• Главная
  •  > 
  • Мобильные устройства
  •  > 
  • Четырех ядерный процессор определяется как двухъядерный. Что лучше многоядерность или более высокая частота? Как увеличить длительность автономной работы ноутбука

Четырех ядерный процессор определяется как двухъядерный. Что лучше многоядерность или более высокая частота? Как увеличить длительность автономной работы ноутбука

  • Tutorial

В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.

Цель статьи - показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).

Предупреждение о знаках ®, ™, в статье

Мой объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.

Процессор

Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин - это «процессор».

В современном мире процессор - это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.

Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.

Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает , что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.

Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память - RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.


К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS

Ядро

Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.

Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах - как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент - схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер , во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.

Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.

В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.


Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.

Гиперпоток

До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология - гипертреды или гиперпотоки, - Intel® HyperThreading (далее HT).

Ничто не ново под луной. HT - это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния - регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня - это зависит от конкретной системы.

Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии . Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.

Ограничения потоков
В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это - частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение - здесь нужны «честные» ядра.

Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.

Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре - уникальная для IA-32 конфигурация.

Логический процессор

Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?

Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x , y , z ), где x - это число процессоров, y - число ядер в каждом процессоре, а z - число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией - устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.

Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) - ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая - два ядра, а третья - всего лишь два потока.


Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?


Linux top показывает 4 логических процессора.

Это довольно удобно для создателей прикладных приложений - им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.

Программное определение топологии

Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.

Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи :

Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к , в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».

APIC ID
Local APIC (advanced programmable interrupt controller) - это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) - для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .

В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше - только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.

Выяснение родственных связей
Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два - внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня - гиперпоток, ядро или процессор, - в ECX.

У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, - все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.

Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.

Отмечу, что CPUID.0xB - не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI .

Операционные системы и топология

Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.

В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:

Скрытый текст

ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid" processor: 0 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 0 initial apicid: 0 processor: 1 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 1 initial apicid: 1 processor: 2 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 2 initial apicid: 2 processor: 3 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 3 initial apicid: 3

В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:

Скрытый текст

user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec kern.sched.topology_spec: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1 THREAD groupSMT group 2, 3 THREAD groupSMT group 4, 5 THREAD groupSMT group 6, 7 THREAD groupSMT group

В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.

Привет всем! Иногда игра или программа не работает на полную мощность, т.к. за производительность отвечают не все ядра. В этой статье посмотрим как задействовать все ядра вашего процессора.

Но не ждите волшебной палочки, т.к. если игра или программа не поддерживает многоядерность, то ничего не поделать, если только не переписать заново приложение.

Как запустить все ядра процессора?

Итак, способов будет несколько. По этому показываю первый .

Заходим в пуск — выполнить или клавиши win+r

Выбираем ваше максимальное число процессоров.

  • Заходим в диспетчер задач — ctrl+shift+esc.
  • Или ctrl+alt+del и диспетчер задач.
  • Или нажимаем правой кнопкой по панели управления и выбираем диспетчер задач.

Переходим во вкладку процессы. Находим игру и нажимаем правой кнопкой мыши по процессу. Да кстати, игра должна быть запущена. Свернуть её можно или Win+D или alt+tab.

Выбираем задать соответствие.

Выбираем все и нажимаем ок.

Чтобы посмотреть работают все ядра или нет, то в диспетчере задач заходим во вкладку быстродействие.

Во всех вкладках будет идти диаграмма.

Если нет, то нажимаем опять задать соответствие, оставляем только ЦП 0, нажимаем ок. Закрываем диспетчер задач, открываем опять повторяем все тоже самое, выбираем все процессоры и нажимаем ок.

В ноутбуках, бывает настроено энергосбережение таким образом, что настройки не дают использовать все ядра.

