İşlemci çekirdekleri ve iş parçacıkları nedir?

Informatec Dijital » Ücretsiz Destekler » İşlemci çekirdekleri ve iş parçacıkları nedir?

İşlemci özelliklerine bakmaya başladığınızda , frekans, önbellek, TDP… ve elbette, çekirdek ve iş parçacığı sayısı hakkındaki ünlü bölüm gibi birçok veri arasında kaybolmak kolaydır . Bunlar her yerde tekrarlanan terimlerdir ve yine de deneyimli kullanıcılar arasında bile oldukça fazla kafa karışıklığı yaratmaktadır.

CPU çekirdekleri ve iş parçacıklarını anlamak sadece teknik bir konu değildir. Bilgisayarın gerçek dünya performansını, çoklu görevlerin ne kadar sorunsuz çalıştığını ve oyunların, video düzenleme yazılımlarının ve sanal makinelerin performansını doğrudan etkiler. Temel bir kullanıcı çok derine inmeden de bu kavramları anlayabilirken, programlama yapan, bilgisayar toplayan veya sadece bilinçli satın alma kararları vermek isteyen herkes için bu kavramlara hakim olmak çok önemlidir.

İşlemci çekirdekleri nedir?

CPU dediğimiz küçük çipin içinde, tamamen bağımsız işlem birimleri olarak işlev gören çeşitli mantık blokları bulunur . Bu bloklar çekirdeklerdir. Her çekirdek, RAM'den talimatlar alabilir, bunları işlemcinin saatiyle senkronize olarak işleyebilir ve ana çipin içindeki küçük bir beyin gibi sonuçları döndürebilir.

Eski işlemcilerde, saat döngüsü başına yalnızca bir komut yürütebilen tek bir çekirdek bulunuyordu . Bu kapasite megahertz (MHz) veya gigahertz (GHz) cinsinden ölçülüyordu: frekans ne kadar yüksekse, saniyede o kadar çok komut tamamlayabiliyordu. Günümüzde, üreticiler saat hızını artırmanın yanı sıra, ham işlem gücünü önemli ölçüde artırmak için çekirdek sayısını da çoğalttılar.

Her çekirdek, aynı pakete entegre edilmiş fiziksel bir alt işlemci gibi davranır . Dört çekirdekli bir CPU, aynı çip üzerinde paralel olarak çalışan dört işlemciye sahip olmak gibidir. Bu, CPU'nun tek bir döngüde aynı anda dört farklı komutu işleyebileceği ve işletim sistemi ve programlar bundan yararlanabildiği sürece işlem gücünü katlayabileceği anlamına gelir.

Çekirdeklerin sanal veya yazılımla simüle edilmiş bir şey değil, fiziksel bileşenler olduğunu vurgulamak önemlidir . Bunlar, aritmetik birimleri, kontrol birimlerini, dahili kayıtları ve komut döngüsünün (getirme, kod çözme, yürütme ve sonucu yazma) tekrar tekrar yürütülmesini sağlayan diğer unsurları uygulayan milyonlarca transistör ve devreden oluşur.

Günümüzde tüketici pazarında 2, 4, 6, 8 ve hatta 10'dan fazla çekirdeğe sahip işlemciler yaygın olarak bulunurken , iş istasyonları ve sunucular genellikle 16, 32 veya daha fazla fiziksel çekirdek gibi daha yüksek sayılar sunmaktadır. Çekirdek sayısı ne kadar fazla olursa, o kadar çok görev eş zamanlı olarak işlenebilir; bu da özellikle profesyonel uygulamalar, sunucular veya yüksek paralel iş yüküne sahip iş akışları için faydalıdır.

İşlemci iş parçacıkları nedir ve nasıl çalışırlar?

Çekirdekler fiziksel bileşenler iken, iş parçacıkları (veya alt süreçler) bir program içindeki yürütme akışını temsil eden ve işletim sisteminin bir veya daha fazla çekirdek üzerinde zamanlayabileceği mantıksal veya sanal varlıklardır. Bir iş parçacığı, özünde, kendi bağlam bilgisiyle, geri kalanından bağımsız olarak yürütülebilen bir talimat dizisidir.

