Многоядерные процессоры: принципы работы. Что такое центральный процессор

Современная компьютерная индустрия не стоит на месте. Уже практически каждый компьютер укомплектован многоядерными процессорами. Но ведь еще не каждый знает, в чем отличие их от одноядерных аналогов, которые остаются в прошлом. Иногда при покупке человек стремится купить новинку, при этом он не осознает ее значимость и тратит деньги на вещь, которая ему не принесет существенной пользы.
Чтобы понять необходимость покупки процессора с одним или двумя ядрами необходимо осознавать разницу двух вариантов, в каких случаях каждый из них лучше.

Особенности строения одноядерных процессоров

Всем известно, что мощность и скорость работы всего персонального компьютера в первую очередь зависит именно от центрального процессора. Поэтому, чем частота работы процессора выше, тем быстрее происходит выполнение команд пользователя. Операции над данными производит именно ядро в процессоре.

При высокой частоте скорость выполнения одной команды существенная, поэтому пользователю даже при одноядерном процессоре кажется, что программы выполняются параллельно. В действительности все программы встают в очередь, которая движется с очень высокой скоростью.

Особенностью одноядерных процессоров по архитектуре можно считать:

• Структуру с полным разделением команд и данных.
• Скалярная архитектура, которая позволяет выполнять параллельно несколько команд в различных устройствах.
• Изменение последовательности команд динамического типа, когда работает принцип опережения.
• Использование команд происходит по типу конвейера.
• Направление ветвей выполнения предсказуемо.

Хочется отметить, несмотря на то, что все больше появляется двухъядерных процессоров, одноядерные варианты постоянно дорабатываются и усовершенствуются. Поэтому некоторые модели процессоров с одним ядром по своей производительности не всегда уступают двухъядерному последователю.

Особенности работы двухъядерных процессоров

Если, в общем, рассказывать о работе процессора с двумя ядрами в сравнении с одноядерным собратом, то можно пояснить все простым примером. Например, пользователь копирует файлы, а при этом решил посмотреть фильм. Ему кажется, что обе операции проводятся одновременно, но при работе одноядерного процессора эти действия идут последовательно, так как частота выполнения команд очень высокая, то и создается такое ощущение. Но при наличии двухъядерного процесса эти операции действительно выполняются одновременно.

Стоит отметить, что по своей архитектуре двухъядерный процессор схож со строением симметричных мультипроцессоров, когда на одной плате используется два процессора. Существуют, конечно, определенные отличия, но принцип работы схож.

Наиболее эффективно двухъядерные процессоры показывают себя при работе с многопоточными приложениями, именно здесь получается наивысшая производительность. Так как многочисленные задачи распределяются между двумя ядрами для выполнения. Такое распределение позволяет снизить потребление электроэнергии. Ведь именно этот фактор тормозит развитие одноядерных процессоров.

В чем отличия двухъядерного процессора

При изучении архитектуры строения как одноядерных, так и двухъядерных процессоров можно выделить большой список различий:

• Если не запускать сложных многопоточных приложений или несколько одновременно, то различия в работе процессора с одним ядром или двумя, будут не так ощутимы и заметны.
• В процессоре с двумя ядрами присутствует также разделенная кэш память.
• При наличии двухъядерного процессора существует ощутимый плюс, так как при отказе одного ядра, второе ядро будет забирать всю нагрузку только на себя.
• Двухъядерный процессор имеет большую кэш память и частоту.

Стоит заметить, что не всегда двухъядерный процессор в домашних условиях может показать себя в полном объеме, так как многие созданные приложения не адаптированы к такому центральному процессору. Следует заметить, что из-за наличия двух ядер процессор имеет 64-битную структуру. А многие современные программы рассчитаны на 32-битную структуру, и повышения скорости работы от них не стоит ожидать.

Преимущества использования двухъядерных процессоров

Зная особенности структуры и существенные отличия процессоров с одним и двумя ядрами можно выделить основные преимущества использования двухъядерных процессоров:

1. Быстрая работа браузера при загрузке и отображении.
2. Высокая производительность в игровых приложениях.
3. При работе в многозначном режиме увеличивается скорость работы нескольких потоков.
4. Высокое быстродействие и плавность работы.
5. Снижение энергопотребления при увеличении производительности.