  • Win7 — Заходим в панель управления, идем в электропитание — Изменить параметры плана — изменить дополнительные параметры питания — управление питанием процессора — минимальное состояние процессора.
  • Win8, 10 — Или: параметры — система — питание и спящий режим — дополнительные параметры питания — настройка схемы электропитания — изменить дополнительные параметры питания — управление питанием процессора — минимальное состояние процессора

Для полного использования, должно стоять 100%.

Как проверить сколько работает ядер?

Запускаем и видим число активных ядер.

Не путайте этот параметр с количеством виртуальных процессоров, который отображены правее.

На что влияет количество ядер процессора?

Многие путают понятие количества ядер и частоту процессора. Если это сравнивать с человеком, то мозг это процессор, нейроны — это ядра. Ядра работают не во всех играх и приложениях. Если в игре например выполняется 2 процесса, один вырисовывает лес, а другой город и в игра заложено многоядерность, то понадобиться всего 2 ядра, чтобы загрузить эту картинку. А если в игре заложено больше процессов, то задействуются все ядра.

И может быть наоборот, игра или приложение может быть написана так, одно действие может выполнять только одно ядро и в этой ситуации выиграет процессор, у которого выше частота и наиболее хорошо сложена архитектура (по этому обычно ).

В чем различия между четырехъядерными и восьмиядерными процессорами смартфонов? Объяснение достаточно простое. В восьмиядерных чипах в два раза больше процессорных ядер, чем в четырехъядерных. На первый взгляд восьмиядерный процессор представляется вдвое более мощным, не так ли? На самом деле ничего подобного не происходит. Чтобы понять, почему восьмиядерность процессора не удваивает производительность смартфона вдвое, потребуются некоторые пояснения. уже наступило. Восьмиядерные процессоры, о которых совсем недавно можно было только мечтать, получают все большее распространение. Но, оказывается, их задача состоит не в том, чтобы повысить производительность устройства.

Четырех- и восьмиядерные процессоры. Производительность

Сами термины «восьмиядерный» и « четырехъядерный» отражают число ядер центрального процессора.

Но ключевое различие между этими двумя типами процессоров — по крайней мере по состоянию на 2015 год — состоит в способе установки процессорных ядер.

В четырехъядерном процессоре все ядра способны работать одновременно, обеспечивая быструю и гибкую многозадачность, делая более ровными 3D-игры и повышая скорость работы камеры, а также осуществляя другие задачи.

Современные восьмиядерные чипы, в свою очередь, просто состоят из двух четырехъядерных процессоров, которые распределяют между собой различные задачи в зависимости от их типа. Чаще всего в восьмиядерном чипе присутствует набор из четырех ядер с более низкой тактовой частотой, чем во втором наборе. Когда требуется выполнить сложную задачу, за нее, разумеется, берется более быстрый процессор.


Более точным термином, чем «восьмиядерный» стал бы «двойной четырехъядерный». Но это звучит не так красиво и не подходит для маркетинговых задач. Поэтому эти процессоры называют восьмиядерными.

Зачем нужны два набора процессорных ядер?

В чем причина сочетания двух наборов процессорных ядер, передающих задачи один другому, в одном устройстве? Для обеспечения энергоэффективности.

Более мощный центральный процессор потребляет больше энергии и батарею приходится чаще заряжать. А аккумуляторные батареи намного более слабое звено смартфона, чем процессоры. В результате — чем более мощен процессор смартфона, тем более емкая батарея ему нужна.

При этом для большинства задач смартфона вам не понадобится столь высокая вычислительная производительность, какую может обеспечить современный процессор. Перемещение между домашними экранами, проверка сообщений и даже веб-навигация — не столь требовательные к ресурсам процессора задачи.

Но HD-видео, игры и работа с фотографиями такими задачами являются. Поэтому восьмиядерные процессоры достаточно практичны, хотя элегантным это решение назвать трудно. Более слабый процессор обрабатывает менее ресурсоемкие задачи. Более мощный — более ресурсоемкие. В итоге сокращается общее энергопотребление по сравнению с той ситуацией, когда обработкой всех задач занимался бы только процессор с высокой тактовой частотой. Таким образом, сдвоенный процессор прежде всего решает задачу повышения энергоэффективности, а не производительности.

