Cum sunt create nucleele în procesoare. Un singur nucleu sau dual core

Când cumpărați un laptop nou sau construiți un computer, procesorul este cea mai importantă decizie. Dar există mult jargon, mai ales în ceea ce privește sâmburii. Ce procesor să alegeți: dual-core, quad-core, șase nuclee sau opt nuclee. Citiți articolul pentru a înțelege ce înseamnă asta cu adevărat.

Dual core sau quad core, cât se poate de simplu

Să rămânem simplu. Iată tot ce trebuie să știi:

• Există un singur cip de procesor. Acest cip poate avea unul, două, patru, șase sau opt nuclee.
• În prezent, un procesor cu 18 nuclee este cel mai bun pe care îl puteți obține pe computerele de consum.
• Fiecare „nucleu” este partea cipului care face procesarea. În esență, fiecare nucleu este o unitate centrală de procesare (CPU).

Viteză

Acum, logica simplă dictează că mai multe nuclee vă vor face procesorul mai rapid în general. Dar nu este întotdeauna cazul. E puțin mai complicat.

Mai multe nuclee oferă mai multă viteză dacă un program își poate împărți sarcinile între nuclee. Nu toate programele sunt concepute pentru a împărți sarcinile între nuclee. Mai multe despre asta mai târziu.

Viteza de ceas a fiecărui nucleu este, de asemenea, un factor decisiv în viteză, la fel ca și arhitectura. Un procesor dual-core mai nou, cu o viteză de ceas mai mare, va depăși adesea un procesor cu patru nuclee mai vechi cu o viteză de ceas mai mică.

Consumul de energie

Mai multe nuclee au ca rezultat, de asemenea, un consum mai mare de energie al procesorului. Când procesorul este pornit, furnizează energie tuturor nucleelor, nu doar celor implicate.

Producătorii de cipuri încearcă să reducă consumul de energie și să facă procesoarele mai eficiente din punct de vedere energetic. Dar, regula generală este că un procesor quad-core va consuma mai multă putere de la laptop decât un procesor dual-core (și, prin urmare, va consuma bateria mai repede).

Degajare de căldură

Fiecare nucleu afectează căldura generată de procesor. Din nou, ca regulă generală, mai multe miezuri duc la temperaturi mai ridicate.

Din cauza acestei călduri suplimentare, producătorii trebuie să adauge radiatoare mai bune sau alte soluții de răcire.

Preț

Mai multe nuclee nu sunt întotdeauna un preț mai mare. După cum am spus mai devreme, intră în joc viteza ceasului, versiunile arhitecturale și alte considerații.

Dar dacă toți ceilalți factori sunt egali, atunci mai multe nuclee vor aduce un preț mai mare.

Totul despre software

Iată un mic secret pe care producătorii de procesoare nu vor să-l știi. Nu este vorba despre câte nuclee folosiți, ci despre ce software rulați pe ele.

Programele trebuie să fie concepute special pentru a profita de mai multe procesoare. Acest tip de „software multithreading” nu este atât de comun pe cât ați putea crede.

Este important să rețineți că, chiar dacă este un program cu mai multe fire, este important și pentru ce este folosit. De exemplu, browserul web Google Chrome acceptă mai multe procese, precum și software-ul de editare video Adobe Premier Pro.

Adobe Premier Pro oferă diferite motoare pentru a lucra la diferite aspecte ale editării dvs. Având în vedere numeroasele straturi implicate în editarea video, acest lucru are sens, deoarece fiecare nucleu poate lucra la o sarcină diferită.

De asemenea, Google Chrome oferă diferite nuclee pentru a rula pe diferite file. Dar aici constă problema. Odată ce deschideți o pagină web într-o filă, aceasta este de obicei statică după aceea. Nu este necesară nicio prelucrare ulterioară; restul muncii este de a stoca pagina în RAM. Aceasta înseamnă că, deși nucleul poate fi folosit pentru a aranja fundalul, nu este necesar.

Acest exemplu Google Chrome oferă o ilustrare a modului în care chiar și software-ul cu mai multe fire nu vă oferă o creștere reală a performanței.

Două nuclee nu dublează viteza

Deci, să presupunem că aveți software-ul potrivit și că toate celelalte componente hardware sunt la fel. Va fi un procesor quad core de două ori mai rapid decât un procesor dual core? Nu.

Creșterea nucleelor ​​nu abordează problema de scalare a software-ului. Scalare la nuclee este capacitatea teoretică a oricărui software de a atribui sarcinile potrivite nucleelor ​​potrivite, astfel încât fiecare nucleu să calculeze la viteza sa optimă. Nu asta se întâmplă cu adevărat.

În realitate, sarcinile sunt împărțite secvenţial (cum o fac majoritatea programelor multithreaded) sau aleatoriu. De exemplu, să presupunem că trebuie să finalizați trei sarcini pentru a finaliza o activitate și aveți cinci astfel de activități. Software-ul îi spune nucleului 1 să rezolve problema 1, în timp ce nucleul 2 o rezolvă pe a doua, nucleul 3 o rezolvă pe a treia; Între timp, miezul 4 este inactiv.