В заключение можно сделать вывод, что процессор с одним ядром или двумя имеет существенные различия, как в результате работы, так и в своей архитектуре.

Конечно, понятно, что процессор с двумя ядрами и более будет более производительным. Для домашнего пользования в принципе не критически приобретать компьютер и с одним процессором. Но если есть финансовые возможности приобрести компьютер, в конфигурации которого два процессора, то стоит покупать. Ведь информационный мир не стоит на месте. Программы дорабатываются, техника усовершенствуется. С каждым днем все большее число программных продуктов ориентировано на работу с 64-битными системами.

Но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.

Ещё буквально 6-7 лет назад, о многоядерности процессоров практически не было слышно. Нет, многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее, но появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров , состоялось лишь в 2005 году, и назывался данный процессор Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерник Opteron от AMD, но для серверных систем.

В данной статье, мы не будем подробно вникать в исторические факты, а будем обсуждать современные многоядерные процессоры как одну из характеристик CPU. А главное – нам нужно разобраться с тем, что же даёт эта многоядерность в плане производительности для процессора и для нас с вами.

Увеличение производительности за счёт многоядерности

Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный у вас в системе, имеет несколько потоков.

Сразу оговорюсь, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).

Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (мы всё очень упростили, дабы понять общую концепцию).

И рассмотрим, что же будет в двух разных случаях:

а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант.

б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.

Нужны ли многоядерные процессоры? Повседневная резонность

При выборе процессора для компьютера (а именно при размышлении о количестве ядер), следует определить основные виды задач, которые он будет выполнять.

Для улучшения знаний в сфере компьютерного железа, можете ознакомится с материалом про сокеты процессоров .

Точкой старта можно назвать двухъядерные процессоры, так как нет смысла возвращаться к одноядерным решениям. Но и двухъядерные процессоры бывают разные. Это может быть не «самый» свежий Celeron, а может быть Core i3 на Ivy Bridge, точно так же и у АМД – Sempron или Phenom II. Естественно, за счёт других показателей производительность у них будет очень отличаться, поэтому нужно смотреть на всё комплексно и сопоставлять многоядерность с другими характеристиками процессоров .

К примеру, у Core i3 на Ivy Bridge, в наличии имеется технология Hyper-Treading, что позволяет обрабатывать 4 потока одновременно (операционная система видит 4 логических ядра, вместо 2-ух физических). А тот же Celeron таким не похвастается.

Но вернемся непосредственно к размышлениям относительно требуемых задач. Если компьютер необходим для офисной работы и серфинга в интернете, то ему с головой хватит двухъядерного процессора.

Когда речь заходит об игровой производительности, то здесь, чтобы комфортно чувствовать себя в большинстве игр необходимо 4 ядра и более. Но тут всплывает та самая загвоздочка: далеко не все игры обладают оптимизированным кодом под 4-ех ядерные процессоры, а если и оптимизированы, то не так эффективно, как бы этого хотелось. Но, в принципе, для игр сейчас оптимальным решением является именно 4-ых ядерный процессор.

На сегодняшний день, те же 8-ми ядерные процессоры AMD , для игр избыточны, избыточно именно количество ядер, а вот производительность не дотягивает, но у них есть другие преимущества. Эти самые 8 ядер, очень сильно помогут в задачах, где необходима мощная работа с качественной многопоточной нагрузкой. К таковой можно отнести, например рендеринг (просчёт) видео, или же серверные вычисления. Поэтому для таких задач необходимы 6, 8 и более ядер. Да и в скором времени игры смогут качественно грузить 8 и больше ядер, так что в перспективе, всё очень радужно.

Не стоит забывать о том, что остается масса задач, создающих однопоточную нагрузку. И стоит задать себе вопрос: нужен мне этот 8-ми ядерник или нет?