Технологические особенности

Все современные восьмиядерные процессоры базируются на архитектуре ARM, так называемой big.LITTLE.

Эта восьмиядерная архитектура big.LITTLE была анонсирована в октябре 2011 года и позволила четырем низкопроизводительным ядрам Cortex-A7 работать совместно с четырьмя высокопроизводительными ядрами Cortex-A15. ARM с тех пор ежегодно повторяла этот подход, предлагая более способные чипы для обоих наборов процессорных ядер восьмиядерного чипа.

Некоторые из основных производителей чипов для мобильных устройств сосредоточили свои усилия на этом образце «восьмиядерности» big.LITTLE. Одним из первых и наиболее примечательных стал собственный чип компании Samsung, известный Exynos. Его восьмиядерная модель использовалась начиная с Samsung Galaxy S4, по крайней мере в некоторых версиях устройств компании.

Сравнительно недавно Qualcomm также начала применение big.LITTLE в своих восьмиядерных чипах Snapdragon 810 CPU. Именно на этом процессоре базируются такие известные новинки рынка смартфонов, как и G Flex 2, ставший компании LG.

В начале 2015 года NVIDIA представила Tegra X1, новый суперпроизводительный мобильный процессор, который компания предназначает для автомобильных компьютеров. Основной функцией X1 является его вызываемый консольно («console-challenging») графический процессор, который также основывается на архитектуре big.LITTLE. То есть он также станет восьмиядерным.

Велика ли разница для обычного пользователя?

Велика ли разница между четырех- и восьмиядерным процессором смартфона для обычного пользователя? Нет, на самом деле она очень мала, считает Йон Манди.

Термин «восьмиядерный» вносит некоторую неясность, но на самом деле он означает дублирование четырехъядерных процессоров. В итоге получаются два работающих независимо четырехъядерных набора, объединенных одним чипом для повышения энергоэффективности.

Нужен ли восьмиядерный процессор в каждом современном смартфоне. Такой необходимости нет, полагает Йон Манди и приводит пример Apple, обеспечивающих достойную энергоэффективность своих iPhone при всего двухъядерном процессоре.

Таким образом, восьмиядерная архитектура ARM big.LITTLE является одним из возможных решений одной из самых важных задач, касающихся смартфонов — времени работы от одной зарядки батареи. По мнению Йона Манди, как только найдется другое решение этой задачи, так и прекратится тренд установки в одном чипе двух четырехъядерных наборов, и подобные решения .

Знаете ли вы другие преимущества восьмиядерных процессоров смартфонов?

Статья постоянно обновляется. Последнее обновление 10.10.2013 р.

На данный момент рынок процессоров развивается настолько динамично, что уследить за всеми новинками и угнаться за прогрессом просто невозможно.
Но нам особо это и не нужно.
Нам, для того, чтобы купить процессор, достаточно знать для чего нужен будет компьютер, какие задачи он будет выполнять, и какую сумму денег мы готовы потратить.

На сегодняшний день заслуженными лидерами рынка процессоров являются две крупнейшие компании Intel и AMD .
Они предлагают широчайший выбор моделей любой ценовой категории. И от такого выбора процессоров разбегаются глаза.
А мы попробуем помочь Вам в этом разобраться, чтоб Вы смогли выбрать и купить производительный процессор и за нормальные деньги.

Начнём с того, что основными показателями производительности у процессора являются:

1) Архитектура процессора. Ведь новая архитектура будет всегда производительней чем предыдущая (несмотря на одинаковую частоту) .
2) Рабочая частота. Чем выше частота процессора тем он производительнее.
3) размер кэш-памяти второго и третьего уровней (L2 и L3);

Ну, а второстепенными показателями:
4) ;
5) технологический процесс;
6) набор инструкций;
и др.