Dacă a treia sarcină este cea mai grea și mai lungă, atunci ar fi logic ca software-ul să împartă a treia sarcină între nucleele 3 și 4. Dar nu asta face. În schimb, deși nucleele 1 și 2 vor finaliza sarcina mai repede, acțiunea va trebui să aștepte ca nucleul 3 să se termine și apoi să calculeze rezultatele nucleelor ​​1, 2 și 3 împreună.

Acesta este un mod obișnuit de a spune că software-ul, la fel ca și astăzi, nu este optimizat pentru a profita din plin de mai multe nuclee. Și dublarea nucleelor ​​nu echivalează cu dublarea vitezei.

Unde vor ajuta cu adevărat mai multe nuclee?

Acum că știți ce fac nucleele și limitările lor de performanță, ar trebui să vă întrebați: „Am nevoie de mai multe nuclee?” Ei bine, depinde ce ai de gând să faci cu ele.

Dacă jucați des jocuri pe computer, atunci mai multe nuclee pe computer vă vor fi, fără îndoială, utile. Marea majoritate a noilor jocuri populare de la studiourile importante acceptă arhitectura multi-threaded. Jocurile video depind încă în mare măsură de tipul de placă grafică pe care o ai, dar un procesor multi-core ajută și el.

Orice profesionist care lucrează cu programe video sau audio va beneficia de mai multe nuclee. Cele mai populare instrumente de editare audio și video utilizează procesarea cu mai multe fire.

Photoshop și design

Dacă sunteți designer, atunci vitezele de ceas mai mari și mai multă memorie cache a procesorului vor crește viteza mai bine decât mai multe nuclee. Chiar și cel mai popular software de design, Adobe Photoshop, acceptă în mare măsură procese cu un singur thread sau ușor threaded. Multe nuclee nu vor fi un stimulent semnificativ pentru acest lucru.

Navigare web mai rapidă

După cum am spus deja, a avea mai multe nuclee nu înseamnă o navigare mai rapidă pe web. În timp ce toate browserele moderne acceptă arhitectura cu mai multe procese, nucleele vă vor ajuta doar dacă filele dvs. de fundal sunt site-uri care necesită multă putere de procesare.

Sarcini de birou

Toate aplicațiile Office de bază sunt cu un singur thread, astfel încât un procesor quad-core nu va adăuga viteză.

Ai nevoie de mai multe nuclee?

În general, un procesor quad-core va funcționa mai rapid decât un procesor dual-core pentru calcularea generală. Fiecare program pe care îl deschideți va rula pe propriul nucleu, așa că dacă sarcinile sunt separate, vitezele vor fi mai bune. Dacă utilizați mai multe programe în același timp, comutați adesea între ele și le atribuiți propriile sarcini, alegeți un procesor cu un număr mare de nuclee.

Doar știi asta: Performanța generală a sistemului este un domeniu în care există prea mulți factori. Nu vă așteptați la o creștere magică a performanței prin înlocuirea unei singure componente, chiar și a procesorului.

Procesor într-un telefon mobil. Caracteristicile și semnificația lor

Industria smartphone-urilor progresează în fiecare zi și, ca urmare, utilizatorii devin gadget-uri mai noi, mai moderne și mai puternice. Toți producătorii de smartphone-uri se străduiesc să facă creația lor specială și de neînlocuit. Prin urmare, astăzi se acordă multă atenție dezvoltării și producției de procesoare pentru smartphone-uri.

Cu siguranță, mulți fani ai „telefoanelor inteligente” și-au pus de mai multe ori întrebarea, ce este un procesor și care sunt principalele sale funcții? Și, de asemenea, desigur, cumpărătorii sunt interesați de ceea ce înseamnă toate aceste numere și litere din numele cipului.
Vă sugerăm să vă familiarizați puțin cu conceptul "procesor pentru smartphone".

Procesor într-un smartphone- aceasta este cea mai complexă parte și este responsabilă pentru toate calculele efectuate de dispozitiv. De fapt, este greșit să spunem că un smartphone folosește un procesor, deoarece procesoarele ca atare nu sunt folosite în dispozitivele mobile. Procesorul, împreună cu alte componente, formează un SoC (System on a chip - system on a chip), ceea ce înseamnă că pe un cip există un computer cu drepturi depline cu un procesor, un accelerator grafic și alte componente.

Dacă vorbim despre procesor, atunci mai întâi trebuie să înțelegem un astfel de concept ca "Arhitectura procesorului". Telefoanele inteligente moderne folosesc procesoare bazate pe arhitectura ARM, care este dezvoltată de compania cu același nume ARM Limited. Putem spune că arhitectura este un anumit set de proprietăți și calități inerente unei întregi familii de procesoare. Qualcomm, Nvidia, Samsung, MediaTek, Apple și alte companii de procesoare licențiază tehnologia de la ARM și apoi vând cipurile finite producătorilor de smartphone-uri sau le folosesc pe propriile dispozitive. Producătorii de cipuri licențiază nuclee individuale, seturi de instrucțiuni și tehnologii aferente de la ARM. ARM Limited nu produce procesoare, ci vinde doar licențe pentru tehnologiile sale altor producători.

