O que são núcleos de CPU?

Um núcleo de CPU é uma parte essencial de qualquer computador. Os núcleos da CPU fazem parte de qualquer processador da CPU. CPUs de desktop modernas geralmente têm entre dois e 16 núcleos, cada um dos quais pode cuidar de uma tarefa específica por vez. O número de núcleos disponíveis é um dos indicadores críticos de quão poderoso e rápido é um PC com desempenho máximo.

Vale a pena notar que os núcleos não são totalmente independentes uns dos outros. Dependendo do design específico da CPU, os núcleos podem estar mais ou menos vinculados. Eles podem compartilhar caches, usar uns aos outros para transmitir mensagens ou até mesmo compartilhar outros tipos de processos de comunicação. Na maioria das vezes, os núcleos serão conectados por meio de barramentos. Há também uma distinção entre CPUs que possuem apenas núcleos idênticos e aquelas que combinam núcleos diferentes.

Projeto da CPU

O design histórico de CPU multicore geralmente usa uma topologia de CPU homogênea. Ou seja, todos os núcleos são idênticos. Isso tem a vantagem de exigir apenas o esforço de desenvolvimento de uma arquitetura central que pode ser copiada e colada sempre que necessário. Também facilita o agendamento de tarefas, pois todos os núcleos podem executar todas as tarefas com a mesma velocidade e eficiência.

Uma abordagem mais diferenciada para o design do núcleo da CPU pode ser encontrada com a topologia de CPU heterogênea. Nesse caso, uma matriz de CPU tem vários tipos de núcleo, normalmente otimizados para desempenho ou eficiência de energia e, às vezes, um meio-termo. Essa configuração é particularmente útil em dispositivos móveis, onde vários núcleos eficientes fornecem bom desempenho com consumo mínimo de bateria. O desempenho máximo também pode ser fornecido quando necessário por núcleos otimizados de desempenho mais poderosos, mas ao custo de maior consumo de energia e produção de calor.

Historicamente, as CPUs começaram com apenas um núcleo e só podiam lidar com uma tarefa por vez. Com o tempo, à medida que a demanda por hardware aumentava, isso não era mais suficiente. CPUs mais novas e modernas foram desenvolvidas e eliminadas do que aquelas com menos núcleos. A exceção foram os laptops – devido a restrições de espaço e resfriamento, as CPUs de laptop historicamente ficaram atrás dos computadores de mesa em contagens de núcleos de CPU. Os laptops modernos podem corresponder à contagem de núcleos com os desktops, mas as CPUs geralmente funcionam em níveis de energia e velocidades de clock mais baixos para gerenciar as temperaturas.

Dica: Se você está tentando construir um computador e escolher sua CPU, o mínimo absoluto de núcleos que você deve buscar é quatro.

Multithreading

A maioria dos processadores modernos usa multi ou hyper-threading para aumentar o número de núcleos disponíveis. Esse processo divide um núcleo em vários núcleos virtuais. Especificamente, cada núcleo físico funciona como dois threads. Portanto, CPUs com quatro núcleos podem trabalhar com oito threads, ou seja, funcionam como uma CPU de oito núcleos.

Nota: Algumas CPUs especializadas podem oferecer mais de dois threads por núcleo de CPU. No entanto, todos esses produtos são exclusivos dos mercados de HPC ( computação de alto desempenho ) e supercomputação. Os núcleos da CPU de desktop podem executar um ou dois threads.

Multithreading não é uma duplicação absoluta do poder da CPU, no entanto. Hyperthreading não dobra o desempenho do núcleo da CPU. A pesquisa da Intel sugere que ele oferece um aumento de desempenho de cerca de 30%, embora isso possa variar muito e, em casos raros, até diminuir um pouco o desempenho. Alguns aplicativos e programas funcionam melhor com ele do que outros. Os videogames, por exemplo, nem sempre se beneficiam de mais núcleos, muitas vezes sendo mais sensíveis à velocidade do clock. Outros softwares, especialmente edição de vídeo e animação, rodam mais com núcleos e threads extras.

Obviamente, é impossível inventar núcleos adicionais – portanto, os encadeamentos simulados precisam compartilhar os recursos físicos disponíveis de seu núcleo subjacente. Isso pode significar que os threads têm um desempenho inferior individualmente, mas também pode significar que os recursos são distribuídos de forma mais eficaz. Eles podem ser usados ​​por qualquer segmento que precise mais deles.

O futuro do hardware

A tendência no desenvolvimento do núcleo da CPU definitivamente vai para a implementação de mais e mais núcleos nas CPUs. Teoricamente, seria possível construir CPUs com centenas ou até milhares de núcleos. Isso ainda não é uma realidade comercial, com as CPUs Threadripper e EPYC da AMD com até 64 núcleos. Por enquanto, porém, um foco mais realista é otimizar o desempenho por watt. Em outras palavras - para diminuir o consumo de energia das CPUs. Isso beneficia principalmente laptops e outros dispositivos alimentados por bateria.

O gerenciamento do consumo de energia é crítico para aumentos significativos de desempenho. A lei de Moore geralmente dobrou o desempenho da CPU aproximadamente a cada dois anos durante décadas. Isso, no entanto, foi baseado principalmente no encolhimento do nó, ou seja, quão pequenos os menores elementos da CPU poderiam ser.

Os nós de CPU modernos são tão pequenos que estão muito próximos dos limites físicos de redução de tamanho. O aumento do desempenho, portanto, significou maior consumo de energia e maior produção de calor. Num futuro próximo, as CPUs dos supercomputadores poderão produzir tanto calor em um espaço tão pequeno que será impossível resfriá-las com ar, exigindo refrigeração líquida.

Naturalmente, também sempre há novos tipos de CPUs sendo desenvolvidos. As duas maiores marcas aqui, Intel e AMD, possuem diferentes tipos de designs de CPU. Isso vai tão longe que suas respectivas CPUs são mais adequadas para alguns usos do que para outros. Obviamente, as CPUs recém-projetadas oferecem novos casos de uso e especialidades além das existentes.

A arquitetura da CPU é um tópico complexo. À medida que crescem as tecnologias disponíveis e a demanda por maior desempenho, também aumenta o poder que as CPUs oferecem e a variedade de configurações disponíveis. Como o mercado de GPU, o mercado de CPU mostra sinais de mudança para aceleradores de hardware específicos. Isso pode permitir mais desempenho e maior eficiência em tarefas específicas, mas aumenta a complexidade.

Conclusão

Um núcleo de CPU é uma ou mais partes específicas de uma matriz de CPU que executa o processamento real. Normalmente, eles serão servidos e cercados por registradores e caches. A grande maioria das CPUs modernas oferece vários núcleos em uma matriz de CPU. Os núcleos da CPU podem ser idênticos ou otimizados para diferentes estágios na curva de desempenho/eficiência.

Os núcleos da CPU geralmente são de uso geral, capazes de executar qualquer processamento que a CPU possa precisar. Uma unidade de processamento de uso não geral em uma matriz de CPU pode ser chamada de acelerador ou núcleo de processamento X. X é substituído por um propósito específico, como núcleos de processamento neural e aceleradores neurais para processamento de IA.