Wat zijn CPU-kernen?

Een CPU-kern is een essentieel onderdeel van elke computer. CPU-kernen maken deel uit van elke CPU-processor. Moderne desktop-CPU's hebben meestal tussen de twee en 16 kernen, die elk één specifieke taak tegelijk kunnen uitvoeren. Het aantal beschikbare kernen is een van de kritieke indicatoren van hoe krachtig en snel een pc topprestaties levert.

Het is vermeldenswaard dat kernen niet volledig onafhankelijk van elkaar zijn. Afhankelijk van het specifieke CPU-ontwerp kunnen kernen min of meer nauw met elkaar verbonden zijn. Ze kunnen caches delen, elkaar gebruiken om berichten door te geven of zelfs andere soorten communicatieprocessen delen. Vaker wel dan niet zullen kernen via bussen met elkaar verbonden zijn. Er is ook een onderscheid tussen CPU's die alleen identieke cores hebben en CPU's die verschillende cores combineren.

CPU-ontwerp

Historisch multicore CPU-ontwerp heeft over het algemeen een homogene CPU-topologie gebruikt. Dat wil zeggen, alle kernen zijn identiek. Dit heeft het voordeel dat er slechts één ontwikkelinspanning nodig is van één kernarchitectuur die zo vaak als nodig kan worden gekopieerd en geplakt. Het maakt ook het plannen van taken eenvoudiger, omdat alle kernen alle taken met dezelfde snelheid en efficiëntie kunnen uitvoeren.

Een meer genuanceerde benadering van CPU-kernontwerp kan worden gevonden met heterogene CPU-topologie. In dit geval heeft één CPU-chip meerdere kerntypen, meestal geoptimaliseerd voor prestaties of energie-efficiëntie, en soms een middenweg. Deze opstelling is vooral handig bij mobiele apparaten, waar talloze efficiënte cores goede prestaties leveren met een minimale batterijverbruik. Piekprestaties kunnen ook worden geleverd wanneer dat nodig is door krachtigere, voor prestaties geoptimaliseerde kernen, maar dit gaat ten koste van meer stroomverbruik en warmteproductie.

Historisch gezien begonnen CPU's met slechts één kern en konden ze maar één taak tegelijk aan. In de loop van de tijd, toen de vraag naar hardware toenam, was dat niet meer genoeg. Er werden nieuwere, modernere CPU's ontwikkeld en uitgefaseerd dan die met minder cores. De uitzondering waren laptops - vanwege ruimte- en koelingsbeperkingen zijn laptop-CPU's historisch gezien achtergebleven bij desktopcomputers wat betreft het aantal CPU-kernen. Moderne laptops kunnen het aantal cores matchen met desktops, maar de CPU's werken vaak op lagere energieniveaus en kloksnelheden om de temperatuur te beheersen.

Tip: als je een computer probeert te bouwen en je CPU kiest, is het absolute minimum aan kernen waar je naar moet streven vier.

Multithreading

De meeste moderne processors gebruiken multi- of hyperthreading om het aantal beschikbare cores te vergroten. Dit proces splitst één kern op in verschillende virtuele kernen. Concreet werkt elke fysieke kern als twee threads. Daarom kunnen CPU's met vier kernen werken met acht threads, wat betekent dat ze functioneren als een CPU met acht kernen.

Opmerking: sommige gespecialiseerde CPU's kunnen meer dan twee threads per CPU-kern bieden. Al dergelijke producten zijn echter exclusief voor de HPC- ( High-Performance Computing ) en supercomputing-markten. Desktop CPU-cores kunnen één of twee threads uitvoeren.

