prosess kjøres all programkoden i én enkelt instruksjonsstrøm . Dette betyr at hvis én del av programmet tar lang tid (for eksempel en treg diskoperasjon eller en tung beregning), kan resten av applikasjonen bli blokkert til den operasjonen er fullført, noe som skaper en følelse av treghet eller frysing.

Når en prosess er flertrådet, deles oppgaven inn i flere mindre delprosesser kalt tråder . Disse trådene deler minne og ressurser, men hver har sin egen registerstabel og programteller. På denne måten kan to eller flere deler av programmet kjøres samtidig, noe som reduserer ventetider og utnytter tilgjengelige kjerner bedre.

For eksempel kan en nettleser ha én tråd for grensesnittet, en annen for lasting av sider, en annen for kjøring av JavaScript-kode og en annen for avspilling av video. Hvis det er flere CPU-kjerner og tråder, kan alle disse trådene kjøres samtidig , noe som resulterer i en mye jevnere brukeropplevelse.

Nøkkelen er at med flere tråder øker volumet av samtidige beregninger betydelig . Dette betyr ikke at CPU-en i seg selv er raskere, men snarere at den kan holde sine interne enheter opptatt med mer parallelt arbeid. Dette betyr bedre maskinvareutnyttelse, spesielt i programmer som er spesielt utviklet for å fungere med mange tråder.

I prosessorer med flertrådsteknologi utfører ikke en dobbelttrådet kjerne bokstavelig talt to instruksjoner i samme syklus med 100 % effektivitet, men den kan bytte mellom to tråder så raskt at det føles som om de jobber parallelt. Operativsystemet tildeler små «biter av CPU-tid» til hver tråd, og vekslingen mellom dem skjer i brøkdeler av et sekund, umerkelig for brukeren.

Grunnleggende forskjeller mellom kjerner og tråder

Hovedforskjellen er at kjerner er fysiske prosesseringsenheter , mens tråder er logiske enheter som representerer oppgaver eller delprosesser som kjører på disse kjernene. En kjerne kan eksistere uten ekstra SMT-tråder (bare kjøre en enkelt instruksjonsstrøm), men en tråd, uansett hvor virtuell den er, krever alltid en fysisk kjerne på et tidspunkt for å kjøre.

Når du ser på CPU-spesifikasjoner, vil du se kombinasjoner som «4 kjerner / 8 tråder» eller «6 kjerner / 12 tråder». Dette betyr at hver fysiske kjerne kan håndtere to utførelsestråder samtidig . I en prosessor med 6 kjerner og 12 tråder ser operativsystemet 12 logiske enheter å planlegge oppgaver på, selv om det på silisiumnivå bare er 6 komplette utførelsesblokker.

I praksis bestemmer kjerner hvor mange uavhengige oppgaver CPU-en kan utføre samtidig , mens tråder finjusterer utnyttelsen av disse kjernene, minimerer inaktiv tid og gir mulighet for flere samtidige tråder. Dette er grunnen til at tråder sies å øke effektiviteten, men det betydelige spranget i reell kapasitet kommer alltid fra å legge til flere fysiske kjerner.

Kort sagt, kjernene gir den fysiske musklen, mens trådene organiserer arbeidet bedre . En god balanse mellom de to utgjør hele forskjellen i den generelle systemytelsen, spesielt når man har å gjøre med intensiv multitasking eller krevende profesjonell programvare.

Kjerner eller tråder: hva som er viktigst avhengig av bruken

Det typiske spørsmålet når man kjøper en CPU er om man skal prioritere flere fysiske kjerner eller flere logiske tråder . Svaret avhenger i stor grad av hvordan du har tenkt å bruke datamaskinen og hvordan applikasjonene du vanligvis bruker er programmert.

I oppgaver som bruker mye maskinvare, som krevende spill, avansert videoredigering, 3D-rendering eller kjøring av virtuelle maskiner, er det vanligvis mer fordelaktig å ha et stort antall fysiske kjerner . Disse arbeidsbelastningene drar nytte av å kunne distribuere store oppgaver på tvers av flere fysiske kjerner, i stedet for å bare stole på logiske tråder på tvers av noen få kjerner.

