- Многоядерные процессоры объединяют несколько полноценных ядер в одном чипе, используя общие схемы для снижения стоимости, энергопотребления и производительности.
- Многопроцессорная система размещает на материнской плате несколько физических процессоров, достигая аналогичных эффектов на уровне потоков, но с большей сложностью и более высокой стоимостью.
- Для того чтобы в полной мере использовать преимущества многоядерных процессоров, необходимы параллельные операционные системы и приложения, а также такие технологии, как HyperThreading или SMT, позволяющие максимально эффективно использовать каждое ядро.
- Энергопотребление, теплоотвод и миниатюризация транзисторов определяют эволюцию центральных процессоров, графических процессоров и специализированных чипов для искусственного интеллекта и других ресурсоемких приложений.
Если вы сегодня откроете практически любой настольный компьютер, ноутбук или даже смартфон, вы обнаружите многоядерный процессор, предназначенный для параллельной работы . Хотя мы живем с этой технологией уже много лет, до сих пор существует значительная путаница относительно того, что значит иметь несколько ядер, чем они отличаются от наличия нескольких физических процессоров и как все это соотносится с такими концепциями, как HyperThreading, SMT или GPU.
Чтобы развеять все эти сомнения, давайте спокойно, но прямо рассмотрим архитектуру многоядерного процессора , роль каждого компонента и то, как он используется операционной системой и программным обеспечением . Мы также рассмотрим реальную разницу между многоядерными и многопроцессорными системами, обсудим энергопотребление и тепловыделение, и в заключение рассмотрим роль графических процессоров и микросхем, специализирующихся на таких задачах, как искусственный интеллект и видеомонтаж.
Основные функции центрального процессора в компьютере
Процессор, или центральный процессор , — это электронная схема, которая интерпретирует и выполняет программные инструкции . Он состоит из миллионов или миллиардов транзисторов, организованных в логические элементы и внутренние каналы, по которым циркулируют электрические сигналы, представляющие данные и команды.
Именно этот центральный процессор позволяет компьютеру превратиться из набора микросхем и проводов в машину, способную преобразовывать электрические сигналы в обработку данных и, во многих случаях, в физические действия в реальном мире . Без процессора персональный компьютер, игровая приставка, мобильный телефон или даже «умный» прибор были бы не более чем дорогим украшением.
Когда вы запускаете офисное приложение, компилируете код, воспроизводите видео или просто просматриваете интернет, ваш процессор постоянно считывает инструкции, перемещает данные между памятью, регистрами и периферийными устройствами, а также координирует работу остальной части системы . Эта координация операций измеряется в герцах (Гц), что указывает, сколько тактовых циклов в секунду может выполнить процессор.
В течение многих лет отрасль фокусировалась в основном на частоте: гонка за достижение и превышение гигагерц привела к созданию таких архитектур, как Intel NetBurst, разработанных для масштабирования в ГГц . Но позже они столкнулись с препятствием: каждое повышение частоты приводило к увеличению энергопотребления и температуры до уровней, которые трудно контролировать с помощью обычных радиаторов.
Что же такое процессорное ядро?
Внутри корпуса современного центрального процессора находится не единый монолитный вычислительный блок, а несколько повторяющихся блоков: каждое ядро по сути представляет собой полноценный центральный процессор, интегрированный в один и тот же чип . Совокупность всех этих ядер, их кэшей и внутренних шин обычно называется архитектурой процессора.
На рынке потребительских ПК доминирующей архитектурой является x86 и её 64-битные расширения. Эта архитектура определяет набор инструкций, регистры, режимы адресации и общее поведение ядер . На её основе строятся процессоры с 2, 4, 8, 16 и более ядрами, все из которых способны выполнять один и тот же тип машинного кода.
Если мы рассмотрим детали, то увидим, что каждое ядро состоит из нескольких ключевых блоков, которые работают вместе для быстрого и упорядоченного выполнения инструкций . Хотя конкретные реализации различаются в зависимости от производителя и поколения, основные элементы очень похожи.
Типичный базовый модуль включает, помимо прочего, следующие компоненты:
- Блок управления (УК)отвечает за направлять поток инструкций и синхронно координировать работу ядра и его взаимодействие с памятью и периферийными устройствами.Она генерирует управляющие сигналы, указывающие, что следует прочитать, записать или декодировать в каждом цикле.
