- Các lõi xử lý là các đơn vị xử lý vật lý thực thi các lệnh một cách độc lập trong CPU.
- Luồng (thread) là các luồng thực thi logic được lập trình trong nhân hệ điều hành để sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn.
- Số lõi và luồng càng nhiều thì khả năng xử lý song song và đa nhiệm càng tốt hơn, miễn là phần mềm đã sẵn sàng.
- Việc lựa chọn số lượng lõi và luồng phù hợp phụ thuộc vào mục đích sử dụng: cơ bản, chơi game, sáng tạo nội dung hoặc môi trường chuyên nghiệp.
Khi bắt đầu xem xét thông số kỹ thuật của bộ xử lý, bạn rất dễ bị lạc giữa vô vàn thông tin: tần số, bộ nhớ đệm, TDP… và tất nhiên, phần nổi tiếng về số lõi và luồng . Đây là những thuật ngữ được lặp đi lặp lại ở khắp mọi nơi nhưng vẫn gây ra khá nhiều nhầm lẫn, ngay cả đối với người dùng có kinh nghiệm.
Hiểu về lõi và luồng CPU không chỉ là vấn đề kỹ thuật. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng thực tế của máy tính, độ mượt mà khi thực hiện đa nhiệm, và hiệu suất của các trò chơi, phần mềm chỉnh sửa video và máy ảo. Mặc dù người dùng thông thường có thể sử dụng mà không cần tìm hiểu quá sâu, nhưng việc nắm vững các khái niệm này rất quan trọng đối với bất kỳ ai lập trình, lắp ráp máy tính hoặc đơn giản là muốn đưa ra quyết định mua hàng sáng suốt.
Lõi xử lý là gì?
Ẩn sâu bên trong con chip nhỏ mà chúng ta gọi là CPU là một số khối logic hoạt động như các đơn vị tính toán hoàn toàn độc lập . Những khối này chính là các lõi xử lý. Mỗi lõi có thể nhận lệnh từ RAM, xử lý chúng đồng bộ với xung nhịp của bộ xử lý và trả về kết quả, giống như một bộ não thu nhỏ bên trong con chip chính.
Các bộ xử lý đời cũ chỉ có một lõi duy nhất, có khả năng thực hiện một lệnh mỗi chu kỳ xung nhịp . Khả năng này được đo bằng megahertz (MHz) hoặc gigahertz (GHz): tần số càng cao, số lệnh hoàn thành mỗi giây càng nhiều. Ngày nay, ngoài việc tăng tốc độ xung nhịp, các nhà sản xuất đã nhân số lượng lõi lên để tăng đáng kể sức mạnh xử lý thô.
Mỗi lõi hoạt động như một bộ xử lý con vật lý được tích hợp trong cùng một gói . CPU lõi tứ giống như có bốn bộ xử lý hoạt động song song trên cùng một chip. Điều này có nghĩa là, trong một chu kỳ, CPU có thể xử lý bốn lệnh khác nhau cùng một lúc, nhân lên sức mạnh tính toán miễn là hệ điều hành và các chương trình có thể tận dụng được điều đó.
Điều quan trọng cần nhấn mạnh là các lõi xử lý là các thành phần vật lý, không phải là thứ ảo hay được mô phỏng bằng phần mềm . Chúng được tạo thành từ hàng triệu bóng bán dẫn và mạch điện thực hiện các đơn vị số học, đơn vị điều khiển, thanh ghi nội bộ và các phần tử khác cho phép chu trình lệnh (nạp, giải mã, thực thi và ghi kết quả) được thực hiện lặp đi lặp lại.
Hiện nay, trên thị trường tiêu dùng, việc tìm thấy các bộ xử lý có 2, 4, 6, 8, và thậm chí hơn 10 lõi là điều phổ biến , trong khi các máy trạm và máy chủ thường cung cấp số lượng lõi cao hơn nữa, chẳng hạn như 16, 32, hoặc nhiều hơn. Càng nhiều lõi, càng nhiều tác vụ có thể được xử lý đồng thời, điều này đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng chuyên nghiệp, máy chủ hoặc quy trình làm việc có khối lượng công việc song song cao.