For mer daglig bruk, som surfing, arbeid med dokumenter, bruk av flere lette applikasjoner samtidig eller konsumering av multimedieinnhold, kan effektiv trådhåndtering utgjøre en større forskjell . Selv med få kjerner, hvis CPU-en støtter flere tråder per kjerne og systemet distribuerer dem godt, vil den generelle opplevelsen være jevn og responsiv.

I programvareutvikling er det viktig med en grundig forståelse av hvordan kjerner og tråder håndteres. Et dårlig parallellisert program kan være vanskelig å dra nytte av en prosessor med mange tråder eller mange kjerner , mens en godt designet applikasjon skalerer særlig bra etter hvert som antallet tilgjengelige kjerner øker. Noe programvare er optimalisert for mange logiske tråder, mens annen programvare bare vet hvordan den skal utnytte noen få svært kraftige kjerner.

Enkelt sagt gir en 4- til 6-kjerners CPU med et godt antall tråder vanligvis en god balanse mellom pris og ytelse for de fleste hjemmebrukere . For innholdsskapere, entusiastiske spillere eller profesjonelle som bruker krevende programmer, er det mye mer fornuftig å oppgradere til 8, 10 eller flere kjerner, spesielt hvis disse applikasjonene er designet for å dra nytte av multitråding.

Slik finner du ut hvor mange kjerner og tråder CPU-en din har

Hvis du vil sjekke hvor mange kjerner og tråder datamaskinen din har, tilbyr operativsystemet selv svært enkle verktøy for å gjøre det uten å installere noe ekstra . Dette er nyttig for å vite om maskinvaren din oppfyller kravene til et bestemt program eller spill, eller for å vurdere om det virkelig er verdt å oppgradere prosessoren din.

I Windows 10 eller 11 kan du åpne hurtigmenyen på Start-knappen og gå til «System»-delen for å se den installerte prosessormodellen . Med denne informasjonen kan du søke på produsentens nettsted og sjekke hvor mange kjerner og tråder den støtter. I tillegg viser Oppgavebehandling , i «Ytelse»-fanen, grafer per logisk CPU som gir deg en idé om antall tråder systemet bruker.

Hvis du ønsker mer detaljert informasjon, har Oppgavebehandling en lenke til Ressursmonitor , hvor du kan se en oversikt over prosesser og tråder sammen med CPU-bruken deres. Hver "tråd"-oppføring der tilsvarer en utførelsestråd som administreres av systemet.

På macOS finner du grunnleggende CPU-informasjon i Apple-menyen, under «Om denne Macen» og deretter «Systemrapport ». Der kan du se prosessorens navn og, ved å konsultere de offisielle spesifikasjonene, finne ut antall fysiske kjerner og tråder. Aktivitetsmonitor viser også antall tråder hvert åpne program har.

Med disse verktøyene kan du få en klar ide om hvor mye parallell prosessorkraft du faktisk har tilgjengelig , og om programmene dine metter kjernene eller bare bruker én eller to, slik at resten nesten er inaktive.

Hvor mange CPU-kjerner bør du velge, avhengig av bruken din?

Det ideelle antallet kjerner er ikke det samme for alle. Det avhenger av hvilke typer oppgaver du utfører daglig og om favorittprogrammene dine er optimalisert for å dra nytte av flere kjerner og tråder . Flere er ikke alltid bedre, men det er viktig å finne riktig utvalg.

For helt grunnleggende bruk (surfing, enkle kontoroppgaver, e-post, videotitting) er vanligvis 2 fysiske kjerner tilstrekkelig , selv om det i dag er mer tilrådelig å gå for minst 4 for å få margin for fremtidige programvareoppdateringer og litt mer intensiv multitasking.

Hvis du vanligvis spiller mindre krevende spill, driver med lett foto- eller videoredigering og har flere programmer åpne samtidig, er det mest fornuftige alternativet å se etter en firekjerners prosessor med støtte for flere tråder. Forbedringen i forhold til en tokjerners prosessor er betydelig når det gjelder generell jevnhet, lastetider og evnen til å håndtere flere programmer samtidig.