- Арифметико-логическое устройство (АЛУ): это та часть, которая Она выполняет арифметические операции (сложение, вычитание, сдвиг) и логические операции (И, ИЛИ, Исключающее ИЛИ, сравнения) над полученными данными.Для распараллеливания микроопераций обычно используется несколько арифметико-логических устройств (АЛУ).
- УчетЭто небольшие ячейки сверхбыстрой памяти. где временно хранятся данные, адреса и промежуточные результаты выполняемых инструкций.Они выступают в качестве непосредственной «рабочей группы» основного состава.
Вокруг этих элементов также расположены кэши разных уровней (L1, L2, иногда общий L3), очереди инструкций, логика предсказания ветвлений и специализированные блоки для операций с плавающей запятой или векторных операций . Все это в совокупности обеспечивает обработку непрерывного потока инструкций с максимально возможной эффективностью.
Почему мы перешли от увеличения частоты в ГГц к добавлению большего количества ядер?
На заре развития персональных компьютеров самым простым способом увеличить мощность было повышение тактовой частоты: чем больше тактовых циклов в секунду, тем больше инструкций можно было выполнить, при условии, что архитектура это позволяла . Создание первого процессора с частотой 1 ГГц стало важной вехой как для серверов, так и для домашних ПК.
Первым коммерческим чипом, достигшим гигагерцового уровня, стал DEC Alpha в начале 90-х годов, процессор, разработанный для рабочих станций и серверов . На внутреннем рынке, примерно в 1999 году, Intel со своим Pentium III и AMD со своим Athlon также достигли гигагерцового барьера, и некоторое время маркетинговая стратегия была сосредоточена на принципе «чем больше ГГц, тем лучше».
Однако, после достижения определенного предела, производители обнаружили, что дальнейшее увеличение частоты резко возрастает как по тепловыделению, так и по потреблению энергии . Сердечник подвергался огромным тепловым нагрузкам, и необходимые системы охлаждения становились непрактичными для обычного пользователя.
В этом контексте произошла смена стратегии: если масштабирование в МГц и ГГц становилось все менее целесообразным, логичной альтернативой стало внедрение многоядерных процессоров, способных одновременно выполнять различные задачи . Вместо одного ядра с частотой 10 ГГц отрасль переключила свое внимание на предложение двух, четырех, восьми или более ядер, работающих на более низких частотах.
Идея относительно проста: если одно ядро способно обрабатывать определенное количество инструкций в единицу времени, то несколько ядер могут распределить нагрузку и повысить общую производительность, особенно если программное обеспечение предназначено для параллельной работы . Это лежит в основе современной многоядерной архитектуры.
Первые многоядерные процессоры и их эволюция
Хотя домашние пользователи начали слышать о двухъядерных процессорах примерно в середине 2000-х годов, первые многоядерные процессоры уже использовались в серверных средах и крупных системах . Как это часто бывает, технология сначала пришла из корпоративного мира.
Одним из первых важных достижений стал процессор IBM POWER4, считающийся первым коммерческим процессором с двумя ядрами, интегрированными на одном чипе . Он появился примерно в 2000-2001 годах с частотой около 1,1 ГГц и был предназначен для высокопроизводительных серверов.
На потребительском рынке этот скачок произошел несколько позже. В 2005 году Intel выпустила Pentium Extreme Edition 840, двухъядерный настольный процессор, который также включал технологию HyperThreading , позволяющую операционной системе видеть четыре логических процессора. Вскоре после этого AMD ответила процессором Athlon X2.
Тем временем было исследовано другое направление: многопроцессорные системы, в которых на материнской плате размещаются два или более полноценных физических процессора . Этот вариант обеспечивал высокую производительность, но за счет сложности, энергопотребления и цены, поэтому он оставался преимущественно для серверов и высокопроизводительных рабочих станций.
Со временем, благодаря миниатюризации транзисторов, стало возможным интегрировать все больше и больше ядер на одной интегральной схеме, что позволило уменьшить размер и энергопотребление на единицу производительности . Технологические процессы около 7 нм или даже меньше позволили вывести на профессиональный рынок настоящих монстров с количеством ядер до 32 или 64.
Многоядерные процессоры против многопроцессорных систем: это одно и то же?