Bir iş parçacığını , bir kod parçasının işlemci üzerinden izlediği yol olarak düşünebiliriz . Her iş parçacığının kendi yürütme kayıtları, kendi yığını ve belirli bir anda hangi komutun yürütülmesi gerektiğini gösteren bir program sayacı vardır. İşletim sistemi, bu iş parçacıklarını mevcut çekirdeklere atamaktan ve CPU zamanını bunlar arasında mümkün olduğunca verimli bir şekilde dağıtmaktan sorumludur.

Programlamada, tek iş parçacıklı ve çok iş parçacıklı uygulamalar arasında bir ayrım yapılır . Tek iş parçacıklı bir programın yalnızca bir yürütme akışı vardır: talimatlar kesinlikle sıralı bir şekilde, birbiri ardına yürütülür. Öte yandan, çok iş parçacıklı bir uygulamada , iş, kaynakları paylaşan ancak eş zamanlı olarak çalışan, paralel olarak çalışabilen birkaç iş parçacığı arasında dağıtılır.

Bu iş yükü bölme yöntemi, tek bir programın aynı anda birden fazla işlemi yürütmesine olanak tanır . Örneğin, bir video düzenleyici, grafik arayüzü için bir iş parçacığı, render işlemi için başka bir iş parçacığı, ses için başka bir iş parçacığı vb. ayırabilir. Yeterli sayıda CPU çekirdeği ve iş parçacığı varsa, programın bu bölümleri eş zamanlı olarak çalışır, yanıt sürelerini iyileştirir ve gecikme hissini azaltır.

Pratikte, birçok modern işlemci, her fiziksel çekirdeğin aynı anda iki işlem iş parçacığını işlemesine olanak tanıyan SMT veya Hyper-Threading gibi eş zamanlı çoklu iş parçacığı teknolojilerini kullanır. Bu, örneğin 6 çekirdekli ve 12 iş parçacıklı işlemcilerin neden görüldüğünü açıklar: altı fiziksel birim vardır, ancak her biri aynı anda iki farklı komut akışını taşıyabilir ve aksi takdirde boşta kalacak olan dahili birimlerin daha iyi kullanılmasını sağlar. Intel'in Hyper-Threading teknolojisi bunun bilinen bir örneğidir.

Programlar, süreçler ve iş parçacıkları arasındaki ilişki

İş parçacıklarının rolünü tam olarak anlamak için, bir adım geriye gidip işletim sisteminde işlerin nasıl organize edildiğine bakmak faydalı olacaktır. Bir program, basitçe, diskte ikili biçimde depolanan (uygulamalar, sürücüler, işletim sisteminin kendisi vb.) ve gerektiğinde belleğe yüklenmeye hazır bir dizi talimattır.

Bir program çalıştırdığınızda, sistem RAM'e yüklenen en az bir işlem oluşturur . Bu işlem, yürütülebilir kodu, verileri, ihtiyaç duyduğu kaynakları (dosya tanımlayıcıları, ayrılmış bellek vb.) ve işletim sisteminin dikkatlice yönettiği bir bağlamı içerir. Her işlem, diğerlerinden izole edilmiş, belirli bir bellek alanında bulunur; bu da istikrar ve güvenlik sağlar.

Bir işlemin işlev görmesi için belirli temel unsurlara ihtiyaç vardır: yürütülecek bir sonraki komutu gösteren bir program sayacı , geçici verilerin ve kontrol bilgilerinin depolandığı bir dizi kayıt defteri ve aktif işlevlerden gelen verileri depolayan bir yığın. Tüm bunlar sürekli olarak kaydedilir ve sistem bir işlemden diğerine geçtiğinde geri yüklenir.

İlginç olan, her işlemin diğerlerinden bağımsız olarak çalışmasıdır . Bu bağımsızlık sayesinde, bir uygulama çökerse, sistemin geri kalanı çalışmaya devam edebilir. Birden fazla işlemi yönetme yeteneği, çoklu görev ortamı sağlar: aynı anda internette gezinmek, müzik dinlemek, e-postalarınızı kontrol etmek ve dosya indirmek.

