Ce sunt nucleele CPU?

Un nucleu CPU este o parte esențială a oricărui computer. Miezurile CPU fac parte din orice procesor CPU. Procesoarele moderne de desktop au de obicei între două și 16 nuclee, fiecare dintre acestea putând să se ocupe de o anumită sarcină la un moment dat. Numărul de nuclee disponibile este unul dintre indicatorii critici ai cât de puternic și rapid este un computer la performanță maximă.

Este demn de remarcat faptul că nucleele nu sunt complet independente unele de altele. În funcție de designul particular al procesorului, nucleele pot fi mai mult sau mai puțin strâns legate. Ei pot partaja cache-urile, se pot folosi reciproc pentru a transmite mesaje sau chiar pot partaja alte tipuri de procese de comunicare. De cele mai multe ori, nucleele vor fi conectate prin autobuze. Există, de asemenea, o distincție între procesoarele care au doar nuclee identice și cele care combină altele diferite.

Design CPU

Designul istoric al procesorului multicore a folosit în general o topologie omogenă a procesorului. Adică, toate nucleele sunt identice. Acest lucru are avantajul că necesită doar efortul de dezvoltare al unei singure arhitecturi de bază care poate fi copiată și lipită ori de câte ori este necesar. De asemenea, face programarea sarcinilor mai ușoară, deoarece toate nucleele pot efectua toate sarcinile la aceeași viteză și eficiență.

O abordare mai nuanțată a designului nucleului CPU poate fi găsită cu topologia CPU eterogenă. În acest caz, o matriță CPU are mai multe tipuri de nuclee, de obicei optimizate pentru performanță sau eficiență energetică și, uneori, o cale de mijloc. Această configurație este deosebit de utilă pentru dispozitivele mobile, unde numeroase nuclee eficiente oferă performanțe bune cu consum minim de baterie. Performanța de vârf poate fi asigurată, de asemenea, atunci când este necesar, de nuclee mai puternice cu performanță optimizată, dar cu prețul unei absorbții de putere și producție de căldură sporite.

Din punct de vedere istoric, procesoarele au început cu un singur nucleu și puteau face față doar unei sarcini la un moment dat. De-a lungul timpului, pe măsură ce cererea de hardware a crescut, asta nu a mai fost suficient. Au fost dezvoltate și eliminate procesoare mai noi și mai moderne decât cele cu mai puține nuclee. Excepția au fost laptop-urile – din cauza constrângerilor de spațiu și de răcire, procesoarele pentru laptop au rămas în trecut în urma computerelor desktop în ceea ce privește numărul de core CPU. Laptopurile moderne pot potrivi numărul de core cu computerele desktop, dar procesoarele funcționează adesea la niveluri de putere și viteze de ceas mai mici pentru a gestiona temperaturile.

Sfat: Dacă încercați să construiți un computer și să vă alegeți procesorul, minimul absolut de nuclee pe care ar trebui să le vizați este de patru.

Multithreading

Majoritatea procesoarelor moderne folosesc multi- sau hyper-threading pentru a crește numărul de nuclee disponibile. Acest proces împarte un nucleu în mai multe nuclee virtuale. Mai exact, fiecare nucleu fizic funcționează ca două fire. Prin urmare, procesoarele cu patru nuclee pot funcționa cu opt fire, ceea ce înseamnă că funcționează ca un procesor cu opt nuclee.

Notă: Unele procesoare specializate pot oferi mai mult de două fire de execuție per nucleu de procesor. Cu toate acestea, toate astfel de produse sunt exclusive piețelor HPC ( High-Performance Computing ) și supercomputing. Miezurile CPU pentru desktop pot rula fie unul, fie două fire.