Хотя сейчас находчивые консультанты в магазинах стараются больше акцентировать внимание на количестве ядер, напрямую связывая количество ядер со скоростью обработки данных и производительностью самого компьютера.

Количество ядер?

На сегодняшний день в продаже уже имеются восьми-, шести-, четырёх-, двух- и одноядерные процессоры от AMD , а также шести-, четырёх-, двух-, одноядерные от INTEL .
Но для сегодняшних программ и нужд домашнего геймера вполне достаточно двух- или четырёхъядерного процессора, работающего на высокой частоте.
Процессор с большим количеством ядер (6-8), понадобится лишь для программ кодирования видео и аудио контента, рендеринга изображений и архиваторов.

На данный момент оптимизация в игровой индустрии идет, в основном, на двухъядерные процессоры, только самое новое ПО и игры будут разрабатываться под многопоточные вычисления. Так что если Вы покупаете процессор для игр, то высокочастотный двухъядерный процессор окажется быстрее, чем низкочастотный, но трех- или четырехядерный процессор.

Внимание! У Вас нет прав для просмотра скрытого текста.


И выяснилось, что пока игрокам можно остановиться на современном двухъядерном процессоре, выбрав для себя решение с подходящим соотношением производительности и цены.
При этом стоит учитывать, что чипы Intel к тому же обладают технологией HyperThreading, позволяющей исполнять на каждом ядре две параллельные задачи. Операционная система видит 2х ядерные процессоры как четырёхядерные, а 4-х ядерные как восьмиядерные.
Процессоры с большим количеством ядер могут быть востребованы, в основном, в профессиональных приложениях и кодировании видео.
Восемь/шесть ядер пока не способна полностью загрузить ни одна игра.

Немного подытожим по ядрам.

Для офисного компьютера с головой хватит двухъядерного процессора нижнего ценового диапазона.
Типа Pentium, Celeron от Intel или A4, AthlonII X2 от AMD.

Для домашнего геймерского компьютера можно купить двухъядерный процессор Intel повышенной частоты или четырёхъядерный процессор от AMD.
Типа Core i3, Core i5 частотой от 3 ГГц Intel или A8, A10, Phenom™ II X4 с частотой от 3 ГГц AMD.

Ну, и для "заряженной" рабочей станции или геймерской системы hi-end понадобится хороший четырёхъядерный процессор нового поколения.
Типа Core i5, Core i7 от Intel, так как процессоры AMD очень редко используются в высокопроизводительных машинах.

О процессорах Core i3, Core i5 и Core i7 читаем в статьe:

Производительность процессора?

Как было указано выше, важным параметром является архитектура , на которой основан/выполнен процессор. Чем новее архитектура, тем "шустрее" показывает себя процессор в приложениях и играх. Так как любая последующая архитектура, что Intel, что AMD, будет всегда производительнее предыдущей.
На данный момент актуальны процессоры семейства Haswell (4-ое поколение) и Ivy Bridge (3-е поколение), а также процессоры архитектуры Piledriver семейства Richland, Trinity от AMD .

Также производительность процессора зависит от его рабочей частоты . Чем выше рабочая частота, тем производительней процессор. Актуальная рабочая частота ядер, на данный момент, от 3ГГц и выше.
Но при сравнении между собой процессоров AMD и INTEL при одинаковой тактовой частоте, не означает что они равны по производительности.
Особенности архитектуры позволяют процессорам INTEL показывать более высокую продуктивность даже с меньшей частотой, чем у конкурента.

Примечание: нельзя просто приплюсовать частоту двух ядер. Определяется, как два ядра по XX ГГц.

Ещё одним параметром производительности является размер, объём, сверхбыстрой кэш-памяти второго и третьего уровней L2 и L3 .
Это память с большой скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, которые обрабатывает процессор.
Чем больше объём кэш памяти, тем выше производительность.