Her işlem içinde, yürütme iş parçacıkları bulunur. İş parçacığı, işletim sisteminin CPU'ya tahsis edebileceği en küçük iş birimidir . Bir işlem, tek bir iş parçacığından (en basit durum) veya aynı bellek alanını ve işlem kaynaklarını paylaşan, ancak paralel olarak çalışan birçok iş parçacığından oluşabilir.

Tek telli ve çok telli işlemler

Tek iş parçacıklı bir süreçte, tüm program kodu tek bir komut akışında yürütülür . Bu, programın bir bölümü uzun sürerse (örneğin, yavaş bir disk işlemi veya ağır bir hesaplama), uygulamanın geri kalanının bu işlem bitene kadar bloke olabileceği ve yavaşlama veya donma hissi yaratabileceği anlamına gelir.

Bir işlem çoklu iş parçacıklı olduğunda, görevi iş parçacığı adı verilen birkaç küçük alt işleme bölünür . Bu iş parçacıkları bellek ve kaynakları paylaşır, ancak her birinin kendi kayıt yığını ve program sayacı vardır. Bu şekilde, programın iki veya daha fazla bölümü eş zamanlı olarak çalıştırılabilir, bekleme süreleri azaltılır ve mevcut çekirdeklerden daha iyi yararlanılır.

Örneğin, bir web tarayıcısının arayüz için bir iş parçacığı, sayfaları yüklemek için başka bir iş parçacığı, JavaScript kodunu çalıştırmak için başka bir iş parçacığı ve video oynatmak için başka bir iş parçacığı olabilir. Birden fazla CPU çekirdeği ve iş parçacığı varsa, tüm bu iş parçacıkları eş zamanlı olarak çalışabilir ve bu da çok daha sorunsuz bir kullanıcı deneyimi sağlar.

Buradaki kilit nokta, daha fazla iş parçacığıyla eş zamanlı hesaplama hacminin önemli ölçüde artmasıdır . Bu, işlemcinin kendisinin daha hızlı olduğu anlamına gelmez, aksine iç birimlerini daha fazla paralel işle meşgul tutabileceği anlamına gelir. Bu da, özellikle birçok iş parçacığıyla çalışmak üzere tasarlanmış programlarda daha iyi donanım kullanımına dönüşür.

Çoklu iş parçacığı teknolojisine sahip işlemcilerde, çift iş parçacıklı bir çekirdek, aynı döngüde iki komutu %100 verimlilikle tam anlamıyla yürütmez, ancak iki iş parçacığı arasında o kadar hızlı geçiş yapabilir ki, sanki paralel çalışıyorlarmış gibi hissettirir. İşletim sistemi her iş parçacığına küçük "CPU zaman dilimleri" tahsis eder ve aralarındaki geçiş, kullanıcı tarafından algılanamayacak şekilde saniyenin kesirleri içinde gerçekleşir.

Çekirdekler ve yan dallar arasındaki temel farklılıklar

Temel fark, çekirdeklerin fiziksel işlem birimleri olması , iş parçacıklarının ise bu çekirdeklerde çalışan görevleri veya alt süreçleri temsil eden mantıksal varlıklar olmasıdır. Bir çekirdek, ek SMT iş parçacıklarına ihtiyaç duymadan var olabilir (sadece tek bir komut akışını yürüterek), ancak bir iş parçacığı, ne kadar sanal olursa olsun, her zaman bir noktada çalıştırılmak için fiziksel bir çekirdeğe ihtiyaç duyar.

CPU özelliklerine baktığınızda, "4 çekirdek / 8 iş parçacığı" veya "6 çekirdek / 12 iş parçacığı" gibi kombinasyonlar görürsünüz. Bu, her fiziksel çekirdeğin aynı anda iki iş parçacığını işleyebileceği anlamına gelir . 6 çekirdekli, 12 iş parçacıklı bir işlemcide, işletim sistemi görevleri planlamak için 12 mantıksal birim görür, oysa silikon seviyesinde yalnızca 6 tam yürütme bloğu vardır.

