Co to są rdzenie procesora?

Rdzeń procesora jest istotną częścią każdego komputera. Rdzenie procesora są częścią każdego procesora CPU. Nowoczesne procesory do komputerów stacjonarnych mają zwykle od dwóch do 16 rdzeni, z których każdy może zajmować się jednym określonym zadaniem na raz. Liczba dostępnych rdzeni jest jednym z najważniejszych wskaźników mocy i szybkości komputera przy maksymalnej wydajności.

Warto zauważyć, że rdzenie nie są od siebie całkowicie niezależne. W zależności od konkretnego projektu procesora, rdzenie mogą być mniej lub bardziej ściśle powiązane. Mogą udostępniać pamięci podręczne, wykorzystywać się nawzajem do przekazywania wiadomości, a nawet udostępniać inne rodzaje procesów komunikacyjnych. Najczęściej rdzenie będą połączone magistralami. Istnieje również rozróżnienie między procesorami, które mają tylko identyczne rdzenie, a tymi, które łączą różne.

Projekt procesora

Historyczny wielordzeniowy projekt procesora generalnie wykorzystywał jednorodną topologię procesora. Oznacza to, że wszystkie rdzenie są identyczne. Ma to tę zaletę, że wymaga prac rozwojowych tylko nad jedną podstawową architekturą, którą można kopiować i wklejać tak często, jak to konieczne. Ułatwia również planowanie zadań, ponieważ wszystkie rdzenie mogą wykonywać wszystkie zadania z tą samą szybkością i wydajnością.

Bardziej szczegółowe podejście do projektowania rdzeni procesora można znaleźć w heterogenicznej topologii procesora. W tym przypadku jedna matryca procesora ma wiele typów rdzeni, zwykle zoptymalizowanych pod kątem wydajności lub efektywności energetycznej, a czasami środek. Ta konfiguracja jest szczególnie przydatna w urządzeniach mobilnych, gdzie liczne wydajne rdzenie zapewniają dobrą wydajność przy minimalnym zużyciu baterii. Szczytową wydajność można również zapewnić w razie potrzeby dzięki mocniejszym rdzeniom zoptymalizowanym pod kątem wydajności, ale kosztem zwiększonego poboru mocy i produkcji ciepła.

W przeszłości procesory zaczynały od tylko jednego rdzenia i mogły obsługiwać tylko jedno zadanie na raz. Z biegiem czasu, wraz ze wzrostem zapotrzebowania na sprzęt, to już nie wystarczało. Opracowano i wycofano nowsze, nowocześniejsze procesory niż te z mniejszą liczbą rdzeni. Wyjątkiem były laptopy – ze względu na ograniczenia dotyczące miejsca i chłodzenia procesory do laptopów historycznie pozostawały w tyle za komputerami stacjonarnymi pod względem liczby rdzeni procesora. Nowoczesne laptopy mogą dorównać liczbie rdzeni do komputerów stacjonarnych, ale procesory często działają na niższych poziomach mocy i częstotliwości taktowania, aby zarządzać temperaturami.

Wskazówka: jeśli próbujesz zbudować komputer i wybrać procesor, absolutne minimum rdzeni, do którego powinieneś dążyć, to cztery.

Wielowątkowość

Większość nowoczesnych procesorów wykorzystuje wielowątkowość lub hiperwątkowość w celu zwiększenia liczby dostępnych rdzeni. Ten proces dzieli jeden rdzeń na kilka rdzeni wirtualnych. W szczególności każdy fizyczny rdzeń działa jako dwa wątki. Dlatego procesory z czterema rdzeniami mogą pracować z ośmioma wątkami, co oznacza, że ​​działają jak ośmiordzeniowe procesory.

Uwaga: Niektóre wyspecjalizowane procesory mogą oferować więcej niż dwa wątki na rdzeń procesora. Jednak wszystkie takie produkty są dostępne wyłącznie na rynkach HPC ( przetwarzanie o wysokiej wydajności ) i superkomputerach. Rdzenie procesora do komputerów stacjonarnych mogą obsługiwać jeden lub dwa wątki.

