Шта су језгра и нити процесора?

Информатек Дигитал » Средства » Шта су језгра и нити процесора?

Када почнете да гледате спецификације процесора, лако се изгубите међу толико података: фреквенција, кеш меморија, TDP… и, наравно, чувени одељак о броју језгара и нити . То су термини који се понављају свуда, а ипак изазивају доста забуне, чак и међу искусним корисницима.

Разумевање језгара и нити процесора није само техничко питање. Оно директно утиче на перформансе рачунара у стварном свету, колико глатко функционише обављање више задатака истовремено и колико добро раде игре, софтвер за обраду видеа и виртуелне машине. Док основни корисник може да се снађе без превише дубоког улажења, савладавање ових концепата је кључно за свакога ко програмира, склапа рачунаре или једноставно жели да доноси информисане одлуке о куповини.

Шта су процесорска језгра?

Унутар малог чипа који називамо процесором скривено је неколико логичких блокова који делују као потпуно независне рачунарске јединице . Ови блокови су језгра. Свако језгро може да прима инструкције из RAM меморије, обрађује их синхронизовано са тактом процесора и враћа резултате, попут малог мозга унутар главног чипа.

Старији процесори су имали само једно језгро способно да изврши једну инструкцију по такту . Овај капацитет се мерио у мегахерцима (MHz) или гигахерцима (GHz): што је фреквенција већа, то је више инструкција у секунди могло да се заврши. Данас, поред повећања брзине такта, произвођачи су умножили број језгара како би драматично повећали снагу обраде.

Свако језгро делује као физички подпроцесор интегрисан у исто кућиште . Четворојезгарни процесор је као да имате четири процесора која раде паралелно на истом чипу. То значи да, у једном циклусу, процесор може истовремено да обрађује четири различите инструкције, множећи рачунарску снагу све док оперативни систем и програми могу да је искористе.

Важно је нагласити да су језгра физичке компоненте, а не нешто виртуелно или симулирано софтвером . Она су састављена од милиона транзистора и кола која имплементирају аритметичке јединице, контролне јединице, интерне регистре и друге елементе који омогућавају да се циклус инструкција (преузимање, декодирање, извршавање и писање резултата) извршава више пута.

Данас је на потрошачком тржишту уобичајено пронаћи процесоре са 2, 4, 6, 8, па чак и више од 10 језгара , док радне станице и сервери обично нуде још већи број, као што су 16, 32 или више физичких језгара. Што је више језгара, више задатака се може обрадити истовремено, што је посебно корисно за професионалне апликације, сервере или токове рада са великим паралелним оптерећењем.

Шта су процесорске нити и како функционишу?

Док су језгра физичке компоненте, нити (или подпроцеси) су логички или виртуелни ентитети који представљају ток извршавања унутар програма и које оперативни систем може да распореди на једном или више језгара. Нит је у суштини низ инструкција које се могу извршавати независно од осталих, са сопственим контекстним информацијама.

Нит можемо посматрати као путању којом део кода пролази кроз процесор . Свака нит има своје регистре извршавања, свој стек и бројач програма који показује која инструкција треба да се изврши у било ком тренутку. Оперативни систем је одговоран за додељивање ових нити расположивим језгрима и што ефикаснију расподелу процесорског времена међу њима.

У програмирању се прави разлика између једнонитних и вишенитних апликација . Једнонитни програм има само један ток извршавања: инструкције се извршавају једна за другом, строго секвенцијално. С друге стране, у вишенитној апликацији , рад је распоређен између неколико нити које могу да се извршавају паралелно, делећи ресурсе, али се извршавају истовремено.

Ова метода поделе радног оптерећења омогућава једном програму да истовремено извршава више операција . На пример, видео едитор може посветити једну нит графичком интерфејсу, другу рендеровању, трећу звуку и тако даље. Ако постоји довољно језгара и нити процесора, ови делови програма се извршавају истовремено, побољшавајући време одзива и смањујући осећај кашњења.