Luồng xử lý là gì và chúng hoạt động như thế nào?
Trong khi nhân hệ điều hành là các thành phần vật lý, thì luồng (hoặc tiến trình con) là các thực thể logic hoặc ảo đại diện cho luồng thực thi trong một chương trình và hệ điều hành có thể lên lịch thực thi trên một hoặc nhiều nhân. Về cơ bản, một luồng là một chuỗi các lệnh có thể thực thi độc lập với phần còn lại, với thông tin ngữ cảnh riêng của nó.
Ta có thể xem một luồng (thread) như đường dẫn mà một đoạn mã đi qua bộ xử lý . Mỗi luồng có các thanh ghi thực thi riêng, ngăn xếp riêng và một bộ đếm chương trình cho biết lệnh nào nên được thực thi tại bất kỳ thời điểm nào. Hệ điều hành chịu trách nhiệm phân bổ các luồng này cho các lõi khả dụng và phân phối thời gian CPU giữa chúng một cách hiệu quả nhất có thể.
Trong lập trình, người ta phân biệt giữa ứng dụng đơn luồng và đa luồng . Chương trình đơn luồng chỉ có một luồng thực thi duy nhất: các lệnh được thực thi lần lượt, theo trình tự nghiêm ngặt. Ngược lại, trong ứng dụng đa luồng , công việc được phân bổ cho nhiều luồng có thể chạy song song, chia sẻ tài nguyên nhưng thực thi đồng thời.
Phương pháp phân chia khối lượng công việc này cho phép một chương trình duy nhất thực hiện nhiều thao tác đồng thời . Ví dụ, một trình chỉnh sửa video có thể dành một luồng cho giao diện đồ họa, một luồng khác cho việc dựng hình, một luồng khác cho âm thanh, v.v. Nếu có đủ lõi CPU và luồng, các phần này của chương trình sẽ chạy song song, cải thiện thời gian phản hồi và giảm cảm giác giật lag.
Trên thực tế, nhiều bộ xử lý hiện đại sử dụng các công nghệ đa luồng đồng thời như SMT hoặc Hyper-Threading, cho phép mỗi lõi vật lý xử lý hai luồng thực thi cùng lúc . Điều này giải thích tại sao bạn thấy các CPU có, ví dụ, 6 lõi và 12 luồng: có sáu đơn vị vật lý, nhưng mỗi đơn vị có thể mang hai luồng lệnh khác nhau cùng một lúc, tận dụng tốt hơn các đơn vị bên trong mà lẽ ra sẽ ở trạng thái nhàn rỗi. Công nghệ Hyper-Threading của Intel là một ví dụ nổi tiếng về điều này.
Mối quan hệ giữa chương trình, tiến trình và luồng
Để hiểu đầy đủ vai trò của các luồng (thread), ta cần quay lại một cấp độ kiến thức cơ bản hơn về cách tổ chức công việc trong hệ điều hành. Một chương trình đơn giản chỉ là một tập hợp các lệnh được lưu trữ trên đĩa (ứng dụng, trình điều khiển, chính hệ điều hành, v.v.) ở định dạng nhị phân, sẵn sàng được nạp vào bộ nhớ khi cần thiết.
Khi bạn chạy một chương trình, hệ thống sẽ tạo ra ít nhất một tiến trình được tải vào bộ nhớ RAM . Tiến trình này bao gồm mã thực thi, dữ liệu, các tài nguyên cần thiết (mô tả tệp, bộ nhớ dành riêng, v.v.) và một ngữ cảnh mà hệ điều hành quản lý cẩn thận. Mỗi tiến trình nằm trong một không gian bộ nhớ cụ thể, được cách ly với các tiến trình khác, điều này mang lại sự ổn định và bảo mật.
Một tiến trình cần một số yếu tố cơ bản để hoạt động: một bộ đếm chương trình chỉ ra lệnh tiếp theo sẽ được thực thi, một loạt các thanh ghi nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời và thông tin điều khiển, và một ngăn xếp lưu trữ dữ liệu từ các hàm đang hoạt động. Tất cả những điều này được lưu và khôi phục liên tục khi hệ thống chuyển từ tiến trình này sang tiến trình khác.