Примечание: Core 2 Duo, Core 2 Quad имеют только L2, Core i5, Core i7 имеют L2+L3, процессоры AMD Athlon™ II X2 имеют только L2, Phenom™ II X4 имеют L2+L3.

У более ранних Core 2 показателем была частота шины FSB процессора. Частота шины, через которую процессор обменивается данными с оперативной памятью.
Чем выше частота FSB шины, тем выше производительность процессора.

Примечание: процессоры Core i3, Core i5 и Core i7 от компании Intel не имеют системной шины FSB, также как и в последних процессорах AMD, передача данных между памятью и процессором происходит напрямую.
Такой метод передачи данных значительно увеличил производительность.
У процессоров семейства Core i7 LGA1366 тоже нет шины FSB, а есть высокоскоростная шина QPI.

Технологический процесс (проектная норма процессора) определяет в первую очередь структурный размер тех элементов, из которых состоит процессор.
В частности, от технологического процесса производства зависит тепловыделение и энергопотребление современных процессоров.
Чем меньше эта величина (технологический процесс), тем меньше тепла выделяет процессор и меньше потребляет энергии.
Более ранние процессоры Core 2 были выполнены по 45- 65-нанометровой технологиям. Более новые Haswell и Ivy Bridge Corei3, Corei5, Core i7 четвёртого и третьего поколения по 22-нм, Sandy Bridge® Corei3, Corei5, Core i7 второго поколения от Intel и Bulldozer от AMD выполнены по технологии 32 нм.

Набор инструкций - это набор допустимых для процессора управляющих кодов и способов адресации данных. Система таких команд жестко связана с конкретным типом процессора.
Чем шире набор инструкций у процессора, тем лучше и быстрее обрабатываются данные.

Боксовая комплектация (BOX) или трей (Tray/ОЕМ)?

Боксовая (BOX) комплектация представляет собой комплект:
- сам процессор;
- кулер с нанесённой термопастой (радиатор+вентилятор);
- инструкция и документация.

Отличительной особенностью BOX-комплектации является расширенная гарантия на процессор - 3 года.
BOX-процессоры лучше брать для офисных и домашних мультимедийных систем, в которых не планируется смена охлаждения на более эффективное.
Но BOX-процессоры стоят немного дороже, чем такие же TRAY.

Трей-процессор (Tray/OEM) представляет собой только процессор. Нет кулера и документов.

В отличии от BOX гарантия на Tray-процессор всего лишь 1 год.
Tray/OEM процессоры используют фирмы-сборщики готовых брендовых компьютеров. А также энтузиасты геймеры-оверклокеры, которым не принципиальны гарантия (после разгона гарантия с изделия снимается) и родное охлаждение, т.к. на процессор сразу устанавливается более эффективное.
Tray-процессоры стоят немного дешевле.

Intel или AMD?

На эту тему всегда шли ожесточенный споры на форумах и конференциях. Вообще, эта тема является вечной. Сторонники Intel будут утверждать, что эти процессоры во всех отношениях лучше, чем у конкурента. И наоборот. Сам же я являюсь приверженцем Intel.

Если сравнить одинаковые по частоте и количеству ядер процессоры двух этих компаний, то процессоры Intel будут более производительнее. Однако в ценовом диапазоне преимущество у AMD.

Если вы собираете себе бюджетную систему на минимальные финансы, то процессоры AMD - ваш выбор. Если же у вас будет игровая или производительная вычислительная система, то выбор стоит сделать в пользу Intel.

Есть ещё один момент, материнские платы для процессоров Intel также стоят дороже, а платформа AMD соответственно дешевле. Выбирая процессор для своего ПК, нужно определится с начальными приоритетами, собрать недорогую систему на AMD или более производительную, но подороже на базе Intel.

В ассортименте каждой компании есть много моделей процессоров, начиная от бюджетных, например, Celeron у Intel и Sempron/Duron у AMD, до топовых Core i7 у Intel, A10 у AMD.