У пракси, многи модерни процесори користе технологије симултаног вишенитног рада као што су SMT или Hyper-Threading, које омогућавају сваком физичком језгру да истовремено обрађује две нити извршавања . Ово објашњава зашто видите процесоре са, на пример, 6 језгара и 12 нити: постоји шест физичких јединица, али свака од њих може истовремено да носи два различита тока инструкција, што боље користи унутрашње јединице које би иначе биле неактивне. Интелова Hyper-Threading технологија је добро познат пример овога.

Однос између програма, процеса и нити

Да бисмо у потпуности разумели улогу нити, корисно је вратити се један ниво уназад и видети како је рад организован у оперативном систему. Програм је једноставно скуп инструкција сачуваних на диску (апликације, драјвери, сам оперативни систем итд.) у бинарном формату, спремних за учитавање у меморију када је то потребно.

Када покренете програм, систем креира барем један процес који се учитава у РАМ меморију . Овај процес укључује извршни код, податке, ресурсе који су му потребни (дескрипторе датотека, резервисану меморију итд.) и контекст којим оперативни систем пажљиво управља. Сваки процес се налази у одређеном меморијском простору, изолованом од осталих, што обезбеђује стабилност и безбедност.

Процесу су потребни одређени основни елементи да би функционисао: бројач програма који показује следећу инструкцију коју треба извршити, низ регистара где се чувају привремени подаци и контролне информације и стек који чува податке из активних функција. Све ово се стално чува и обнавља када систем прелази са једног процеса на други.

Занимљиво је да сваки процес ради независно од осталих . Захваљујући овој независности, ако се једна апликација сруши, остатак система може наставити да функционише. Ова могућност управљања вишеструким процесима омогућава окружење за обављање више задатака истовремено: прегледање интернета док слушате музику, проверавате имејл и истовремено преузимате датотеке.

Унутар сваког процеса постоје нити извршавања. Нит је најмања јединица рада коју оперативни систем може доделити процесору . Процес може да се састоји од једне нити (најједноставнији случај) или од више нити које деле исти меморијски простор и ресурсе за обраду, али се извршавају паралелно.

Једножични и вишежични процеси

У једнонитном процесу, сав програмски код се извршава у једном низу инструкција . То значи да ако један део програма траје дуго (на пример, спора операција диска или тежак прорачун), остатак апликације може бити блокиран док се та операција не заврши, стварајући осећај тромости или замрзавања.

Када је процес вишенитни, његов задатак је подељен на неколико мањих подпроцеса који се називају нити . Ове нити деле меморију и ресурсе, али свака има свој стек регистара и бројач програма. На овај начин, два или више делова програма могу се извршавати истовремено, смањујући време чекања и боље користећи расположива језгра.

На пример, веб прегледач може имати једну нит за интерфејс, другу за учитавање страница, трећу за извршавање JavaScript кода и трећу за репродукцију видеа. Ако постоји више језгара процесора и нити, све ове нити могу да се покрећу истовремено , што резултира много глаткијим корисничким искуством.

Кључно је то што се, са више нити, обим истовремених прорачуна значајно повећава . То не значи да је сам процесор бржи, већ да може да задржи своје унутрашње јединице заузетим са више паралелног рада. То се претвара у боље искоришћење хардвера, посебно у програмима посебно дизајнираним за рад са много нити.

У процесорима са вишенитном технологијом, двонитно језгро не извршава буквално две инструкције у истом циклусу са 100% ефикасности, али може да прелази између две нити тако брзо да се чини као да раде паралелно. Оперативни систем додељује мале „делове процесорског времена“ свакој нити, а пребацивање између њих се дешава у делићима секунде, неприметно за корисника.

Фундаменталне разлике између језгара и нити

Кључна разлика је у томе што су језгра физичке процесорске јединице , док су нити логички ентитети који представљају задатке или подпроцесе који се извршавају на тим језгрима. Језгро може постојати без додатних SMT нити (једноставно извршавајући један ток инструкција), али нит, ма колико виртуелна била, увек захтева физичко језгро у неком тренутку да би се извршила.

Када погледате спецификације процесора, видећете комбинације попут „4 језгра / 8 нити“ или „6 језгара / 12 нити“. То значи да свако физичко језгро може истовремено да обрађује две нити извршавања . У процесору са 6 језгара и 12 нити, оперативни систем види 12 логичких јединица на којима заказује задатке, иако на нивоу силицијума постоји само 6 комплетних блокова за извршавање.