Acum să ne uităm la concepte precum nucleul și viteza de ceas, care se găsesc întotdeauna în recenzii și articole despre smartphone-uri și telefoane atunci când vorbim despre procesor.

Miez

Să începem cu întrebarea, ce este un nucleu? Miez este un element al cipului care determină performanța, consumul de energie și viteza de ceas a procesorului. Foarte des întâlnim conceptul de procesor dual-core sau quad-core. Să ne dăm seama ce înseamnă asta.

Procesor dual-core sau quad-core - care este diferența?

De foarte multe ori, cumpărătorii cred că un procesor dual-core este de două ori mai puternic decât un procesor single-core, iar un procesor quad-core este, în consecință, de patru ori mai puternic. Acum vă vom spune adevărul. S-ar părea destul de logic că trecerea de la un nucleu la doi, sau de la două la patru, crește performanța, dar de fapt este rar ca această putere să crească cu un factor de doi sau patru. Creșterea numărului de nuclee vă permite să accelerați funcționarea dispozitivului datorită redistribuirii proceselor care rulează. Dar majoritatea aplicațiilor moderne sunt cu un singur fir și, prin urmare, pot folosi doar unul sau două nuclee la un moment dat. Întrebarea apare în mod firesc, pentru ce este atunci un procesor quad-core? Multi-core este folosit în principal de jocurile avansate și aplicațiile de editare media. Aceasta înseamnă că dacă aveți nevoie de un smartphone pentru jocuri (jocuri 3D) sau pentru filmări video Full HD, atunci trebuie să achiziționați un dispozitiv cu un procesor quad-core. Dacă programul în sine nu acceptă mai multe nuclee și nu necesită resurse mari, atunci nucleele neutilizate sunt dezactivate automat pentru a economisi energia bateriei. Adesea, cel de-al cincilea nucleu însoțitor este folosit pentru cele mai nepretențioase sarcini, de exemplu, pentru a opera dispozitivul în modul de repaus sau la verificarea e-mailului.

Dacă aveți nevoie de un smartphone obișnuit pentru comunicare, navigarea pe internet, verificarea e-mailului sau pentru a fi la curent cu ultimele știri, atunci un procesor dual-core este foarte potrivit pentru dvs. Și de ce să plătești mai mult? La urma urmei, numărul de nuclee afectează direct prețul dispozitivului.

Frecvența ceasului

Următorul concept cu care trebuie să ne familiarizăm este frecvența ceasului. Frecvența ceasului este o caracteristică a procesorului, care arată câte cicluri de ceas este capabil să funcționeze procesorul pe unitatea de timp (o secundă). De exemplu, dacă caracteristicile dispozitivului indică frecvență 1,7 GHz - asta înseamnă că într-o secundă procesorul său va efectua 1.700.000.000 (1 miliard 700 milioane) de cicluri.

În funcție de operație, precum și de tipul de cip, numărul de cicluri de ceas necesare pentru ca cip să efectueze o sarcină poate varia. Cu cât frecvența ceasului este mai mare, cu atât viteza de operare este mai mare. Această diferență este vizibilă mai ales când se compară nuclee identice care funcționează la frecvențe diferite.

Uneori, producătorul limitează viteza ceasului pentru a reduce consumul de energie, deoarece cu cât viteza procesorului este mai mare, cu atât consumă mai multă energie.

Și din nou revenim la multi-core. Creșterea vitezei de ceas (MHz, GHz) poate crește generarea de căldură, ceea ce este extrem de nedorit și chiar dăunător pentru utilizatorii de smartphone-uri. Prin urmare, tehnologia multi-core este, de asemenea, folosită ca una dintre modalitățile de a crește performanța unui smartphone fără a-l face prea cald în buzunar.

Performanța crește permițând aplicațiilor să ruleze simultan pe mai multe nuclee, dar există o condiție: aplicațiile trebuie să fie de ultimă generație. Această caracteristică economisește și energia bateriei.

memoria cache a procesorului

O altă caracteristică importantă a procesorului despre care vânzătorii de smartphone-uri păstrează adesea tăcerea este memoria cache a procesorului.

Cache- Aceasta este o memorie concepută pentru stocarea temporară a datelor și care funcționează la frecvența procesorului. Cache-ul este folosit pentru a reduce timpul de acces al procesorului pentru a încetini memoria RAM. Stochează copii ale unei părți din datele RAM. Timpul de acces este redus datorită faptului că majoritatea datelor necesare procesorului ajung în cache, iar numărul de accesări la RAM este redus. Cu cât este mai mare cache-ul, cu atât mai mare parte a datelor necesare programului pe care le poate conține., cu atât mai rar va avea loc accesul la RAM și cu atât performanța generală a sistemului va fi mai mare.