Подводя небольшие итоги, еще раз отмечу, что преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла (

Первые компьютерные процессоры с несколькими ядрами появились на потребительском рынке ещё в середине двухтысячных, но множество пользователей до сих пор не совсем понимает — что это такое, многоядерные процессоры, и как разобраться в их характеристиках.

Видео-формат статьи «Вся правда о многоядерных процессорах»

Простое объяснение вопроса «что такое процессор»

Микропроцессор — одно из главных устройств в компьютере. Это сухое официальное название чаще сокращают до просто «процессор») . Процессор — микросхема, по площади сравнимая со спичечным коробком . Если угодно, процессор — это как мотор в автомобиле. Важнейшая часть, но совсем не единственная. Есть у машины ещё и колёса, и кузов, и проигрыватель с фарами. Но именно процессор (как и мотор автомобиля) определяет мощность «машины».

Многие называют процессором системный блок — «ящик», внутри которого находятся все компоненты ПК, но это в корне неверно. Системный блок — это корпус компьютера вместе со всеми составляющими частями — жёстким диском, оперативной памятью и многими другими деталями.

Функция процессора — вычисления . Не столь важно, какие именно. Дело в том, что вся работа компьютера завязана исключительно на арифметических вычислениях. Сложение, умножение, вычитание и прочая алгебра — этим всем занимается микросхема под названием «процессор». А результаты таких вычислений выводятся на экран в виде игры, вордовского файла или просто рабочего стола.

Главная часть компьютера, которая занимается вычислениями — вот, что такое процессор .

Что такое процессорное ядро и многоядерность

Испокон процессорных «веков» эти микросхемы были одноядерными. Ядро — это, фактически, сам процессор. Его основная и главная часть. Есть у процессоров и другие части — скажем, «ножки»-контакты, микроскопическая «электропроводка» — но именно тот блок, который отвечает за вычисления, называется ядром процессора . Когда процессоры стали совсем небольшими, то инженеры решили совместить внутри одного процессорного «корпуса» сразу несколько ядер.

Если представить процессор в виде квартиры, то ядро — это крупная комната в такой квартире. Однокомнатная квартира — это одно процессорное ядро (крупная комната-зал), кухня, санузел, коридор… Двухкомнатная квартира — это уже как два процессорных ядра вместе с прочими комнатами. Бывают и трёх-, и четырёх, и даже 12-комнатные квартиры. Также и в случае с процессорами: внутри одного кристалла-«квартиры» может быть несколько ядер-«комнат».

Многоядерность — это разделение одного процессора на несколько одинаковых функциональных блоков. Количество блоков — это число ядер внутри одного процессора.

Разновидности многоядерных процессоров

Бытует заблуждение: «чем больше ядер у процессора — тем лучше». Именно так стараются представить дело маркетологи, которым платят за создание такого рода заблуждений. Их задача — продавать дешёвые процессоры, притом — подороже и в огромных количествах. Но на самом деле количество ядер — далеко не главная характеристика процессоров.

Вернёмся к аналогии процессоров и квартир. Двухкомнатная квартира дороже, удобнее и престижнее однокомнатной. Но только если эти квартиры находятся в одном районе, оборудованы одинаково, да и ремонт у них схожий. Существуют слабенькие четырёхядерные (а то и 6-ядерные) процессоры, которые значительно слабее двухядерных. Но поверить в это сложно: ещё бы, магия крупных чисел 4 или 6 против «какой-то» двойки. Однако именно так и бывает весьма и весьма часто. Вроде как та же четырёхкомнатная квартира, но в убитом состоянии, без ремонта, в совершенно отдалённом районе — да ещё и по цене шикарной «двушки» в самом центре.

Сколько бывает ядер внутри процессора?

Для персональных компьютеров и ноутбуков одноядерные процессоры толком не выпускаются уже несколько лет, а встретить их в продаже — большая редкость. Число ядер начинается с двух. Четыре ядра — как правило, это более дорогие процессоры, но отдача от них присутствует. Существуют также 6-ядерные процессоры, невероятно дорогие и гораздо менее полезные в практическом плане. Мало какие задачи способны получить прирост производительности на этих монструозных кристаллах.