Điều thú vị là mỗi tiến trình chạy độc lập với các tiến trình khác . Nhờ tính độc lập này, nếu một ứng dụng gặp sự cố, phần còn lại của hệ thống vẫn có thể tiếp tục hoạt động. Khả năng quản lý nhiều tiến trình này cho phép tạo ra môi trường đa nhiệm: duyệt internet trong khi nghe nhạc, kiểm tra email và tải xuống tệp cùng một lúc.
Trong mỗi tiến trình, đều có các luồng thực thi. Luồng là đơn vị công việc nhỏ nhất mà hệ điều hành có thể phân bổ cho CPU . Một tiến trình có thể bao gồm một luồng duy nhất (trường hợp đơn giản nhất) hoặc nhiều luồng chia sẻ cùng không gian bộ nhớ và tài nguyên xử lý, nhưng thực thi song song.
Quy trình dây đơn và dây đa
Trong một tiến trình đơn luồng, toàn bộ mã chương trình được thực thi trong một luồng lệnh duy nhất . Điều này có nghĩa là nếu một phần của chương trình mất nhiều thời gian (ví dụ: một thao tác đĩa chậm hoặc một phép tính nặng), phần còn lại của ứng dụng có thể bị chặn cho đến khi thao tác đó hoàn tất, tạo cảm giác chậm chạp hoặc bị treo.
Khi một tiến trình được thực thi đa luồng, nhiệm vụ của nó được chia thành nhiều tiến trình con nhỏ hơn gọi là các luồng . Các luồng này chia sẻ bộ nhớ và tài nguyên, nhưng mỗi luồng có ngăn xếp thanh ghi và bộ đếm chương trình riêng. Bằng cách này, hai hoặc nhiều phần của chương trình có thể thực thi đồng thời, giảm thời gian chờ đợi và tận dụng tốt hơn các lõi xử lý có sẵn.
Ví dụ, một trình duyệt web có thể có một luồng dành cho giao diện, một luồng khác để tải trang, một luồng khác để thực thi mã JavaScript và một luồng khác để phát video. Nếu có nhiều lõi CPU và nhiều luồng, tất cả các luồng này có thể chạy đồng thời , dẫn đến trải nghiệm người dùng mượt mà hơn nhiều.
Điểm mấu chốt là, với nhiều luồng hơn, khối lượng tính toán đồng thời tăng lên đáng kể . Điều này không có nghĩa là bản thân CPU nhanh hơn, mà là nó có thể giữ cho các đơn vị bên trong hoạt động hiệu quả hơn với nhiều công việc song song. Điều này dẫn đến việc sử dụng phần cứng tốt hơn, đặc biệt là trong các chương trình được thiết kế để hoạt động với nhiều luồng.
Trong các bộ xử lý có công nghệ đa luồng, một lõi xử lý hai luồng không thực sự thực thi hai lệnh trong cùng một chu kỳ với hiệu suất 100%, nhưng nó có thể chuyển đổi giữa hai luồng nhanh đến mức người dùng cảm thấy như chúng đang hoạt động song song. Hệ điều hành phân bổ các "phần thời gian CPU" nhỏ cho mỗi luồng, và việc chuyển đổi giữa chúng diễn ra trong tích tắc, không thể nhận biết được đối với người dùng.
Sự khác biệt cơ bản giữa lõi và sợi
Điểm khác biệt chính là các lõi (core) là các đơn vị xử lý vật lý , trong khi các luồng (thread) là các thực thể logic đại diện cho các tác vụ hoặc tiến trình con chạy trên các lõi đó. Một lõi có thể tồn tại mà không cần các luồng SMT bổ sung (chỉ đơn giản là thực thi một luồng lệnh duy nhất), nhưng một luồng, dù là ảo, luôn cần một lõi vật lý tại một thời điểm nào đó để thực thi.
Khi xem thông số kỹ thuật của CPU, bạn sẽ thấy các tổ hợp như "4 lõi / 8 luồng" hoặc "6 lõi / 12 luồng". Điều này có nghĩa là mỗi lõi vật lý có thể xử lý đồng thời hai luồng thực thi . Trong bộ xử lý 6 lõi, 12 luồng, hệ điều hành sẽ thấy 12 đơn vị logic để lập lịch các tác vụ, mặc dù ở cấp độ silicon chỉ có 6 khối thực thi hoàn chỉnh.