У практичном смислу, језгра одређују колико заиста независних задатака процесор може истовремено да обавља , док нити фино подешавају коришћење тих језгара, минимизирајући време мировања и омогућавајући више истовремених нити. Због тога се каже да нити повећавају ефикасност, али значајан скок у стварном капацитету увек долази од додавања више физичких језгара.

Укратко, језгра пружају физичку снагу, док нити боље организују рад . Добар баланс између њих двоје прави велику разлику у укупним перформансама система, посебно када се ради о интензивном обављању више задатака истовремено или захтевном професионалном софтверу.

Језгра или нити: шта је важније у зависности од употребе

Типично питање при куповини процесора је да ли дати предност већем броју физичких језгара или већем броју логичких нити . Одговор у великој мери зависи од тога како намеравате да користите рачунар и како су програмиране апликације које обично користите.

У задацима који интензивно користе хардвер, као што су захтевне игре, напредна монтажа видеа, 3Д рендеровање или покретање виртуелних машина, велики број физичких језгара је обично кориснији . Ова радна оптерећења имају користи од могућности дистрибуције великих задатака на више физичких језгара, уместо да се ослањају искључиво на логичке нити на неколико језгара.

За свакодневнију употребу, као што је прегледање, рад са документима, истовремено коришћење неколико лаких апликација или конзумирање мултимедијалног садржаја, ефикасно управљање нитима може направити већу разлику . Чак и са малим бројем језгара, ако процесор подржава више нити по језгру и систем их добро распоређује, целокупно искуство ће бити глатко и брзо.

У развоју софтвера, темељно разумевање начина управљања језгрима и нитима је од виталног значаја. Лоше паралелизован програм можда неће искористити предности процесора са много нити или много језгара , док се добро дизајнирана апликација веома добро скалира како се број доступних језгара повећава. Неки софтвери су оптимизовани за много логичких нити, док други софтвери знају како да искористе само неколико веома моћних језгара.

Веома једноставно речено, за већину кућних корисника, процесор од 4 до 6 језгара са добрим бројем нити обично нуди одличан баланс између цене и перформанси . За креаторе садржаја, ентузијастичне играче или професионалце који користе захтевне програме, надоградња на 8, 10 или више језгара има много више смисла, посебно ако су те апликације дизајниране да искористе предности вишенитног рада.

Како сазнати колико језгара и нити има ваш процесор

Ако желите да проверите колико језгара и нити има ваш рачунар, сам оперативни систем нуди веома једноставне алате за то без инсталирања било чега додатног . Ово је корисно да бисте сазнали да ли ваш хардвер испуњава захтеве одређеног програма или игре или за процену да ли се заиста исплати надоградити процесор.

У оперативном систему Windows 10 или 11, можете отворити контекстни мени дугмета „Старт“ и отићи на одељак „Систем“ да бисте видели инсталирани модел процесора . Са тим информацијама можете претражити веб локацију произвођача и проверити колико језгара и нити подржава. Поред тога, Менаџер задатака , на картици „Перформансе“, приказује графиконе по логичком процесору који вам дају представу о броју нити које систем користи.

Ако желите детаљније информације, сам Менаџер задатака има везу до Монитора ресурса , где можете видети преглед процеса и нити заједно са њиховом употребом процесора. Сваки унос „нити“ тамо одговара нити извршавања којом управља систем.

На macOS-у, основне информације о процесору могу се пронаћи у Apple менију, под „О овом Mac-у“, а затим „Системски извештај “. Тамо можете видети назив процесора и, консултујући званичне спецификације, сазнати број физичких језгара и нити. Activity Monitor такође приказује број нити које свака отворена апликација има.

Помоћу ових алата можете добити јасну представу о томе колико паралелне процесорске снаге заправо имате на располагању и да ли ваши програми засићују језгра или једноставно користе једно или два, остављајући остатак готово неактивним.

Колико језгара процесора треба да изаберете у зависности од ваше употребе?