В разных приложениях результаты довольно различны, так в некоторых победу одерживают процессоры AMD, в других - Intel, поэтому выбор всегда остается за пользователем.

Просто у AMD есть одно неоспоримое преимущество - это цена. И один недостаток - процессоры от AMD не столь конструктивно надёжны и немного горячее.

У Intel тоже есть преимущество - процессоры более конструктивно надёжны и стабильны, а также менее горячие. Недостаток - цена выше, чем у конкурента.

Судя по нынешним тестам игровая производительность процессоров между INTEL и AMD имеет такой вид:




Подведём итоги:

Значит, чтобы купить максимально производительный игровой процессор для компьютера, нужно выбрать процессор с:
1) наиболее новой архитектурой;
2) максимальной частотой ядра (желательно от 3 ГГц и выше);
3) максимальным размером кэша L2/L3;
4) большим набором доступных инструкций;
5) минимальным технологическим процессом изготовления.

После прочтения этой статьи, я думаю, каждый сможет определится с тем, какой процессор купить ему для своего компьютера.
Купить процессоры за большие деньги можно всегда, но если на компьютере будут выполняться только бытовые задачи, не требующие большой вычислительной мощности - деньги будут потрачены впустую.

Я рассказал, почему рост частоты процессоров застопорился на нескольких гигагерцах. Теперь же поговорим о том, почему развитие числа ядер в пользовательских процессорах также идет крайне медленно: так, первый честный двухядерный процессор (где оба ядра были в одном кристалле), построенный на архитектуре x86, появился аж в 2006 году, 12 лет назад - это была линейка Intel Core Duo. И с тех пор 2-ядерные процессоры с арены не уходят, более того - активно развиваются: так, буквально на днях вышел ноутбук Lenovo с процессором, построенном на новейшем (для архитектуры x86) 10 нм техпроцессе. И да, как вы уже догадались, этот процессор имеет ровно 2 ядра.

Для пользовательских процессоров число ядер застопорилось на 6 еще с 2010 года, с выходом линейки AMD Phenom X6 - да, AMD FX не были честными 8-ядерными процессорами (там было 4 APU), равно как и Ryzen 7 представляет собой два блока по 4 ядра, расположенные бок о бок на кристалле. И тут, разумеется, возникает вопрос - а почему так? Ведь те же видеокарты, будучи в 1995-6 годах по сути «одноголовыми» (то есть имевшими 1 шейдер), сумели к текущему времени нарастить их число до нескольких тысяч - так, в Nvidia Titan V их аж 5120! При этом за гораздо больший срок развития архитектуры x86 пользовательские процессоры остановились на честных 6 ядрах на кристалле, а CPU для высокопроизводительных ПК - на 18, то есть на пару порядков меньше, чем у видеокарт. Почему? Об этом и поговорим ниже.

Архитектура CPU

Изначально все процессоры Intel x86 строились на архитектуре CISC (Complex Instruction Set Computing, процессоры с полным набором инструкций) - то есть в них реализовано максимальное число инструкций «на все случаи жизни». С одной стороны, это здорово: так, в 90-ые годы CPU отвечал и за рендеринг картинки, и даже за звук (был такой лайфхак - если игра тормозит, то может помочь отключение в ней звука). И даже сейчас процессор является эдаким комбайном, который может все - и это же является и проблемой: распараллелить случайную задачу на несколько ядер - задача не тривиальная. Допустим, с двумя ядрами можно сделать просто: на одно ядро «вешаем» систему и все фоновые задачи, на другое - только приложение. Это сработает всегда, но вот прирост производительности будет далеко не двукратным, так как обычно фоновые процессы требуют существенно меньше ресурсов, чем текущая тяжелая задача.

Слева - схема GPU Nvidia GTX 980 Ti, где видно 2816 CUDA-ядер, объединенных в кластеры. Справа - фотография кристалла процессора AMD Ryzen, где видно 4 больших ядра.