Был эксперимент компании AMD создавать и 3-ядерные процессоры, но это уже в прошлом. Получилось весьма неплохо, однако их время прошло.

Кстати, компания AMD также производит многоядерные процессоры, но, как правило, они ощутимо слабее конкурентов от Intel. Правда, и цена у них значительно ниже. Просто следует знать, что 4 ядра от AMD почти всегда окажутся заметно слабее, чем те же 4 ядра производства Intel.

Теперь вы знаете, что у процессоров бывает 1, 2, 3, 4, 6 и 12 ядер. Одноядерные и 12-ядерные процессоры — большая редкость. Трёхядерные процессоры — дело прошлого. Шестиядерные процессоры либо очень дороги (Intel), либо не такие уж сильные (AMD), чтобы переплачивать за число. 2 и 4 ядра — самые распространённые и практичные устройства, от самых слабых до весьма мощных.

Частота многоядерных процессоров

Одна из характеристик компьютерных процессоров — их частота. Те самые мегагерцы (а чаще — гигагерцы). Частота — важная характеристика, но далеко не единственная . Да, пожалуй, ещё и не самая главная. К примеру, двухядерный процессор с частотой 2 гигагерца — более мощное предложение, чем его одноядерный собрат с частотой 3 гигагерца.

Совсем неверно считать, что частота процессора равна частоте его ядер, умноженной на количество ядер. Если проще, то у 2-ядерного процессора с частотой ядра 2 ГГц общая частота ни в коем случае не равна 4 гигагерцам! Даже понятия «общая частота» не существует. В данном случае, частота процессора равна именно 2 ГГц. Никаких умножений, сложений или других операций.

И вновь «превратим» процессоры в квартиры. Если высота потолков в каждой комнате — 3 метра, то общая высота квартиры останется такой же — всё те же три метра, и ни сантиметром выше. Сколько бы комнат не было в такой квартире, высота этих комнат не изменяется. Так же и тактовая частота процессорных ядер . Она не складывается и не умножается.

Виртуальная многоядерность, или Hyper-Threading

Существуют ещё и виртуальные процессорные ядра . Технология Hyper-Threading в процессорах производства Intel заставляет компьютер «думать», что внутри двухядерного процессора на самом деле 4 ядра. Очень похоже на то, как один-единственный жёсткий диск делится на несколько логических — локальные диски C, D, E и так далее.

Hyper- Threading — весьма полезная в ряде задач технология . Иногда бывает так, что ядро процессора задействовано лишь наполовину, а остальные транзисторы в его составе маются без дела. Инженеры придумали способ заставить работать и этих «бездельников», разделив каждое физическое процессорное ядро на две «виртуальные» части. Как если бы достаточно крупную комнату разделили перегородкой на две.

Имеет ли практический смысл такая уловка с виртуальными ядрами ? Чаще всего — да, хотя всё зависит от конкретных задач. Вроде, и комнат стало больше (а главное — они используются рациональнее), но площадь помещения не изменилась. В офисах такие перегородки невероятно полезны, в некоторых жилых квартирах — тоже. В других случаях в перегораживании помещения (разделении ядра процессора на два виртуальных) смысла нет вообще.

Отметим, что наиболее дорогие и производительные процессоры класса Core i7 в обязательном порядке оснащены Hyper- Threading . В них 4 физических ядра и 8 виртуальных. Получается, что одновременно на одном процессоре работают 8 вычислительных потоков. Менее дорогие, но также мощные процессоры Intel класса Core i5 состоят из четырёх ядер, но Hyper Threading там не работает. Получается, что Core i5 работают с 4 потоками вычислений.

Процессоры Core i3 — типичные «середнячки», как по цене, так и по производительности. У них два ядра и никакого намёка на Hyper-Threading. Итого получается, что у Core i3 всего два вычислительных потока. Это же относится и к откровенно бюджетным кристаллам Pentium и Celeron . Два ядра, «гипе-трединг» отсутствует = два потока.

Нужно ли компьютеру много ядер? Сколько ядер нужно в процессоре?