Pratik anlamda, çekirdekler CPU'nun aynı anda kaç tane gerçekten bağımsız görevi gerçekleştirebileceğini belirlerken , iş parçacıkları bu çekirdeklerin kullanımını ince ayar yaparak boşta kalma süresini en aza indirir ve daha fazla eş zamanlı iş parçacığına olanak tanır. Bu nedenle iş parçacıklarının verimliliği artırdığı söylenir, ancak gerçek kapasitedeki önemli sıçrama her zaman daha fazla fiziksel çekirdek eklemekten kaynaklanır.

Özetle, çekirdekler fiziksel gücü sağlarken, iş parçacıkları işi daha iyi organize eder . İkisi arasındaki iyi bir denge, özellikle yoğun çoklu görev veya zorlu profesyonel yazılımlarla uğraşırken, genel sistem performansında büyük fark yaratır.

Çekirdekler mi yoksa teller mi: kullanım amacına bağlı olarak hangisi daha önemli?

İşlemci satın alırken en sık sorulan soru, daha fazla fiziksel çekirdeğe mi yoksa daha fazla mantıksal iş parçacığına mı öncelik verilmesi gerektiğidir . Cevap büyük ölçüde bilgisayarı nasıl kullanmayı planladığınıza ve genellikle kullandığınız uygulamaların nasıl programlandığına bağlıdır.

Yüksek performans gerektiren oyunlar, gelişmiş video düzenleme, 3D renderlama veya sanal makineler çalıştırma gibi donanımı yoğun olarak kullanan görevlerde, çok sayıda fiziksel çekirdeğe sahip olmak genellikle daha faydalıdır . Bu iş yükleri, büyük görevleri yalnızca birkaç çekirdek üzerindeki mantıksal iş parçacıklarına güvenmek yerine, birden fazla fiziksel çekirdeğe dağıtabilmekten fayda görür.

İnternette gezinme, dokümanlarla çalışma, aynı anda birkaç hafif uygulama kullanma veya multimedya içeriği tüketme gibi daha günlük kullanımlar için verimli iş parçacığı yönetimi daha büyük bir fark yaratabilir . Az sayıda çekirdeğe sahip olsa bile, işlemci çekirdek başına birden fazla iş parçacığını destekliyorsa ve sistem bunları iyi dağıtıyorsa, genel deneyim akıcı ve hızlı olacaktır.

Yazılım geliştirmede, çekirdeklerin ve iş parçacıklarının nasıl yönetildiğini iyice anlamak hayati önem taşır. Kötü bir şekilde paralelleştirilmiş bir program, çok sayıda iş parçacığına veya çekirdeğe sahip bir işlemciden yararlanamayabilir ; oysa iyi tasarlanmış bir uygulama, kullanılabilir çekirdek sayısı arttıkça çok iyi ölçeklenir. Bazı yazılımlar çok sayıda mantıksal iş parçacığı için optimize edilmişken, diğer yazılımlar yalnızca birkaç çok güçlü çekirdeği nasıl kullanacağını bilir.

Basitçe anlatmak gerekirse, çoğu ev kullanıcısı için, iyi sayıda iş parçacığına sahip 4 ila 6 çekirdekli bir işlemci genellikle fiyat ve performans arasında harika bir denge sunar . İçerik üreticileri, oyun tutkunları veya zorlu programlar kullanan profesyoneller için, özellikle bu uygulamalar çoklu iş parçacığından yararlanacak şekilde tasarlanmışsa, 8, 10 veya daha fazla çekirdeğe yükseltmek çok daha mantıklıdır.

İşlemcinizin kaç çekirdeğe ve iş parçacığına sahip olduğunu nasıl öğrenebilirsiniz?

Bilgisayarınızın kaç çekirdeğe ve iş parçacığına sahip olduğunu kontrol etmek istiyorsanız, işletim sistemi ek bir şey yüklemeden bunu yapmanızı sağlayan çok basit araçlar sunar . Bu, donanımınızın belirli bir programın veya oyunun gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığını öğrenmek veya işlemcinizi yükseltmenin gerçekten buna değip değmediğini değerlendirmek için kullanışlıdır.