А теперь представим, что у нас не два, а 4 или вообще 8 ядер. Да, в задачах по архивации и другим расчетам распараллеливание работает хорошо (и именно поэтому те же серверные процессоры могут иметь и несколько десятков ядер). Но что если у нас задача со случайным исходом (которых, увы, большинство) - допустим, игра? Ведь тут каждое новое действие зависит всецело от игрока, поэтому «раскидывание» такой нагрузки на несколько ядер - задача не из простых, из-за чего разработчики зачастую «руками» прописывают, чем занимаются ядра: так, к примеру, одно может быть занято только обработкой действий искусственного интеллекта, другое отвечать только за объемный звук, и так далее. Нагрузить таким способом даже 8-ядерный процессор - практически невозможно, что мы и видим на практике.

С видеокартами же все проще: GPU, по сути, занимается расчетами и только ими, причем число разновидностей расчетов ограничено и невелико. Поэтому, во-первых, можно оптимизировать сами вычислительные ядра (у Nvidia они называются CUDA) именно под нужные задачи, а, во-вторых - раз все возможные задачи известны, то процесс их распараллеливания трудностей не вызывает. И в-третьих, управление идет не отдельными шейдерами, а вычислительными модулями, которые включают в себя 64-192 шейдера, поэтому большое число шейдеров проблемой не является.

Энергопотребление

Одной из причин отказа от дальнейшей гонки частот - резкое увеличение энергопотребления. Как я уже объяснял в статье с замедлением роста частоты CPU, тепловыделение процессора пропорционально кубу частоты. Иными словами, если на частоте в 2 ГГц процессор выделяет 100 Вт тепла, что в принципе можно без проблем отвести воздушным кулером, то на 4 ГГц получится уже 800 Вт, что возможно отвести в лучшем случае испарительной камерой с жидким азотом (хотя тут следует учитывать, что формула все же приблизительная, да и в процессоре есть не только вычислительные ядра, но получить порядок цифр с ее помощью вполне можно).

Поэтому рост вширь был отличным выходом: так, грубо говоря, двухядерный 2 ГГц процессор будет потреблять 200 Вт, а вот одноядерный 3 ГГц - почти 340, то есть выигрыш по тепловыделению больше чем на 50%, при этом в задачах с хорошей оптимизацией под многопоточность низкочастотный двухядерный CPU будет все же быстрее высокочастотного одноядерного.


Пример испарительной камеры с жидким азотом для охлаждения экстремально разогнанных CPU.

Казалось бы - это золотое дно, быстро делаем 10-ядерный процессор с частотой в 1 ГГц, который будет выделять лишь на 25% больше тепла, чем одноядерный CPU с 2 ГГц (если 2 ГГц процессор выделяет 100 Вт тепла, то 1 ГГц - всего 12.5 Вт, 10 ядер - около 125 Вт). Но тут мы быстро упираемся в то, что далеко не все задачи хорошо распараллеливаются, поэтому на практике зачастую будет получаться так, что гораздо более дешевый в производстве одноядерный CPU с 2 ГГц будет существенно быстрее гораздо более дорогого 10-ядерного, но с 1 ГГц. Но все же такие процессоры есть - в серверном сегменте, где проблем с распараллеливанием задач нет, и 40-60 ядерный CPU с частотами в 1.5 ГГц зачастую оказывается в разы быстрее 8-10 ядерных процессоров с частотами под 4 ГГц, выделяя при этом сравнимое количество тепла.