Về mặt thực tế, các lõi (core) quyết định số lượng tác vụ độc lập mà CPU có thể thực hiện đồng thời , trong khi các luồng (thread) tinh chỉnh việc sử dụng các lõi đó, giảm thiểu thời gian nhàn rỗi và cho phép nhiều luồng chạy song song hơn. Đó là lý do tại sao người ta nói rằng các luồng giúp tăng hiệu quả, nhưng bước nhảy vọt đáng kể về hiệu năng thực sự luôn đến từ việc bổ sung thêm nhiều lõi vật lý.
Tóm lại, các lõi xử lý cung cấp sức mạnh vật lý, trong khi các luồng giúp tổ chức công việc tốt hơn . Sự cân bằng tốt giữa hai yếu tố này tạo nên sự khác biệt lớn về hiệu năng tổng thể của hệ thống, đặc biệt khi xử lý đa nhiệm cường độ cao hoặc các phần mềm chuyên nghiệp đòi hỏi cao.
Lõi hay sợi: cái nào quan trọng hơn tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Câu hỏi thường gặp khi mua CPU là nên ưu tiên số lõi vật lý hay số luồng logic . Câu trả lời phụ thuộc phần lớn vào cách bạn dự định sử dụng máy tính và cách lập trình các ứng dụng bạn thường dùng.
Trong các tác vụ sử dụng nhiều phần cứng, chẳng hạn như các trò chơi đòi hỏi cấu hình cao, chỉnh sửa video nâng cao, dựng hình 3D hoặc chạy máy ảo, việc có nhiều lõi vật lý thường mang lại nhiều lợi ích hơn . Các khối lượng công việc này được hưởng lợi từ khả năng phân phối các tác vụ lớn trên nhiều lõi vật lý, thay vì chỉ dựa vào các luồng logic trên một vài lõi.
Đối với các tác vụ sử dụng hàng ngày, chẳng hạn như duyệt web, làm việc với tài liệu, sử dụng đồng thời nhiều ứng dụng nhẹ hoặc xem nội dung đa phương tiện, việc quản lý luồng hiệu quả có thể tạo ra sự khác biệt lớn hơn . Ngay cả với số lõi ít, nếu CPU hỗ trợ nhiều luồng trên mỗi lõi và hệ thống phân phối chúng tốt, trải nghiệm tổng thể sẽ mượt mà và phản hồi nhanh chóng.
Trong phát triển phần mềm, việc hiểu rõ cách quản lý lõi và luồng là vô cùng quan trọng. Một chương trình được song song hóa kém có thể không tận dụng được hết khả năng của bộ xử lý có nhiều luồng hoặc nhiều lõi , trong khi một ứng dụng được thiết kế tốt sẽ mở rộng quy mô rất hiệu quả khi số lượng lõi có sẵn tăng lên. Một số phần mềm được tối ưu hóa cho nhiều luồng logic, trong khi các phần mềm khác chỉ biết cách tận dụng một vài lõi mạnh mẽ.
Nói một cách đơn giản, đối với hầu hết người dùng gia đình, CPU 4 đến 6 nhân với số luồng xử lý tốt thường mang lại sự cân bằng tuyệt vời giữa giá cả và hiệu năng . Đối với những người sáng tạo nội dung, game thủ chuyên nghiệp hoặc các chuyên gia sử dụng các chương trình đòi hỏi cấu hình cao, việc nâng cấp lên 8, 10 nhân hoặc nhiều hơn sẽ hợp lý hơn nhiều, đặc biệt nếu các ứng dụng đó được thiết kế để tận dụng sức mạnh của đa luồng.
Cách tìm hiểu CPU của bạn có bao nhiêu lõi và luồng
Nếu bạn muốn kiểm tra số lõi và luồng xử lý của máy tính, hệ điều hành cung cấp sẵn các công cụ rất đơn giản để thực hiện mà không cần cài đặt thêm bất kỳ phần mềm nào . Điều này hữu ích để biết liệu phần cứng của bạn có đáp ứng yêu cầu của một chương trình hoặc trò chơi nhất định hay không, hoặc để đánh giá xem việc nâng cấp bộ xử lý có thực sự đáng giá hay không.