Cache-ul este deosebit de relevant în sistemele moderne, unde decalajul dintre viteza procesorului și viteza RAM este destul de mare. Desigur, se pune întrebarea, de ce nu vor să menționeze această caracteristică? Totul este foarte simplu. Să dăm un exemplu. Să presupunem că există două procesoare cunoscute (condițional A și B) cu absolut același număr de nuclee și viteză de ceas, dar din anumite motive A funcționează mult mai repede decât B. Este foarte simplu de explicat: procesorul A are un cache mai mare și, prin urmare, procesorul în sine rulează mai repede.

Diferența de volum al memoriei cache este vizibilă în special între telefoanele chinezești și cele de marcă. S-ar părea că, după numerele de caracteristici, totul pare să fie la fel, dar prețul dispozitivelor diferă. Și aici cumpărătorii decid să economisească bani cu gândul „de ce să plătești mai mult dacă nu există nicio diferență?” Dar, după cum vedem, există o diferență și una foarte semnificativă, dar vânzătorii tac adesea despre asta și vând telefoane chinezești la prețuri umflate.

Cursa pentru performanțe suplimentare pe piața procesoarelor poate fi câștigată doar de acei producători care, pe baza tehnologiilor de producție actuale, pot oferi un echilibru rezonabil între viteza de ceas și numărul de nuclee de procesare. Datorită trecerii la procesele tehnice de 90 și 65 nm, a devenit posibil să se creeze procesoare cu un număr mare de nuclee. În mare măsură, acest lucru s-a datorat noilor capacități de ajustare a disipării căldurii și a dimensiunilor nucleului, motiv pentru care astăzi asistăm la apariția unui număr tot mai mare de procesoare quad-core. Dar cum rămâne cu software-ul? Cât de bine se scalează de la unul la două sau patru nuclee?

Într-o lume ideală, programele care sunt optimizate pentru multithreading permit sistemului de operare să distribuie mai multe fire de execuție între nucleele de procesare disponibile, fie că este vorba despre un singur procesor sau mai multe procesoare, un singur nucleu sau mai multe. Adăugarea de noi nuclee permite câștiguri de performanță mai mari decât orice creștere a vitezei de ceas. Acest lucru are de fapt sens: mai mulți lucrători vor finaliza aproape întotdeauna o sarcină mai repede decât mai puțini lucrători, mai rapid.

Dar are sens să echipăm procesoarele cu patru sau chiar mai multe nuclee? Există suficientă muncă pentru a încărca patru nuclee sau mai multe? Nu uitați că este foarte dificil să distribuiți munca între nuclee, astfel încât interfețele fizice precum HyperTransport (AMD) sau Front Side Bus (Intel) să nu devină un blocaj. Există o a treia opțiune: mecanismul care distribuie încărcarea între nuclee, și anume managerul de sistem de operare, poate deveni și el un blocaj.

Trecerea AMD de la single-core la dual core a fost aproape impecabilă, deoarece compania nu a crescut anvelopa termică la niveluri extreme, așa cum a făcut cu procesoarele Intel Pentium 4. Prin urmare, procesoarele Athlon 64 X2 au fost scumpe, dar destul de rezonabile, iar Pentium. Linia D 800 era renumită pentru munca sa la cald. Dar procesoarele Intel de 65 nm și, în special, linia Core 2 au schimbat imaginea. Intel a reușit să combine două procesoare Core 2 Duo într-un singur pachet, spre deosebire de AMD, rezultând un Core 2 Quad modern. AMD promite să-și lanseze propriile procesoare quad-core Phenom X4 până la sfârșitul acestui an.

În articolul nostru ne vom uita la configurația Core 2 Duo cu patru nuclee, două nuclee și un nucleu. Și să vedem cât de bine se scalează performanța. Merită să trecem la patru nuclee astăzi?

Nucleu unic

Termenul „single-core” se referă la un procesor care are un singur nucleu de calcul. Aceasta include aproape toate procesoarele de la începutul arhitecturii 8086 până la Athlon 64 și Intel Pentium 4. Până când procesul de fabricație a devenit suficient de subțire pentru a crea două nuclee de calcul pe un singur cip, trecerea la o tehnologie de proces mai mică a fost folosită pentru a reduce tensiunea de funcționare, creșteți vitezele de ceas sau adăugați blocuri funcționale și memorie cache.

Rularea unui procesor cu un singur nucleu la viteze mari de ceas poate oferi performanțe mai bune pentru o singură aplicație, dar un astfel de procesor poate executa doar un program (thread) la un moment dat. Intel a implementat principiul Hyper-Threading, care emulează prezența mai multor nuclee pentru sistemul de operare. Tehnologia HT a făcut posibilă încărcarea mai bună a conductelor lungi ale procesoarelor Pentium 4 și Pentium D. Desigur, creșterea performanței a fost mică, dar capacitatea de răspuns a sistemului a fost cu siguranță mai bună. Și într-un mediu multitasking, acest lucru poate fi și mai important, deoarece puteți lucra în timp ce computerul lucrează la o anumită sarcină.