Windows 10 veya 11'de, Başlat düğmesinin bağlam menüsünü açıp "Sistem" bölümüne giderek yüklü işlemci modelini görebilirsiniz . Bu bilgiyle, üreticinin web sitesinde arama yapıp kaç çekirdek ve iş parçacığı desteklediğini kontrol edebilirsiniz. Ayrıca, Görev Yöneticisi'nin "Performans" sekmesinde, sistemin kullandığı iş parçacığı sayısı hakkında fikir veren, her mantıksal CPU için grafikler görüntülenir.

Daha ayrıntılı bilgi istiyorsanız, Görev Yöneticisi'nin kendisinde Kaynak İzleyici'ye bir bağlantı bulunur ; burada işlemlerin ve iş parçacıklarının CPU kullanımlarıyla birlikte ayrıntılı bir dökümünü görebilirsiniz. Oradaki her "iş parçacığı" girişi, sistem tarafından yönetilen bir yürütme iş parçacığına karşılık gelir.

macOS'ta temel CPU bilgileri, Apple menüsünde "Bu Mac Hakkında" ve ardından "Sistem Raporu " altında bulunabilir. Orada işlemcinin adını görebilir ve resmi özelliklere bakarak fiziksel çekirdek ve iş parçacığı sayısını öğrenebilirsiniz. Etkinlik İzleyici ayrıca her açık uygulamanın sahip olduğu iş parçacığı sayısını da gösterir.

Bu araçlarla, gerçekte ne kadar paralel işlem gücüne sahip olduğunuzu ve programlarınızın çekirdekleri tamamen mi kullandığını yoksa sadece bir veya iki çekirdeği kullanıp geri kalanını neredeyse boşta mı bıraktığını net bir şekilde anlayabilirsiniz .

Kullanımınıza bağlı olarak kaç işlemci çekirdeği seçmelisiniz?

İdeal çekirdek sayısı herkes için aynı değildir. Bu, günlük olarak gerçekleştirdiğiniz görev türlerine ve favori uygulamalarınızın çoklu çekirdek ve iş parçacıklarından yararlanacak şekilde optimize edilip edilmediğine bağlıdır . Daha fazla her zaman daha iyi anlamına gelmez, ancak doğru aralığı bulmak önemlidir.

Çok temel kullanım için (internet tarama, basit ofis işleri, e-posta, video izleme) genellikle 2 fiziksel çekirdek yeterlidir , ancak günümüzde gelecekteki yazılım güncellemeleri ve biraz daha yoğun çoklu görevler için pay kazanmak amacıyla en az 4 çekirdekli bir işlemci tercih edilmesi daha uygundur.

Genellikle düşük performans gerektiren oyunlar oynuyorsanız, hafif fotoğraf veya video düzenleme işlemleri yapıyorsanız ve aynı anda birden fazla uygulama açık tutuyorsanız, en mantıklı seçenek çoklu işlem desteğine sahip dört çekirdekli bir işlemci aramaktır . Çift çekirdekli bir işlemciye kıyasla genel akıcılık, yükleme süreleri ve aynı anda birden fazla programı çalıştırma yeteneği açısından önemli bir iyileşme sağlar.

Yüksek performans gerektiren oyunlar, daha ciddi içerik oluşturma (yüksek çözünürlüklü video düzenleme, sık 3D render alma) veya sanal makine kullanımı için 6-8 çekirdek aralığına geçmek performansta büyük bir sıçrama sağlar. Birçok modern oyun 6 veya 8 çekirdeği oldukça verimli bir şekilde kullanabilir ve düzenleme ve render programları genellikle her ek çekirdekle birlikte çok iyi bir şekilde ölçeklenir.