Trong Windows 10 hoặc 11, bạn có thể mở menu ngữ cảnh của nút Start và vào mục "Hệ thống" để xem kiểu bộ xử lý đã cài đặt . Với thông tin đó, bạn có thể tìm kiếm trên trang web của nhà sản xuất và kiểm tra xem nó hỗ trợ bao nhiêu lõi và luồng. Ngoài ra, Trình quản lý tác vụ , trong tab "Hiệu suất", hiển thị biểu đồ cho mỗi CPU logic, cho bạn biết số lượng luồng mà hệ thống đang sử dụng.
Nếu bạn muốn có thông tin chi tiết hơn, Trình quản lý tác vụ (Task Manager) có liên kết đến Trình giám sát tài nguyên (Resource Monitor ), nơi bạn có thể xem phân tích chi tiết các tiến trình và luồng cùng với mức sử dụng CPU của chúng. Mỗi mục "luồng" ở đó tương ứng với một luồng thực thi được hệ thống quản lý.
Trên macOS, thông tin cơ bản về CPU có thể được tìm thấy trong menu Apple, dưới mục "Giới thiệu về máy Mac này", rồi "Báo cáo hệ thống ". Ở đó, bạn có thể thấy tên bộ xử lý và, bằng cách tham khảo thông số kỹ thuật chính thức, tìm ra số lõi vật lý và luồng. Trình quản lý hoạt động cũng hiển thị số luồng mà mỗi ứng dụng đang mở có.
Với những công cụ này, bạn có thể nắm rõ lượng sức mạnh xử lý song song thực tế mà mình có sẵn và liệu chương trình của bạn có đang sử dụng hết công suất của các lõi hay chỉ sử dụng một hoặc hai lõi, để lại phần còn lại gần như không hoạt động.
Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, bạn nên chọn CPU có bao nhiêu lõi?
Số lượng lõi lý tưởng không giống nhau đối với mỗi người. Nó phụ thuộc vào loại tác vụ bạn thực hiện hàng ngày và liệu các ứng dụng yêu thích của bạn có được tối ưu hóa để tận dụng nhiều lõi và luồng hay không . Nhiều hơn không phải lúc nào cũng tốt hơn, nhưng điều quan trọng là phải tìm ra phạm vi phù hợp.
Đối với các tác vụ cơ bản (duyệt web, công việc văn phòng đơn giản, email, xem video), 2 lõi vật lý thường là đủ , mặc dù hiện nay nên chọn ít nhất 4 lõi để có đủ dung lượng dự phòng cho việc cập nhật phần mềm trong tương lai và xử lý đa nhiệm nặng hơn một chút.
Nếu bạn thường chơi các game không đòi hỏi cấu hình cao, chỉnh sửa ảnh hoặc video nhẹ nhàng và mở nhiều ứng dụng cùng lúc, lựa chọn hợp lý nhất là tìm kiếm bộ xử lý lõi tứ hỗ trợ đa luồng. Sự cải thiện so với bộ xử lý lõi kép là đáng kể về độ mượt mà tổng thể, thời gian tải và khả năng xử lý nhiều chương trình cùng lúc.
Đối với các trò chơi đòi hỏi cấu hình cao, việc tạo nội dung chuyên nghiệp hơn (chỉnh sửa video độ phân giải cao, dựng hình 3D thường xuyên) hoặc sử dụng máy ảo, việc chuyển sang bộ xử lý 6-8 lõi mang lại bước nhảy vọt đáng kể về hiệu năng. Nhiều tựa game hiện đại có thể tận dụng 6 hoặc 8 lõi một cách hiệu quả, và các chương trình chỉnh sửa và dựng hình thường mở rộng rất tốt với mỗi lõi bổ sung.