Deoarece procesoarele dual-core sunt atât de ieftine în zilele noastre, nu vă recomandăm să alegeți procesoare single-core decât dacă doriți să economisiți fiecare bănuț.

Procesorul Core 2 Extreme X6800 era cel mai rapid din linia Intel Core 2 la momentul lansării sale, operând la 2,93 GHz. Astăzi, procesoarele dual-core au ajuns la 3,0 GHz, deși la o frecvență mai mare a magistralei FSB1333.

Actualizarea la două nuclee de procesor înseamnă o putere de procesare de două ori mai mare, dar numai pentru aplicațiile optimizate pentru multi-threading. De obicei, astfel de aplicații includ programe profesionale care necesită o putere mare de procesare. Dar un procesor dual-core are în continuare sens, chiar dacă folosiți computerul doar pentru e-mail, navigare pe web și lucru cu documente de birou. Pe de o parte, modelele moderne de procesoare dual-core nu consumă mult mai multă energie decât modelele single-core. Pe de altă parte, al doilea nucleu de calcul nu numai că adaugă performanță, dar îmbunătățește și capacitatea de răspuns a sistemului.

Ați așteptat vreodată ca WinRAR sau WinZIP să termine comprimarea fișierelor? Pe o mașină cu un singur nucleu, este puțin probabil să puteți comuta rapid între ferestre. Chiar și redarea DVD-ului poate solicita un singur nucleu la fel de mult ca o sarcină complexă. Procesorul dual-core facilitează rularea mai multor aplicații simultan.

Procesoarele AMD dual-core conțin două nuclee complete cu cache, un controler de memorie integrat și o conexiune încrucișată care oferă acces partajat la memorie și la interfața HyperTransport. Intel a urmat o cale similară cu primul Pentium D, instalând două nuclee Pentium 4 în procesorul fizic Deoarece controlerul de memorie face parte din chipset, magistrala de sistem trebuie utilizată atât pentru comunicarea între nuclee, cât și pentru accesarea memoriei. impune anumite limitări asupra performanței. Procesorul Core 2 Duo are nuclee mai avansate care oferă performanțe mai bune pe ceas și performanțe mai bune pe watt. Cele două nuclee împărtășesc un cache L2 comun, care permite schimbul de date fără a utiliza magistrala de sistem.

Procesorul Core 2 Quad Q6700 rulează la 2,66 GHz, folosind două nuclee Core 2 Duo în interior.

Dacă astăzi există multe motive pentru a trece la procesoare dual-core, atunci patru nuclee nu arată încă atât de convingător. Un motiv este optimizarea limitată a programelor pentru mai multe fire, dar există și anumite probleme arhitecturale. Deși AMD critică astăzi Intel pentru că a împachetat două matrițe dual-core într-un singur procesor, considerând că nu este un „adevărat” procesor quad-core, abordarea Intel funcționează bine, deoarece procesoarele oferă de fapt performanțe quad-core. Din punct de vedere al producției, este mai ușor să obțineți randamente mari ale matrițelor și să produceți mai multe produse cu miezuri mici care pot fi apoi îmbinate împreună pentru a realiza un produs nou, mai puternic într-un proces nou. În ceea ce privește performanța, există blocaje - două cristale comunică între ele prin magistrala de sistem, deci este foarte dificil să gestionezi mai multe nuclee distribuite pe mai multe cristale. Deși existența mai multor matrițe permite economii mai bune de energie și ajustarea frecvențelor nucleelor ​​individuale pentru a se potrivi nevoilor aplicației.

Adevăratele procesoare quad-core folosesc patru nuclee, care, împreună cu memoria cache, sunt situate pe un singur cip. Ceea ce este important aici este prezența unui cache unificat comun. AMD va implementa această abordare prin echiparea a 512 KB de cache L2 pe fiecare nucleu și adăugând cache L3 la toate nucleele. Avantajul AMD este că va fi posibilă oprirea anumitor nuclee și accelerarea altora pentru a obține performanțe mai bune pentru aplicațiile cu un singur thread. Intel va urma aceeași cale, dar nu înainte de a introduce arhitectura Nehalem în 2008.

Utilitarele de afișare a informațiilor de sistem, cum ar fi CPU-Z, vă permit să aflați numărul de nuclee și dimensiunile memoriei cache, dar nu și aspectul procesorului. Nu veți ști că Core 2 Quad (sau quad-core Extreme Edition prezentat în captură de ecran) este format din două nuclee.

Una dintre etapele îmbunătățirii arhitecturii von Neumann este paralelizarea firelor ( Fir Nivel Paralelism, TLP). Distinge multithreading simultan (Simultan Multithreading, SMT) Și multithreading la nivel de matriță (Chip- nivel Multithreading, CMT). Cele două abordări diferă în principal în înțelegerea lor a ceea ce este un flux. Un reprezentant tipic SMT este așa-numita tehnologie HTT (Hiper- Filetat Tehnologie).