10 çekirdeğin üzerinde, çok zorlu senaryolar için tasarlanmış sistemlerden bahsediyoruz : eş zamanlı yayın akışı ile yüksek performanslı oyunlar , profesyonel 3D render ve animasyon, karmaşık simülasyonlar veya paralel olarak birçok görevi çalıştıran iş istasyonları ve sunucular. Bu durumlarda, (yazılım tarafından iyi kullanıldıkları sürece) çekirdek ve iş parçacığı sayısı ne kadar fazla olursa, büyük iş yüklerini işleme kapasitesi de o kadar iyi olur.

Çekirdek ve iş parçacığı sayısının performansa etkisi

Daha fazla çekirdek ve iş parçacığına sahip olmak, sistemin yük altında nasıl davrandığını önemli ölçüde değiştirir. Çok çekirdekli bir CPU, birinin diğerini engellemeden birçok eş zamanlı görevi yerine getirebilir ; bu da daha hızlı yanıt süreleri, daha az takılma ve bilgisayarınız tam kapasitede çalışırken daha fazla kararlılık sağlar.

Çoklu görevlendirme, bunun en belirgin olduğu alanlardan biridir. Birden fazla çekirdek ve iş parçacığına sahip olmak, işletim sisteminin uygulamaları farklı mantıksal CPU'lar arasında dağıtmasına olanak tanır ; böylece biri uzun bir hesaplama yaparken diğerleri kullanıcıya yanıt vermeye devam edebilir. Bu, örneğin, arka planda bir şey işlenirken veya oyun videosu kaydedilirken oyun oynamayı mümkün kılar.

Video oyunlarında, çoğu modern oyun genellikle 4 veya 6 çekirdeğe iyi uyum sağlar ve bazı üst düzey oyunlar 8 fiziksel çekirdekten yararlanır . Bu durumlarda, grafik kartına ek olarak işlemci fizik, yapay zeka, oyun mantığı, ağ iletişimi vb. işlemleri de yönetmelidir. Bu görevlerin birden fazla çekirdek ve iş parçacığına dağıtılması, özellikle çok zorlu sahnelerde daha istikrarlı kare hızlarının korunmasına yardımcı olur.

Profesyonel video düzenleme, 3D renderlama veya büyük ölçekli fotoğraf işleme gibi içerik oluşturma süreçlerinde çekirdek sayısı çok önemli bir rol oynar. Birçok render motoru, video kodlayıcı ve profesyonel araç, her ek çekirdekle neredeyse doğrusal olarak ölçeklenecek şekilde tasarlanmıştır ; bu nedenle, 4 çekirdekten 8 çekirdeğe geçmek, belirli iş yüklerinde dışa aktarma sürelerini yarıya indirebilir.

Sunucu ve iş istasyonu ortamlarında, onlarca kullanıcıyı, sanal makineyi veya eşzamanlı hizmeti yönetmek, genellikle 16 veya daha fazla olmak üzere çok yüksek çekirdek sayıları gerektirir . Her hizmet veya makine için birden fazla çekirdek ve iş parçacığı ayrılabilir ve yine de yeni görevler için yer kalabilir, bu da genel sistem kapasitesini önemli ölçüde artırır.

Ancak, tüm programların ek çekirdeklerden tam olarak yararlanmadığını hatırlamak önemlidir . Birçok program hala tek bir ana iş parçacığına büyük ölçüde bağımlıdır, bu nedenle her çekirdeğin hızı (frekans ve döngü başına performans) çok önemlidir. İdeal olarak, iş parçacığı sayısıyla ilgili pazarlama abartısına kapılmadan, makul sayıda çekirdeği iyi bir frekansla birleştirmelisiniz.

Tüm bunları göz önünde bulundurduğumuzda, işlemcinin gerçek davranışını belirlemek için çekirdeklerin ve iş parçacıklarının birlikte çalıştığı açıktır : çekirdekler, paralel olarak kaç bağımsız görevin işlenebileceğini belirlerken, iş parçacıkları bu görevlerin daha küçük, daha iyi koordine edilmiş parçalara bölünmesine olanak tanır. Her bir bileşenin nasıl bir araya geldiğini anlamak, doğru işlemciyi seçmenize ve günlük görevlerinize göre yükseltmenin gerçekten değerli olup olmadığını değerlendirmenize yardımcı olur.