Все современные процессоры достаточно производительны для обычных задач . Просмотр интернета, переписка в соцсетях и по электронной почте, офисные задачи Word-PowerPoint-Excel: для этой работы подойдут и слабенькие Atom, бюджетные Celeron и Pentium, не говоря уже о более мощных Core i3. Двух ядер для обычной работы более чем достаточно. Процессор с большим количеством ядер не принесёт значительного прироста в скорости.

Для игр следует обратить внимание на процессоры Core i3 или i5 . Скорее, производительность в играх будет зависеть не от процессора, а от видеокарты. Редко в какой игре потребуется вся мощь Core i7. Поэтому считается, что игры требуют не более четырёх процессорных ядер, а чаще подойдут и два ядра.

Для серьёзной работы вроде специальных инженерных программ, кодирования видео и прочих ресурсоёмких задач требуется действительно производительная техника . Часто здесь задействуются не только физические, но и виртуальные процессорные ядра. Чем больше вычислительных потоков, тем лучше. И не важно, сколько стоит такой процессор: профессионалам цена не столь важна.

Есть ли польза от многоядерных процессоров?

Безусловно, да. Одновременно компьютер занимается несколькими задачами — хотя бы работа Windows (кстати, это сотни разных задач) и, в тот же момент, проигрывание фильма. Проигрывание музыки и просмотр интернета. Работа текстового редактора и включённая музыка. Два процессорных ядра — а это, по сути, два процессора, справятся с разными задачами быстрее одного. Два ядра сделают это несколько быстрее. Четыре — ещё быстрее, чем два.

В первые годы существования технологии многоядерности далеко не все программы умели работать даже с двумя ядрами процессора. К 2014 году подавляющее большинство приложений отлично понимают и умеют пользоваться преимуществами нескольких ядер. Скорость обработки задач на двухядерном процессоре редко увеличивается в два раза, но прирост производительности есть почти всегда.

Поэтому укоренившийся миф о том, что, якобы, программы не могут использовать несколько ядер — устаревшая информация. Когда-то действительно было так, сегодня ситуация улучшилась кардинально. Преимущества от нескольких ядер неоспоримы, это факт.

Когда меньше ядер у процессора — лучше

Не следует покупать процессор по неверной формуле «чем больше ядер — тем лучше». Это не так. Во-первых, 4, 6 и 8-ядерные процессоры ощутимо дороже своих двухядерных собратьев. Значительная прибавка в цене далеко не всегда оправдана с точки зрения в производительности. К примеру, если 8-ядерник окажется лишь на 10% быстрее CPU с меньшим количеством ядер, но будет в 2 раза дороже, то такую покупку сложно оправдать.

Во-вторых, чем больше ядер у процессора, тем он «прожорливее» с точки зрения энергопотребления. Нет никакого смысла покупать гораздо более дорогой ноутбук с 4-ядерным (8-поточным) Core i7, если на этом ноутбуке будут обрабатываться лишь текстовые файлы, просматриваться интернет и так далее. Никакой разницы с двухядерником (4 потока) Core i5 не будет, да и классический Core i3 лишь с двумя вычислительными потоками не уступит более именитому «коллеге». А от батарейки такой мощный ноутбук проработает гораздо меньше, чем экономичный и нетребовательный Core i3.

Многоядерные процессоры в мобильных телефонах и планшетах

Мода на несколько вычислительных ядер внутри одного процессора касается и мобильных аппаратов. Смартфоны вместе с планшетами с большим количеством ядер почти никогда не используют все возможности своих микропроцессоров. Двухядерные мобильные компьютеры иногда действительно работают чуть быстрее, но 4, а тем более 8 ядер — откровеннейший перебор. Аккумулятор расходуется совершенно безбожно, а мощные вычислительные устройства попросту простаивают без дела. Вывод — многоядерные процессоры в телефонах, смартфонах и планшетах — лишь дань маркетингу, а не насущная необходимость. Компьютеры — более требовательные устройства, чем телефоны. Два процессорных ядра им действительно нужны. Четыре — не помешают. 6 и 8 — излишество в обычных задачах и даже в играх.