Totuși, multithreadingul nu este o duplicare absolută a puterii CPU. Hyperthreading nu dublează performanța nucleului procesorului. Cercetările Intel sugerează că oferă o creștere a performanței de aproximativ 30%, deși aceasta poate varia foarte mult și, în cazuri rare, poate chiar scădea ușor performanța. Unele aplicații și programe funcționează mai bine decât altele. Jocurile video, de exemplu, nu beneficiază întotdeauna de mai multe nuclee, fiind adesea mai sensibile la viteza de ceas. Alte software-uri, în special editarea video și animația, rulează mai departe cu nuclee și fire suplimentare.

Desigur, este imposibil să inventezi nuclee suplimentare – astfel încât firele simulate trebuie să partajeze resursele fizice disponibile ale nucleului lor de bază. Asta poate însemna că firele de execuție au o performanță mai scăzută individual, dar poate însemna și că resursele sunt distribuite mai eficient. Ele pot fi folosite de orice fir are nevoie de ele mai mult.

Viitorul hardware-ului

Tendința în dezvoltarea nucleelor ​​CPU se îndreaptă cu siguranță către implementarea din ce în ce mai multe nuclee în procesoare. Teoretic, ar fi posibil să se construiască procesoare cu sute sau chiar mii de nuclee. Aceasta nu este încă o realitate comercială, cu procesoarele AMD Threadripper și EPYC având până la 64 de nuclee. Deocamdată, totuși, un accent mai realist este optimizarea performanței-pe-watt. Cu alte cuvinte – pentru a reduce consumul de energie al procesoarelor. Acest lucru beneficiază în primul rând laptop-urile și alte dispozitive alimentate cu baterie.

Gestionarea consumului de energie este esențială pentru creșterea semnificativă a performanței. Legea lui Moore a dublat, în general, performanța procesorului aproximativ la fiecare doi ani timp de decenii. Acest lucru, totuși, sa bazat în primul rând pe micșorarea nodului, adică cât de mici ar putea fi cele mai mici elemente din CPU.

Nodurile CPU moderne sunt atât de mici încât sunt foarte aproape de limitele fizice ale reducerilor de dimensiune. Creșterea performanței a însemnat, prin urmare, un consum mai mare de energie și o putere termică mai mare. În viitorul apropiat, procesoarele supercomputerelor pot produce atât de multă căldură într-un spațiu atât de mic încât este imposibil să le răcești cu aer, necesitând răcire cu lichid.

Desigur, există întotdeauna noi tipuri de procesoare în curs de dezvoltare. Cele mai mari două mărci de aici, Intel și AMD, fiecare se mândrește cu diferite tipuri de design CPU. Acest lucru merge atât de departe încât procesoarele lor respective sunt mai potrivite pentru unele utilizări decât pentru altele. Desigur, procesoarele nou proiectate oferă noi cazuri de utilizare și specialități pe lângă cele existente.

Arhitectura CPU este un subiect complex. Pe măsură ce atât tehnologiile disponibile, cât și cererea pentru performanțe mai mari crește, la fel crește puterea pe care o oferă procesoarele și varietatea de configurații disponibile. La fel ca piața GPU-urilor, piața procesoarelor dă semne de schimbare către acceleratoare hardware specifice. Acest lucru poate permite mai multă performanță și o eficiență mai mare la anumite sarcini, dar crește complexitatea.

Concluzie

Un nucleu CPU este una sau mai multe părți specifice ale unei matrițe CPU care efectuează procesarea efectivă. Acestea vor fi de obicei servite și înconjurate de registre și cache. Marea majoritate a procesoarelor moderne oferă mai multe nuclee pe o singură matriță CPU. Miezurile CPU pot fi identice sau optimizate pentru diferite etape ale curbei de performanță/eficiență.

Miezurile CPU sunt de obicei de uz general, capabile să efectueze orice procesare ar putea avea nevoie CPU. O unitate de procesare fără scop general pe o matriță CPU poate fi numită un accelerator sau un nucleu de procesare X. X este înlocuit cu un scop specific, cum ar fi nuclee de procesare neuronală și acceleratoare neuronale pentru procesarea AI.