Идеалан број језгара није исти за свакога. Зависи од врста задатака које обављате свакодневно и од тога да ли су ваше омиљене апликације оптимизоване да искористе предности више језгара и нити . Више није увек боље, али је важно пронаћи прави опсег.

За веома основну употребу (претраживање, једноставни канцеларијски задаци, е-пошта, гледање видеа) обично су довољна 2 физичка језгра , мада је данас препоручљивије одабрати најмање 4 како би се добила маргина за будућа ажурирања софтвера и мало интензивнији мултитаскинг.

Ако обично играте мање захтевне игре, бавите се лаганом обрадом фотографија или видеа и држите неколико апликација отворених истовремено, најразумнија опција је да потражите четворојезгарни процесор са подршком за вишенитни рад. Побољшање у односу на двојезгарни процесор је значајно у погледу укупне глаткоће, времена учитавања и могућности истовременог покретања више програма.

За захтевне игре, озбиљније креирање садржаја (монтажа видеа високе резолуције, често 3Д рендеровање) или коришћење виртуелних машина, прелазак на опсег од 6-8 језгара нуди огроман скок у перформансама. Многе модерне игре могу прилично ефикасно да искористе 6 или 8 језгара, а програми за монтажу и рендеровање се обично веома добро скалирају са сваким додатним језгром.

Изнад 10 језгара, говоримо о системима дизајнираним за веома захтевне сценарије: врхунске игре са истовременим стримовањем , професионално 3Д рендеровање и анимацију, сложене симулације или радне станице и сервери који паралелно извршавају многе задатке. У овим случајевима, што је више језгара и нити (под условом да их софтвер добро користи), то је бољи капацитет за обраду огромних радних оптерећења.

Утицај броја језгара и нити на перформансе

Више језгара и нити значајно мења понашање система под оптерећењем. Процесор са више језгара може да обради много истовремених задатака без да једно блокира друго , што резултира бржим временом одзива, мањим застојима и већом стабилношћу када ваш рачунар ради пуним капацитетом.

Мултитаскинг је једно од подручја где је ово најприметније. Имање више језгара и нити омогућава оперативном систему да дистрибуира апликације између различитих логичких процесора , тако да док један обрађује дугачко прорачунавање, други могу да наставе да одговарају кориснику. То је оно што омогућава, на пример, играње игре док се нешто рендерује у позадини или снима видео са играња.

У видео играма, већина модерних наслова се обично добро скалира на 4 или 6 језгара, а неке врхунске игре користе предности 8 физичких језгара . У тим случајевима, поред графичке картице, процесор мора да обрађује физику, вештачку интелигенцију, логику игре, умрежавање итд. Дистрибуција ових задатака на више језгара и нити помаже у одржавању стабилнијих фрејмова, посебно у веома захтевним сценама.

У креирању садржаја, као што је професионална монтажа видеа, 3Д рендеровање или обрада фотографија великих размера, број језгара игра кључну улогу. Многи механизми за рендеровање, видео енкодери и професионални алати су дизајнирани да се скалирају готово линеарно са сваким додатним језгром , тако да прелазак са 4 на 8 језгара може преполовити време извоза под одређеним оптерећењима.

У серверским и радним окружењима, руковање десетинама корисника, виртуелних машина или истовремених сервиса захтева веома велики број језгара , често 16 или више. Сваки сервис или машина може имати неколико резервисаних језгара и нити, а да и даље има простора за нове задатке, значајно повећавајући укупни капацитет система.

Међутим, важно је запамтити да не сви програми у потпуности користе додатна језгра . Многи програми се и даље у великој мери ослањају на једну главну нит, тако да брзина сваког језгра (фреквенција и перформансе по циклусу) остаје кључна. Идеално би било да комбинујете разуман број језгара са добром фреквенцијом, а да вас не води искључиво маркетиншка помпе око броја нити.

Имајући све ово у виду, јасно је да језгра и нити раде заједно како би одредили стварно понашање процесора : језгра одређују колико независних задатака може да се обрађује паралелно, а нити омогућавају да се ови задаци разложе на мање, боље координисане делове. Разумевање како се свака компонента уклапа заједно помаже вам да изаберете прави процесор и процените да ли се надоградња заиста исплати на основу ваших свакодневних задатака.