На концептуальном уровне многоядерная система и многопроцессорная система очень похожи: в обоих случаях имеется несколько «вычислительных мозгов», способных одновременно выполнять потоки . Именно поэтому многие объяснения (например, то, которое вы упомянули на сайте Superuser) сводят разницу к преимущественно физическим и экономическим аспектам.
В классической многопроцессорной системе на материнской плате установлено несколько физических процессоров, каждый со своими ядрами, кэшами и контроллерами . Однако в современном многоядерном чипе все эти ядра находятся в одном корпусе и используют общие схемы, такие как кэши или доступ к памяти.
Что это означает на практике? Это означает, что многоядерная система обычно более эффективна с точки зрения стоимости, занимаемого пространства и энергопотребления, чем использование нескольких отдельных физических процессоров для достижения аналогичного количества ядер . Логика когерентности кэша и внутренние шины гораздо лучше интегрированы и оптимизированы.
Однако с точки зрения операционной системы и большинства приложений ядро — это просто исполнительный блок, способный запускать потоки, независимо от того, находится ли оно на том же чипе, что и другие ядра, или на отдельном процессоре . Именно поэтому во многих описаниях упрощают понятие и говорят, что многоядерные и многопроцессорные системы «делают одно и то же».
Сравнительные таблицы на некоторых сайтах (например, на тех, ссылки на которые вы привели с GeeksforGeeks или Javatpoint) иногда преувеличивают различия, доходя даже до утверждений типа «многоядерная система хороша только для запуска одной быстрой программы, а многопроцессорные системы необходимы для запуска нескольких программ », что неверно. Оба типа систем могут запускать несколько процессов и несколько потоков; реальная разница заключается в том, как реализована физическая реализация, а также в нюансах согласованности памяти, задержки и масштабируемости.
Что необходимо для того, чтобы в полной мере использовать преимущества многоядерных процессоров?
Размещение множества ядер на кристалле — это только половина дела. Чтобы максимально эффективно их использовать, операционная система и, прежде всего, приложения должны быть спроектированы таким образом, чтобы распараллеливать рабочую нагрузку между несколькими потоками . Какое-то время это было настоящим узким местом на пути к многоядерным процессорам.
Современные операционные системы (Windows, Linux, macOS и т. д.) являются полностью многопроцессными и способны распределять процессы и потоки между различными доступными физическими и логическими ядрами . Планировщик отвечает за определение того, какой поток будет выполняться на каком ядре и в течение какого времени.
Историческая проблема заключалась не столько в операционной системе, сколько в пользовательском программном обеспечении. Многие старые программы были написаны с расчетом на однопоточное выполнение, поэтому даже если компьютер имел 4 или 8 ядер, конкретное приложение использовало бы только одно из них . В таких случаях добавление большего количества ядер практически не улучшало производительность конкретной задачи.
Со временем, под влиянием необходимости (видеомонтаж, 3D-дизайн, моделирование, серверы баз данных и т. д.), разработчики начали создавать приложения с настоящей многоядерной поддержкой, разделяя работу на потоки, способные выполняться параллельно . Именно в этом контексте становятся важными понятия процессов, подпроцессов или потоков.
Сегодня профессиональные программы для проектирования, рендеринга, видеомонтажа или САПР обычно очень хорошо масштабируются с увеличением количества ядер и потоков , в то время как многие видеоигры по-прежнему в большей степени ограничены одним или несколькими ресурсоемкими потоками (хотя в игровой индустрии также наблюдается значительный прогресс в области параллелизма).
Технология HyperThreading, SMT и логические потоки.
Помимо увеличения количества физических ядер, производители внедрили еще одну интересную идею: возможность одновременной обработки более чем одним потоком каждым физическим ядром за счет многопоточности . В Intel это стало известно как HyperThreading; в AMD это обычно называется SMT (Simultaneous Multi-Threading).
В основе этого метода лежит тот факт, что внутри ядра существует множество исполнительных блоков, которые не всегда заняты на 100% . Если вы управляете только одним потоком, иногда ядро ожидает данных из памяти или результатов из другого внутреннего блока, что приводит к потере потенциала.
Одновременная многопоточность позволяет двум (или более) логическим потокам совместно использовать одно и то же физическое ядро и его внутренние ресурсы, заполняя пробелы в конвейере выполнения . Для операционной системы это выглядит так, будто доступно больше «процессоров», но на самом деле было сделано для более эффективного использования существующего оборудования.