P primii reprezentanţi ai arhitecturii CMP procesoare din oțel destinate utilizării în servere. A fost un simplu tandem în astfel de dispozitive, două miezuri esențial independente au fost plasate pe un substrat (Fig. 8,). Dezvoltarea acestei scheme a devenit mai întâi o structură cu o memorie cache partajată (Fig. 9 și apoi o structură cu multi-threading în fiecare nucleu.

Avantajele procesoarelor multi-core sunt următoarele.

Simplitatea (în mod natural relativă) a proiectării și producției. Odată ce un singur nucleu eficient a fost dezvoltat, acesta poate fi replicat pe cip, completând arhitectura cu componentele de sistem necesare.

Consumul de energie este semnificativ redus. Dacă, de exemplu, plasați două nuclee pe un cip și le forțați să funcționeze la o frecvență de ceas care oferă o performanță egală cu cea a „fratelui” cu un singur nucleu și apoi comparați consumul de energie al ambelor, veți găsi că puterea. consumul scade de mai multe ori, deoarece crește aproape proporțional cu frecvențele pătrate.

În general, dacă te uiți îndeaproape la figurile 8 și 9, poți vedea că nu există nicio diferență fundamentală între, de exemplu, un sistem cu 2 procesoare și un computer pe un procesor cu 2 nuclee. Problemele sunt aceleași. Și unul dintre primele este sistemul de operare corespunzător.

Modalități de organizare a muncii procesoarelor

Principalul stimulent pentru dezvoltarea arhitecturii computerelor este creșterea productivității. Una dintre modalitățile de creștere a productivității computerelor este specializarea (atât elementele individuale ale computerului, cât și crearea de sisteme de calcul specializate).

Specializarea procesoarelor a început în anii 60, când procesorul central al calculatoarelor mari a fost eliberat de efectuarea operațiunilor de rutină de intrare/ieșire a informațiilor. Această funcție a fost transferată la procesorul I/O, care comunică cu dispozitivele periferice.

O altă modalitate de a îmbunătăți performanța este să te îndepărtezi de arhitectura secvențială a lui von Neumann și să te concentrezi pe paralelism. M. Flynn a atras atenția asupra faptului că există doar două motive care dau naștere paralelismului computațional - independența fluxurilor de comandă existente simultan în sistem și lipsa de legătură a datelor procesate într-un flux de comandă. Dacă primul motiv al paralelismului procesului de calcul este destul de bine cunoscut (este o simplă multiprocesare), atunci ne vom opri mai detaliat asupra paralelismului datelor, deoarece în majoritatea cazurilor acesta există ascuns de programatori și este folosit de un cerc limitat de profesionisti.

Cel mai simplu exemplu de paralelism de date este o secvență de două comenzi: A=B+C; D=E*F;

Dacă respectăm cu strictețe principiul von Neumann, atunci a doua operație poate fi lansată pentru execuție numai după finalizarea primei operațiuni. Cu toate acestea, este evident că ordinea în care sunt executate aceste instrucțiuni nu contează - operanzii A, B și C ai primei instrucțiuni nu sunt în niciun fel legați de operanzii D, E și F ai celei de-a doua instrucțiuni. Cu alte cuvinte, ambele operații sunt paralele tocmai pentru că operanzii acestor instrucțiuni nu sunt legați unul de celălalt. Puteți da multe exemple de secvență de trei sau mai multe comenzi cu date care nu au legătură, care vor duce la o concluzie clară: aproape orice program conține grupuri de operații pe date paralele.

D Un alt tip de paralelism de date apare de obicei în programele ciclice pentru procesarea matricelor de date. De exemplu, atunci când adăugați elemente din două matrice, o comandă poate procesa o matrice mare (flux multiplu) de date. Astfel de comenzi se numesc vector, iar procesorul care implementează acest mod se numește vector. Se poate da următoarea definiție: „Un procesor vectorial este un procesor care asigură executarea paralelă a operațiilor pe matrice de date (vectori). Se caracterizează printr-o arhitectură specială construită pe un grup de elemente de procesare paralelă și este proiectată pentru procesarea imaginilor, matricelor și rețelelor de date.”

Există mai multe clasificări ale paralelismului software care sunt destul de asemănătoare ca semnificație, dintre care clasificarea în șase niveluri este considerată cea mai recunoscută (Fig. 10). Primele trei niveluri de paralelism sunt ocupate de obiecte software mari - joburi independente, programe și proceduri de program. Declarațiile, buclele și operațiile fără legătură formează nivelurile inferioare de paralelism. Dacă combinăm acest clasament cu categoriile „fluxuri de comandă paralele” și „fluxuri de date paralele” ale lui M. Flynn, vedem că paralelismul de nivel superior este realizat în principal prin multe fluxuri de comandă independente, în timp ce paralelismul de nivel inferior își datorează existența în principal unor neînrudite. fluxuri de date.