Multithreading is echter geen absolute duplicatie van CPU-kracht. Hyperthreading verdubbelt de prestaties van de CPU-kern niet. Onderzoek van Intel suggereert dat het een prestatieverbetering van ongeveer 30% biedt, hoewel dit sterk kan variëren en in zeldzame gevallen zelfs de prestaties iets kan verminderen. Sommige apps en programma's werken er beter mee dan andere. Videogames profiteren bijvoorbeeld niet altijd van meer kernen, omdat ze vaak gevoeliger zijn voor kloksnelheid. Andere software, vooral videobewerking en animatie, draait verder met extra cores en threads.

Het is natuurlijk onmogelijk om extra kernen uit te vinden - dus moeten de gesimuleerde threads de beschikbare fysieke bronnen van hun onderliggende kern delen. Dat kan betekenen dat de threads afzonderlijk minder presteren, maar het kan ook betekenen dat resources effectiever worden verdeeld. Ze kunnen worden gebruikt door de draad die ze meer nodig heeft.

De toekomst van hardware

De trend in de ontwikkeling van CPU-kernen gaat zeker naar het implementeren van steeds meer kernen in CPU's. Theoretisch zou het mogelijk zijn om CPU's te bouwen met honderden of zelfs duizenden cores. Dat is nog geen commerciële realiteit, met AMD's Threadripper en EPYC CPU's met maximaal 64 cores. Voor nu is een meer realistische focus echter het optimaliseren van de prestaties per watt. Met andere woorden: om het stroomverbruik van CPU's te verlagen. Dit komt vooral ten goede aan laptops en andere apparaten op batterijen.

Het beheersen van het stroomverbruik is van cruciaal belang voor verdere aanzienlijke prestatieverbeteringen. De wet van Moore heeft de CPU-prestaties in het algemeen gedurende decennia ongeveer elke twee jaar verdubbeld. Dit was echter voornamelijk gebaseerd op het verkleinen van de node, dwz hoe klein de kleinste elementen in de CPU konden zijn.

Moderne CPU-knooppunten zijn zo klein dat ze bijna de fysieke limieten voor verkleining naderen. Toenemende prestaties betekenden daarom een ​​hoger stroomverbruik en een hogere warmteafgifte. In de nabije toekomst kunnen supercomputer-CPU's zoveel warmte produceren in zo'n kleine ruimte dat het onmogelijk is om ze met lucht te koelen, waardoor vloeistofkoeling nodig is.

Natuurlijk worden er ook altijd nieuwe soorten CPU's ontwikkeld. De twee grootste merken hier, Intel en AMD, hebben elk verschillende soorten CPU-ontwerpen. Dit gaat zo ver dat hun respectievelijke CPU's beter geschikt zijn voor sommige toepassingen dan andere. Natuurlijk bieden nieuw ontworpen CPU's nieuwe use-cases en specialiteiten bovenop bestaande.

CPU-architectuur is een complex onderwerp. Naarmate zowel de beschikbare technologieën als de vraag naar hogere prestaties groeien, nemen ook de kracht die CPU's bieden en de verscheidenheid aan beschikbare configuraties toe. Net als de GPU-markt vertoont de CPU-markt tekenen van een verschuiving naar specifieke hardwareversnellers. Dit kan zorgen voor betere prestaties en grotere efficiëntie bij bepaalde taken, maar verhoogt de complexiteit.

Conclusie

Een CPU-kern is een of meer specifieke delen van een CPU-chip die de daadwerkelijke verwerking uitvoeren. Deze worden meestal bediend en omgeven door registers en caches. De overgrote meerderheid van moderne CPU's biedt meerdere cores op één CPU-chip. CPU-kernen kunnen identiek of geoptimaliseerd zijn voor verschillende stadia van de prestatie-/efficiëntiecurve.

CPU-cores zijn doorgaans voor algemeen gebruik en kunnen elke verwerking uitvoeren die de CPU nodig heeft. Een niet-algemene verwerkingseenheid op een CPU-chip kan een versneller of een X-verwerkingskern worden genoemd. X wordt vervangen door een specifiek doel, zoals neurale verwerkingskernen en neurale versnellers voor AI-verwerking.