Например, четырехъядерный процессор с включенной технологией HyperThreading будет восприниматься системой как восемь логических процессоров, что полезно в сценариях с большим количеством несложных задач или значительным объемом ожидаемой памяти . Intel предлагает эту технологию во многих своих линейках продуктов Core и Xeon, а AMD использует ее в процессорах Ryzen и EPYC под брендом SMT.
Важно: логический поток не обеспечивает такой же производительности, как дополнительное физическое ядро, но он заметно улучшает производительность при определенных типах нагрузок . Именно поэтому мы используем термин «реальные ядра», а не «логические процессоры», когда рассматриваем диспетчер задач Windows или другие инструменты мониторинга.
Как узнать, сколько ядер и потоков у вашего процессора
В системах Windows, если открыть Диспетчер задач и перейти на вкладку «Производительность», вы увидите специальный раздел, посвященный процессору . Там вы найдете информацию как о количестве физических ядер, так и о количестве доступных логических процессоров (потоков).
Важно отметить, что некоторые системные утилиты или классические инструменты не всегда различают физические ядра и логические потоки и могут просто называть их «процессорами ». Именно поэтому 6-ядерный процессор с включенной технологией SMT часто отображается в некоторых списках как 12 «ЦП».
В других операционных системах ситуация аналогична: Linux предлагает такие команды, как lscpu или cat /proc/cpuinfo, для просмотра распределения физических ядер и потоков , а в macOS можно проверить системную информацию или использовать инструменты командной строки.
Разница между ядрами и потоками важна для понимания того, что вы покупаете или чего можете ожидать от своего компьютера: процессор с 4 ядрами и 8 потоками — это не то же самое, что процессор с 8 ядрами и 8 потоками, даже если оба рекламируются как "8 потоков ". Последний, как правило, будет обладать большей вычислительной мощностью для высокопараллельных рабочих нагрузок.
Графические процессоры, микропроцессоры и другие сопутствующие компоненты
Хотя, когда мы говорим о многоядерной архитектуре, мы обычно сосредотачиваемся на центральном процессоре (CPU), существуют и другие специализированные процессоры, которые также работают с десятками или тысячами ядер для ускорения выполнения определенных задач . Самый известный пример — графический процессор (GPU).
Графический процессор (GPU) — это тип процессора, предназначенный для параллельного выполнения большого количества простых операций . Первоначально он был разработан для ускорения рендеринга графики на ПК, консолях и мобильных устройствах, но сегодня широко используется в искусственном интеллекте, майнинге криптовалют и научных вычислениях.
Подобно центральному процессору, графический процессор состоит из транзисторов и логических блоков, но его внутренняя архитектура оптимизирована для массового параллелизма, с множеством небольших ядер, объединенных в группы, способные обрабатывать большие объемы данных с высокой степенью согласованности . Именно поэтому они превосходно подходят для графики и нейронных сетей.
В сфере традиционных процессоров миниатюризация привела к появлению микропроцессоров: полноценных процессоров, интегрированных на одном интегральном чипе, с одним или несколькими физическими ядрами . Сегодня практически все потребительские процессоры являются многоядерными микропроцессорами.
В этом микропроцессоре каждое физическое ядро опирается на экосистему кэш-памяти, внутренних шин, памяти и контроллеров ввода/вывода, и все это упаковано в очень компактном корпусе . Это позволяет создавать очень мощные системы на компактных материнских платах, что является ключевым моментом для ноутбуков, мини-ПК и встраиваемых устройств.
Энергопотребление, тепловыделение и проектирование центров обработки данных
Энергопотребление — один из факторов, наиболее сильно влияющих на эволюцию многоядерных процессоров. Чем больше ядер и чем выше тактовая частота, тем больше энергии рассеивается в виде тепла . Это тепло необходимо физически отводить от чипа, чтобы предотвратить его разрушение.
В домашнем ПК это означает использование более крупных радиаторов, более мощных вентиляторов или даже систем жидкостного охлаждения . В центре обработки данных, где тысячи серверов работают на полную мощность, ситуация становится критически важной: стоимость охлаждения может быть огромной.
Поэтому крупные облачные провайдеры и гипермасштабные центры обработки данных проектируют инфраструктуру с тщательно спланированным климат-контролем, горячими и холодными коридорами, а в некоторых случаях и прямым жидкостным охлаждением компонентов . В конечном итоге, каждый сэкономленный ватт на процессоре умножается на тысячи машин.