Prelucrare transportoare și structuri transportoare

DESPRE Una dintre modalitățile eficiente de a crește performanța computerului este pipelineizarea. În fig. unsprezece A) prezintă procesarea într-un singur bloc universal și Fig. 11 b)Și V)- în transportor. Ideea procesării pipeline este de a împărți o funcție implementată de un bloc funcțional universal (FB) între mai multe altele specializate. Toate blocurile funcționale ale transportorului trebuie să funcționeze cu aceeași viteză (cel puțin în medie). În practică, acesta din urmă poate fi atins rar și, ca urmare, performanța conductei scade, deoarece perioada de primire a datelor de intrare este determinată de timpul maxim de procesare în fiecare bloc funcțional. Pentru a compensa fluctuațiile în timpul de funcționare al FB-urilor, registrele tampon sunt incluse între ele. O tehnică mai universală este includerea dispozitivelor de stocare tampon de tip FIFO (Fig. 11 V). Mai este o diferență de remarcat între cifre. b)Și V). În structură V) nu există o linie de sincronizare SI. Acest lucru nu înseamnă că nu poate fi într-o astfel de structură, există doar două tipuri de conducte: sincron cu o linie comună de sincronizare şi asincron, fără unul. Primele se mai numesc cu managementul comenzilor, iar al doilea - cu managementul datelor. Un exemplu de conducte asincrone sunt matricele sistolice.

LA Conducta nu este întotdeauna un lanț liniar de blocuri. Uneori se dovedește a fi avantajos atunci când blocurile funcționale sunt conectate între ele nu secvențial, ci conform unei scheme mai complexe în conformitate cu logica de procesare, în timp ce unele blocuri din lanț pot fi sărite, în timp ce altele pot forma structuri ciclice. Structura unei conducte neliniare capabilă să calculeze două funcții X și Y și o diagramă în care funcțiile X și Y necesită anumite blocuri funcționale este prezentată în Fig. 12

Probabil că fiecare utilizator cu puține cunoștințe de calculatoare a întâlnit o grămadă de caracteristici de neînțeles atunci când a ales un procesor central: proces tehnic, cache, socket; Am apelat pentru sfat la prieteni și cunoștințe care erau competenți în materie de hardware de calculator. Să ne uităm la varietatea diferiților parametri, deoarece procesorul este cea mai importantă parte a computerului dvs., iar înțelegerea caracteristicilor acestuia vă va oferi încredere în achiziționarea și utilizarea ulterioară.

CPU

Procesorul unui computer personal este un cip care este responsabil pentru efectuarea oricăror operațiuni cu date și controlează dispozitivele periferice. Este conținut într-un pachet special de siliciu numit matriță. Pentru o denumire scurtă, utilizați abrevierea - CPU(unitate centrală de procesare) sau CPU(din limba engleză Unitatea centrală de procesare - dispozitiv central de procesare). Pe piața modernă a componentelor computerelor există două corporații concurente, Intel și AMD, care participă constant la cursa pentru performanța noilor procesoare, îmbunătățind constant procesul tehnologic.

Proces tehnic

Proces tehnic este dimensiunea folosită în producția de procesoare. Determină dimensiunea tranzistorului, a cărui unitate este nm (nanometru). Tranzistorii, la rândul lor, formează miezul intern al procesorului. Concluzia este că îmbunătățirea continuă a tehnicilor de fabricație face posibilă reducerea dimensiunii acestor componente. Ca rezultat, sunt mult mai multe dintre ele plasate pe cipul procesorului. Acest lucru ajută la îmbunătățirea performanței procesorului, astfel încât parametrii acestuia indică întotdeauna procesul tehnologic utilizat. De exemplu, Intel Core i5-760 este realizat folosind o tehnologie de proces de 45 nm, iar Intel Core i5-2500K este realizat folosind un proces de 32 nm Pe baza acestor informații, puteți judeca cât de modern este procesorul și cât de superior este este în performanță față de predecesorul său, dar atunci când alegeți, trebuie să luați în considerare și o serie de alți parametri.

Arhitectură

Procesoarele se caracterizează și printr-o astfel de caracteristică precum arhitectura - un set de proprietăți inerente unei întregi familii de procesoare, de obicei produse pe parcursul multor ani. Cu alte cuvinte, arhitectura este organizarea lor sau designul intern al procesorului.

Numărul de nuclee

Miez- cel mai important element al procesorului central. Este o parte a procesorului care poate executa un fir de instrucțiuni. Miezurile diferă în ceea ce privește dimensiunea memoriei cache, frecvența magistralei, tehnologia de fabricație etc. Producătorii le atribuie nume noi cu fiecare proces tehnologic ulterior (de exemplu, nucleul procesorului AMD este Zambezi, iar Intel este Lynnfield). Odată cu dezvoltarea tehnologiilor de producție a procesoarelor, a devenit posibil să plasați mai mult de un nucleu într-un singur caz, ceea ce crește semnificativ performanța procesorului și ajută la îndeplinirea mai multor sarcini simultan, precum și la utilizarea mai multor nuclee în programe. Procesoare multi-core va putea face față rapid arhivării, decodării video, funcționării jocurilor video moderne etc. De exemplu, liniile de procesoare Intel Core 2 Duo și Core 2 Quad, care folosesc procesoare dual-core și, respectiv, quad-core. În prezent, procesoarele cu 2, 3, 4 și 6 nuclee sunt disponibile pe scară largă. Un număr mai mare dintre ele sunt utilizate în soluții de server și nu sunt solicitate de utilizatorul mediu de computer.