Trên 10 lõi, chúng ta đang nói đến các hệ thống được thiết kế cho những kịch bản đòi hỏi rất cao: chơi game cao cấp với khả năng phát trực tuyến đồng thời , dựng hình và hoạt hình 3D chuyên nghiệp, mô phỏng phức tạp, hoặc các máy trạm và máy chủ chạy nhiều tác vụ song song. Trong những trường hợp này, càng nhiều lõi và luồng (miễn là chúng được phần mềm sử dụng hiệu quả), khả năng xử lý khối lượng công việc khổng lồ càng tốt.
Ảnh hưởng của số lõi và số luồng đến hiệu năng
Việc có nhiều lõi và luồng hơn sẽ thay đổi đáng kể cách hệ thống hoạt động khi chịu tải. CPU đa lõi có thể xử lý nhiều tác vụ đồng thời mà không tác vụ nào cản trở tác vụ khác , dẫn đến thời gian phản hồi nhanh hơn, ít giật lag hơn và độ ổn định cao hơn khi máy tính hoạt động hết công suất.
Đa nhiệm là một trong những lĩnh vực mà điều này thể hiện rõ nhất. Việc có nhiều lõi và luồng cho phép hệ điều hành phân phối các ứng dụng giữa các CPU logic khác nhau , sao cho trong khi một CPU xử lý một phép tính dài, các CPU khác có thể tiếp tục phản hồi người dùng. Điều này giúp bạn có thể, ví dụ, chơi game trong khi có thứ gì đó đang được hiển thị ở chế độ nền hoặc quay video chơi game.
Trong các trò chơi điện tử, hầu hết các tựa game hiện đại thường tận dụng tốt 4 hoặc 6 lõi xử lý, và một số game cao cấp thậm chí tận dụng đến 8 lõi vật lý . Trong những trường hợp này, ngoài card đồ họa, bộ xử lý còn phải xử lý vật lý, trí tuệ nhân tạo, logic trò chơi, mạng lưới, v.v. Phân bổ các tác vụ này trên nhiều lõi và luồng giúp duy trì tốc độ khung hình ổn định hơn, đặc biệt là trong các cảnh đòi hỏi cấu hình cao.
Trong lĩnh vực tạo nội dung, chẳng hạn như chỉnh sửa video chuyên nghiệp, dựng hình 3D hoặc xử lý ảnh quy mô lớn, số lượng lõi xử lý đóng vai trò rất quan trọng. Nhiều công cụ dựng hình, bộ mã hóa video và các công cụ chuyên nghiệp được thiết kế để mở rộng gần như tuyến tính với mỗi lõi bổ sung , vì vậy việc tăng từ 4 lên 8 lõi có thể giảm một nửa thời gian xuất file trong một số trường hợp nhất định.
Trong môi trường máy chủ và máy trạm, việc xử lý hàng chục người dùng, máy ảo hoặc dịch vụ đồng thời đòi hỏi số lượng lõi xử lý rất cao , thường là 16 trở lên. Mỗi dịch vụ hoặc máy có thể được dành riêng một số lõi và luồng, và vẫn còn chỗ cho các tác vụ mới, làm tăng đáng kể dung lượng tổng thể của hệ thống.
Tuy nhiên, điều quan trọng cần nhớ là không phải tất cả các chương trình đều tận dụng tối đa các lõi bổ sung . Nhiều chương trình vẫn phụ thuộc rất nhiều vào một luồng chính duy nhất, vì vậy tốc độ của mỗi lõi (tần số và hiệu năng trên mỗi chu kỳ) vẫn rất quan trọng. Lý tưởng nhất là bạn nên kết hợp một số lượng lõi hợp lý với tần số tốt, mà không nên chỉ bị ảnh hưởng bởi những lời quảng cáo thổi phồng về số lượng luồng.
Tóm lại, rõ ràng là các lõi và luồng hoạt động cùng nhau để quyết định hiệu năng thực tế của CPU : các lõi quyết định số lượng tác vụ độc lập có thể được xử lý song song, và các luồng cho phép chia nhỏ các tác vụ này thành các phần nhỏ hơn, phối hợp tốt hơn. Hiểu được cách mỗi thành phần kết hợp với nhau sẽ giúp bạn chọn bộ xử lý phù hợp và đánh giá xem việc nâng cấp có thực sự đáng giá hay không dựa trên các tác vụ hàng ngày của bạn.