Дома также важна экологичность: очень мощный компьютер может потреблять много энергии, если постоянно находится под большой нагрузкой . Это приемлемо для выполнения ресурсоемких задач время от времени, но не имеет особого смысла, если вы собираетесь только просматривать интернет, смотреть видео и выполнять простую офисную работу.
Именно поэтому производители все больше внимания уделяют эффективности: гибридные архитектуры с высокопроизводительными и высокоэффективными ядрами, динамическое масштабирование частоты и напряжения, а также режимы глубокого сна помогают снизить энергопотребление, когда полная мощность не требуется.
Специализированные чипы и роль ИИ
Недавний взрывной рост искусственного интеллекта привел к появлению процессоров и ускорителей, специально разработанных для задач машинного обучения и нейронных сетей . Здесь речь идет уже не только о ЦП и ГП, но и о таких устройствах, как тензорные процессоры (TPU) или тензорные потоковые процессоры (TSP).
Эти чипы ориентированы на обеспечение исключительной производительности в матричных и векторных операциях, типичных для обучения и вывода моделей искусственного интеллекта . Обычно они включают сотни или тысячи простых, но высокоорганизованных вычислительных блоков для максимального параллелизма данных.
В сегменте процессоров общего назначения также существуют модели, специально разработанные для этих задач. Например, процессоры с десятками ядер, такие как некоторые процессоры AMD Threadripper или высокопроизводительные модели Intel Core и Intel Xeon, высоко ценятся для видеомонтажа, рендеринга, а также для смешанных задач, связанных с искусственным интеллектом и творчеством.
В зависимости от того, как вы планируете использовать компьютер, имеет смысл отдавать приоритет определенным характеристикам: для профессионального видеомонтажа вам понадобится много ядер процессора и хорошая видеокарта; для игр очень важны задержка и производительность каждого ядра; а для общих задач подойдет практически любой современный процессор среднего класса.
Всё это сосуществует с постоянным повышением плотности транзисторов: каждое новое поколение технологического процесса позволяет размещать больше логических элементов на той же площади или снижать энергопотребление при аналогичной производительности . Это объясняет, почему мы видим современные процессоры, которые значительно превосходят модели, выпущенные всего несколько лет назад, как по производительности, так и по энергоэффективности.
Транзисторы: основа всей этой архитектуры.
За всей этой терминологией, касающейся ядер, потоков, кэшей и графических процессоров, скрывается скромный, но фундаментальный компонент: транзистор — это крошечное полупроводниковое устройство, которое управляет потоком тока в цепи . Его название происходит от «передающий резистор».
В вычислительной технике транзисторы используются для создания логических элементов, регистров, запоминающих устройств и всевозможных цифровых блоков. Они отвечают за физическую реализацию двоичного языка нулей и единиц, который компьютеры используют для представления информации, а также булевой логики.
Эволюцию современной электроники можно кратко охарактеризовать как гонку за размещением всё большего количества транзисторов на меньшей площади при одновременном снижении энергопотребления на один транзистор . В этом суть последовательных поколений производственных процессов: от микрометров (мкм) до нанометров (нм), и масштаб продолжает уменьшаться.
В современном многоядерном процессоре миллиарды этих крошечных электронных переключателей работают на полной скорости. Их надежность, размер и эффективность в конечном итоге определяют производительность и ограничения любой процессорной архитектуры.
Если взглянуть на это в перспективе, вся магия запуска множества потоков, координации работы нескольких ядер, совместного использования кэшей или перемещения данных между процессорами, графическими процессорами и специализированными ускорителями — это не что иное, как гигантская хореография включения и выключения транзисторов в соответствии с четко определенными схемами.
Рассмотрев все вышесказанное, мы можем получить гораздо более ясное представление о том, что на самом деле стоит за «многоядерным процессором», помимо простого количества ядер. Количество ядер и их частота важны, да, но не менее важны внутренняя архитектура, поддержка таких технологий, как HyperThreading или SMT, энергоэффективность, дизайн программного обеспечения, использующего их, и то, как они взаимодействуют с другими процессорами, например, с графическим процессором . Понимание этих компонентов позволяет более эффективно выбирать оборудование и, прежде всего, понимать, что на самом деле означают те характеристики, которые вы видите в технических описаниях.