Как выбрать многоядерный процессор и не ошибиться?

Практическая часть сегодняшней статьи актуальна на 2014 год. Вряд ли в ближайшие годы что-то серьёзно поменяется. Речь пойдёт только о процессорах производства Intel. Да, AMD предлагает неплохие решения, но они менее популярны, да и разобраться в них сложнее.

Заметим, что таблица основана на процессорах образца 2012-2014 годов. Более старые образцы имеют другие характеристики. Также мы не стали упоминать редкие варианты CPU, например — одноядерный Celeron (бывают и такие даже сегодня, но это нетипичный вариант, который почти не представлен на рынке). Не следует выбирать процессоры исключительно по количеству ядер внутри них — есть и другие, более важные характеристики. Таблица лишь облегчит выбор многоядерного процессора, но конкретную модель (а их десятки в каждом классе) следует покупать только после тщательного ознакомления с их параметрами: частотой, тепловыделением, поколением, размером кэша и другими характеристиками.

Краткий итог статьи «Вся правда о многоядерных процессорах». Вместо конспекта

• Ядро процессора — его составная часть. Фактически, самостоятельный процессор внутри корпуса. Двухядерный процессор — два процессора внутри одного.
• Многоядерность сравнима с количеством комнат внутри квартиры. Двухкомнатные лучше однокомнатных, но лишь при прочих равных характеристиках (расположение квартиры, состояние, площадь, высота потолков).
• Утверждение о том, что чем больше ядер у процессора, тем он лучше — маркетинговая уловка, совершенно неверное правило. Квартиру ведь выбирают далеко не только по количеству комнат, но и по её расположению, ремонту и другим параметрам. Это же касается и нескольких ядер внутри процессора.
• Существует «виртуальная» многоядерность — технология Hyper-Threading. Благодаря этой технологии, каждое «физическое» ядро разделяется на два «виртуальных». Получается, что у 2-ядерного процессора с Hyper-Threading лишь два настоящих ядра, но эти процессоры одновременно обрабатывают 4 вычислительных потока. Это действительно полезная «фишка», но 4-поточный процессор нельзя считать четырёхядерным.
• Для настольных процессоров Intel: Celeron — 2 ядра и 2 потока. Pentium — 2 ядра, 2 потока. Core i3 — 2 ядра, 4 потока. Core i5 — 4 ядра, 4 потока. Core i7 — 4 ядра, 8 потоков. Ноутбучные (мобильные) CPU Intel имеют иное количество ядер/потоков.
• Для мобильных компьютеров часто важнее экономичность в энергопотреблении (на практике — время работы от батареи), чем количество ядер.

…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше.

(Разработчики Intel )

Ещё core , да ещё core , да ещё много, много core !..

…Ещё совсем недавно мы не слышали и не ведали о многоядерных процессорах, а сегодня они агрессивно вытесняют одноядерные. Начался бум многоядерных процессоров, который пока – слегка! – сдерживают их сравнительно высокие цены. Но никто уже не сомневается, что будущее – именно за многоядерными процессорами!..

Что такое ядро процессора

В центре современного центрального микропроцессора (CPU – сокр. от англ. central processing unit – центральное вычислительное устройство) находится ядро (core ) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture ).

Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package ) по технологии «флип-чип» (flip-chip , flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название, потому что обращённая наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps ).

Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.

Первый (естественно, одноядерный!) микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 г. корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил $300.

Требования к вычислительной мощности центрального микропроцессора постоянно росли и продолжают расти. Но если раньше производителям процессоров приходилось постоянно подстраиваться под текущие насущные (вечно растущие!) запросы пользователей , то теперь чипмейкеры идут с бо-о-о-льшим опережением!

Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: сегодня процессоры выпускаются по 45-нм технологии, а размеры атома кремния – приблизительно 0,543 нм):

Во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением тактовой частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и увеличению выброса тепла;

Во-вторых, преимущества более высокой тактовой частоты частично сводятся на нет из-за задержек при обращении к памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам;

В-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с возрастанием тактовой частоты из-за так называемого «фон-неймановского узкого места» – ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений. При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты.