Wielowątkowość nie jest jednak całkowitym powielaniem mocy procesora. Hyperthreading nie podwaja wydajności rdzenia procesora. Badania Intela sugerują, że oferuje wzrost wydajności o około 30%, chociaż może się to znacznie różnić, aw rzadkich przypadkach nawet nieznacznie obniżyć wydajność. Niektóre aplikacje i programy działają z nim lepiej niż inne. Na przykład gry wideo nie zawsze korzystają z większej liczby rdzeni, często są bardziej wrażliwe na szybkość zegara. Inne oprogramowanie, zwłaszcza do edycji wideo i animacji, działa dalej z dodatkowymi rdzeniami i wątkami.

Oczywiście nie da się wymyślić dodatkowych rdzeni – więc symulowane wątki muszą dzielić dostępne zasoby fizyczne ich podstawowego rdzenia. Może to oznaczać, że poszczególne wątki mają niższą wydajność, ale może to również oznaczać, że zasoby są bardziej efektywnie dystrybuowane. Mogą być używane przez dowolny wątek, który ich bardziej potrzebuje.

Przyszłość sprzętu

Trend w rozwoju rdzeni procesorów zdecydowanie zmierza w kierunku wdrażania coraz większej liczby rdzeni w procesorach. Teoretycznie możliwe byłoby zbudowanie procesorów z setkami, a nawet tysiącami rdzeni. To jeszcze nie jest komercyjna rzeczywistość, ponieważ procesory AMD Threadripper i EPYC mają do 64 rdzeni. Na razie jednak bardziej realistycznym celem jest optymalizacja wydajności na wat. Innymi słowy – aby obniżyć pobór mocy przez procesory. Jest to korzystne przede wszystkim dla laptopów i innych urządzeń zasilanych bateryjnie.

Zarządzanie zużyciem energii ma kluczowe znaczenie dla dalszego znacznego wzrostu wydajności. Prawo Moore'a generalnie podwaja wydajność procesora mniej więcej co dwa lata od dziesięcioleci. Opierało się to jednak przede wszystkim na zmniejszeniu węzła, tj. na tym, jak małe mogą być najmniejsze elementy w procesorze.

Nowoczesne węzły procesora są tak małe, że zbliżają się do fizycznych ograniczeń redukcji rozmiaru. Zwiększenie wydajności oznaczało zatem większy pobór mocy i wyższą moc grzewczą. W niedalekiej przyszłości procesory superkomputerów mogą wytwarzać tak dużo ciepła na tak małej przestrzeni, że nie da się ich schłodzić powietrzem, co wymaga chłodzenia cieczą.

Oczywiście, zawsze opracowywane są nowe typy procesorów. Dwie największe tutaj marki, Intel i AMD, oferują różne rodzaje projektów procesorów. To idzie tak daleko, że ich odpowiednie procesory lepiej nadają się do niektórych zastosowań niż inne. Oczywiście nowo zaprojektowane procesory oferują nowe przypadki użycia i specjalizacje oprócz istniejących.

Architektura procesora to złożony temat. Wraz ze wzrostem zarówno dostępnych technologii, jak i zapotrzebowania na wyższą wydajność, rośnie moc oferowana przez procesory i różnorodność dostępnych konfiguracji. Podobnie jak rynek procesorów graficznych, rynek procesorów wykazuje oznaki przesunięcia w kierunku określonych akceleratorów sprzętowych. Może to pozwolić na większą wydajność i większą efektywność w poszczególnych zadaniach, ale zwiększa złożoność.

Wniosek

Rdzeń procesora to jedna lub więcej określonych części matrycy procesora, które wykonują rzeczywiste przetwarzanie. Będą one zazwyczaj obsługiwane i otoczone rejestrami i pamięciami podręcznymi. Zdecydowana większość nowoczesnych procesorów oferuje wiele rdzeni na jednej matrycy procesora. Rdzenie procesora mogą być identyczne lub zoptymalizowane pod kątem różnych etapów krzywej wydajność/wydajność.

Rdzenie procesora są zazwyczaj rdzeniami ogólnego przeznaczenia, zdolnymi do wykonywania dowolnego przetwarzania, którego może potrzebować procesor. Jednostka przetwarzająca innego niż ogólnego przeznaczenia na matrycy procesora może być nazywana akceleratorem lub rdzeniem przetwarzającym X. X zostaje zastąpiony przez określony cel, taki jak rdzenie przetwarzania neuronowego i akceleratory neuronowe do przetwarzania AI.