For krevende spill, mer seriøs innholdsproduksjon (videoredigering med høy oppløsning, hyppig 3D-rendering) eller bruk av virtuelle maskiner, gir det å gå over til 6-8 kjerner et stort sprang i ytelse. Mange moderne titler kan dra nytte av 6 eller 8 kjerner ganske effektivt, og redigerings- og renderingsprogrammer skalerer vanligvis veldig bra med hver ekstra kjerne.

Over 10 kjerner snakker vi om systemer designet for svært krevende scenarier: avansert spilling med samtidig strømming , profesjonell 3D-rendering og animasjon, komplekse simuleringer, eller arbeidsstasjoner og servere som kjører mange oppgaver parallelt. I disse tilfellene, jo flere kjerner og tråder det er (forutsatt at de utnyttes godt av programvaren), desto bedre er kapasiteten til å behandle massive arbeidsmengder.

Innvirkning av kjerne- og trådantall på ytelse

Flere kjerner og tråder endrer systemets oppførsel under belastning betraktelig. En CPU med flere kjerner kan håndtere mange samtidige oppgaver uten at den ene blokkerer den andre , noe som resulterer i raskere responstider, færre hakkinger og større stabilitet når PC-en kjører med full kapasitet.

Multitasking er et av områdene der dette er mest merkbart. Å ha flere kjerner og tråder lar operativsystemet distribuere applikasjoner mellom forskjellige logiske CPU-er , slik at mens én håndterer en langvarig beregning, kan andre fortsette å svare brukeren. Dette er det som gjør det mulig å for eksempel spille et spill mens noe gjengis i bakgrunnen eller spiller inn spillvideo.

I videospill skalerer de fleste moderne titler vanligvis godt til 4 eller 6 kjerner, og noen avanserte spill utnytter 8 fysiske kjerner . I disse tilfellene må prosessoren, i tillegg til grafikkortet, håndtere fysikk, kunstig intelligens, spilllogikk, nettverk og så videre. Å fordele disse oppgavene på tvers av flere kjerner og tråder bidrar til å opprettholde mer stabile bildefrekvenser, spesielt i svært krevende scener.

I innholdsproduksjon, som profesjonell videoredigering, 3D-rendering eller storskala fotobehandling, spiller antall kjerner en avgjørende rolle. Mange renderingsmotorer, videokodere og profesjonelle verktøy er utformet for å skaleres nesten lineært med hver ekstra kjerne , så å gå fra 4 til 8 kjerner kan halvere eksporttiden under visse arbeidsbelastninger.

I server- og arbeidsstasjonsmiljøer krever håndtering av dusinvis av brukere, virtuelle maskiner eller samtidige tjenester et svært høyt antall kjerner , ofte 16 eller flere. Hver tjeneste eller maskin kan ha reservert flere kjerner og tråder, og fortsatt ha plass til nye oppgaver, noe som øker den totale systemkapasiteten betydelig.

Det er imidlertid viktig å huske at ikke alle programmer utnytter ekstra kjerner fullt ut . Mange programmer er fortsatt sterkt avhengige av én hovedtråd, så hastigheten til hver kjerne (frekvens og ytelse per syklus) er fortsatt avgjørende. Ideelt sett bør du kombinere et rimelig antall kjerner med en god frekvens, uten å bli påvirket utelukkende av markedsføringshypen rundt trådantall.

Med alt dette i tankene er det tydelig at kjerner og tråder samarbeider for å bestemme CPU-ens faktiske oppførsel : kjerner bestemmer hvor mange uavhengige oppgaver som kan håndteres parallelt, og tråder gjør at disse oppgavene kan deles opp i mindre, bedre koordinerte deler. Å forstå hvordan hver komponent passer sammen hjelper deg med å velge riktig prosessor og vurdere om oppgradering virkelig er verdt det basert på dine daglige oppgaver.