Применение многопроцессорных систем также не получило широкого распространения, так как требует сложных и дорогостоящих многопроцессорных материнских плат. Поэтому было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности , зародившаяся в мире суперкомпьютеров, – это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд.

Так в недрах компании Intel родилась Hyper-Threading Technology (HTT ) – технология сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одноядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно. Hyper-threading значительно повышает эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с аудио- и видеоредактированием, 3D -моделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме.

Процессор Pentium 4 с включенным Hyper-threading имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических , поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного).

Hyper-threading фактически стала трамплином к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле. В 2-ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают бо льшую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций.

Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков (TLP – thread-level parallelism ). Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации (в некоторых случаях она просто бесполезна!).

Основные проблемы создания процессоров

Каждое ядро процессора должно быть независимым, – с независимым энергопотреблением и управляемой мощностью;

Рынок программного обеспечения должен быть обеспечен программами, способными эффективно разбивать алгоритм ветвления команд на четное (для процессоров с четным количеством ядер) или на нечётное (для процессоров с нечётным количеством ядер) количество потоков;

…

По сообщению пресс-службы AMD , на сегодня рынок 4-ядерных процессоров составляет не более 2% от общего объема. Очевидно, что для современного покупателя приобретение 4-ядерного процессора для домашних нужд пока почти не имеет смысла по многим причинам. Во-первых, на сегодня практически нет программ, способных эффективно использовать преимущества 4-х одновременно работающих потоков; во-вторых, производители позиционируют 4-ядерные процессоры, как Hi-End -решения, добавляя к оснастке самые современные видеокарты и объемные жесткие диски, – а это в конечном счете ещё больше увеличивает стоимость и без того недешёвых …

Разработчики Intel говорят: «…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше…».

Что ждёт нас в будущем

В корпорации Intel уже говорят не о «Мультиядерности» (Multi-Core ) процессоров, как это делается в отношении 2-, 4-, 8-, 16- или даже 32-ядерных решений, а о «Многоядерности» (Many-Core ), подразумевая совершенно новую архитектурную макроструктуру чипа, сравнимую (но не схожую) с архитектурой процессора Cell .

Структура такого Many-Core -чипа подразумевает работу с тем же набором инструкций, но с помощью мощного центрального ядра или нескольких мощных CPU , «окруженных» множеством вспомогательных ядер, что поможет более эффективно обрабатывать сложные мультимедийные приложения в многопоточном режиме. Кроме ядер «общего назначения», процессоры Intel будут обладать также специализированными ядрами для выполнения различных классов задач – таких, как графика, алгоритмы распознавания речи, обработка коммуникационных протоколов.

Именно такую архитектуру представил Джастин Раттнер (Justin R. Rattner ), руководитель сектора Corporate Technology Group Intel , на пресс-конференции в Токио. По его словам, таких вспомогательных ядер в новом многоядерном процессоре может насчитываться несколько дюжин. В отличие от ориентации на большие, энергоемкие вычислительные ядра с большой теплоотдачей, многоядерные кристаллы Intel будут активизировать только те ядра, которые необходимы для выполнения текущей задачи, тогда как остальные ядра будут отключены. Это позволит кристаллу потреблять ровно столько электроэнергии, сколько нужно в данный момент времени.

В июле 2008 г. корпорация Intel сообщила, что рассматривает возможность интеграции в один процессор нескольких десятков и даже тысяч вычислительных ядер. Ведущий инженер компании Энвар Галум (Anwar Ghuloum ) написал в своем блоге: «В конечном счете, я рекомендую воспользоваться следующим моим советом… разработчики уже сейчас должны начать думать о десятках, сотнях и тысячах ядер». По его словам, в настоящий момент Intel изучает технологии, которые смогли бы масштабировать вычисления «на то количество ядер, которые мы пока не продаём».

По мнению Галума, в конечном счете успех многоядерных систем будет зависеть от разработчиков, которым, вероятно, придется изменить языки программирования и переписать все существующие библиотеки.