Frecvență

Pe lângă numărul de nuclee, performanța este afectată de frecvența ceasului. Valoarea acestei caracteristici reflectă performanța procesorului în numărul de cicluri de ceas (operații) pe secundă. O altă caracteristică importantă este frecvența magistralei(FSB - Front Side Bus) care demonstrează viteza cu care sunt schimbate datele între procesor și perifericele computerului. Frecvența ceasului este proporțională cu frecvența magistralei.

Priză

Pentru ca viitorul procesor să fie compatibil cu placa de bază existentă atunci când faceți upgrade, trebuie să cunoașteți soclul acestuia. Se numește o priză conector, în care procesorul este instalat pe placa de bază a computerului. Tipul de soclu este caracterizat de numărul de picioare și de producătorul procesorului. Socket-uri diferite corespund unor tipuri specifice de procesoare, astfel încât fiecare soclu permite instalarea unui anumit tip de procesor. Intel folosește soclu-ul LGA1156, LGA1366 și LGA1155, în timp ce AMD folosește AM2+ și AM3.

Cache

Cache- cantitatea de memorie cu o viteză de acces foarte mare, necesară pentru a accelera accesul la datele care se află permanent în memorie cu o viteză de acces (RAM) mai mică. Atunci când alegeți un procesor, rețineți că creșterea dimensiunii cache-ului are un efect pozitiv asupra performanței majorității aplicațiilor. Cache-ul CPU are trei niveluri ( L1, L2 și L3), situat direct pe miezul procesorului. Acesta primește date din RAM pentru o viteză mai mare de procesare. De asemenea, merită luat în considerare faptul că pentru procesoarele cu mai multe nuclee este indicată cantitatea de memorie cache de prim nivel pentru un nucleu. Cache-ul L2 îndeplinește funcții similare, dar este mai lent și mai mare ca dimensiune. Dacă intenționați să utilizați procesorul pentru sarcini mari de resurse, atunci va fi de preferat un model cu un cache mare de nivel al doilea, având în vedere că pentru procesoarele multi-core este indicată dimensiunea totală a memoriei cache L2. Cele mai puternice procesoare, precum AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon, sunt echipate cu cache L3. Cel de-al treilea nivel cache este cel mai puțin rapid, dar poate ajunge la 30 MB.

Consumul de energie

Consumul de energie al unui procesor este strâns legat de tehnologia sa de fabricație. Odată cu scăderea nanometrilor procesului tehnic, creșterea numărului de tranzistori și creșterea frecvenței de ceas a procesoarelor, consumul de energie al procesorului crește. De exemplu, procesoarele Intel Core i7 necesită până la 130 de wați sau mai mult. Tensiunea furnizată miezului caracterizează în mod clar consumul de energie al procesorului. Acest parametru este deosebit de important atunci când alegeți un procesor pe care să îl utilizați ca centru multimedia. Modelele de procesoare moderne folosesc diverse tehnologii care ajută la combaterea consumului excesiv de energie: senzori de temperatură încorporați, sisteme de control automat pentru tensiunea și frecvența nucleelor ​​de procesor, moduri de economisire a energiei atunci când sarcina procesorului este ușoară.

Caracteristici suplimentare

Procesoarele moderne au dobândit capacitatea de a funcționa în moduri cu 2 și 3 canale cu RAM, ceea ce îi afectează semnificativ performanța și, de asemenea, acceptă un set mai mare de instrucțiuni, ridicându-și funcționalitatea la un nou nivel. GPU-urile procesează video pe cont propriu, descarcând astfel CPU-ul, datorită tehnologiei DXVA(din limba engleză DirectX Video Acceleration - accelerare video prin componenta DirectX). Intel folosește tehnologia de mai sus Turbo Boost pentru a schimba dinamic frecvența de ceas a procesorului central. Tehnologie Pas de viteză gestionează consumul de energie al procesorului în funcție de activitatea procesorului și Tehnologia de virtualizare Intel hardware-ul creează un mediu virtual pentru utilizarea mai multor sisteme de operare. De asemenea, procesoarele moderne pot fi împărțite în nuclee virtuale folosind tehnologie Hyper Threading. De exemplu, un procesor dual-core este capabil să împartă viteza de ceas a unui nucleu în două, rezultând o performanță ridicată de procesare folosind patru nuclee virtuale.

Când vă gândiți la configurația viitorului dumneavoastră computer, nu uitați de placa video și de aceasta GPU(din limba engleză Graphics Processing Unit - graphic processing unit) - procesorul plăcii dvs. video, care este responsabil de randare (operații aritmetice cu obiecte geometrice, fizice etc.). Cu cât frecvența de bază și de memorie este mai mare, cu atât va fi mai puțină sarcina procesorului central. Jucătorii ar trebui să acorde o atenție deosebită GPU-ului.