Поэтому производителям CPU приходится следить за тем, чтобы при росте ядер не страдала однопоточная производительность, а с учетом того, что предел отвода тепла в обычном домашнем ПК был «нащупан» уже достаточно давно (это около 60-100 Вт) - способов увеличения числа ядер при такой же одноядерной производительности и таком же тепловыделении всего два: это или оптимизировать саму архитектуру процессора, увеличивая его производительность за такт, или же уменьшать техпроцесс. Но, увы, и то и другое идет все медленнее: за более чем 30 лет существования x86 процессоров «отполировано» уже почти все, что можно, поэтому прирост идет в лучшем случае 5% за поколение, а уменьшение техпроцесса дается все труднее из-за фундаментальных проблем создания корректно функционирующих транзисторов (при размерах в десяток нанометров уже начинают сказываться квантовые эффекты, трудно изготовить подходящий лазер, и т.д.) - поэтому, увы, увеличивать число ядер все сложнее.

Размер кристалла

Если мы посмотрим на площадь кристаллов процессоров лет 15 назад, то увидим, что она составляет всего около 100-150 квадратных миллиметров. Около 5-7 лет назад чипы «доросли» до 300-400 кв мм и... процесс практически остановился. Почему? Все просто - во-первых, производить гигантские кристаллы очень сложно, из-за чего резко возрастает количество брака, а, значит, и конечная стоимость CPU.

Во-вторых, возрастает хрупкость: большой кристалл может очень легко расколоть, к тому же разные его края могут греться по-разному, из-за чего опять же может произойти его физическое повреждение.


Сравнение кристаллов Intel Pentium 3 и Core i9.

Ну и в-третьих - скорость света также вносит свое ограничение: да, она хоть и велика, но не бесконечна, и с большими кристаллами это может вносить задержку, а то и вовсе сделать работу процессора невозможной.

В итоге максимальный размер кристалла остановился где-то на 500 кв мм, и вряд ли уже будет расти - поэтому чтобы увеличивать число ядер, нужно уменьшать их размеры. Казалось бы - та же Nvidia или AMD смогли это сделать, и их GPU имеют тысячи шейдеров. Но тут следует понимать, что шейдеры полноценными ядрами не являются - к примеру, они не имеют собственного кэша, а только общий, плюс «заточка» под определенные задачи позволила «выкинуть» из них все лишнее, что опять же сказалось на их размере. А CPU же не только имеет полноценные ядра с собственным кэшем, но зачастую на этом же кристалле расположена и графика, и различные контроллеры - так что в итоге опять же чуть ли не единственные способы увеличения числа ядер при том же размере кристалла - это все та же оптимизация и все то же уменьшение техпроцесса, а они, как я уже писал, идут медленно.

Оптимизация работы

Представим, что у нас есть коллектив людей, выполняющих различные задачи, некоторые из которых требуют работы нескольких человек одновременно. Если людей в нем двое - они смогут договориться и эффективно работать. Четверо - уже сложнее, но тоже работа будет достаточно эффективной. А если людей 10, а то и 20? Тут уже нужно какое-то средство связи между ними, в противном случае в работе будут встречаться «перекосы», когда кто-то будет ничем не занят. В процессорах от Intel таким средством связи является кольцевая шина, которая связывает все ядра и позволяет им обмениваться информацией между собой.

Но даже и это не помогает: так, при одинаковых частотах 10-ядерный и 18-ядерный процессоры от Intel поколения Skylake-X различаются по производительности всего на 25-30%, хотя должны в теории аж на 80%. Причина как раз в шине - какой бы хорошей она не была, все равно будут возникать задержки и простои, и чем больше ядер - тем хуже будет ситуация. Но почему тогда таких проблем нет в видеокартах? Все просто - если ядра процессора можно представить людьми, которые могут выполнять различные задачи, то вычислительные блоки видеокарт - это скорее роботы на конвейере, которые могут выполнять только определенные инструкции. Им по сути «договариваться» не нужно - поэтому при росте их количества эффективность падает медленнее: так, разница в CUDA между 1080 (2560 штук) и 1080 Ti (3584 штуки) - 40%, на практике же около 25-35%, то есть потери существенно меньше.


Чем больше ядер, тем хуже они работают вместе, вплоть до нулевого прироста производительности при увеличении числа ядер.

Поэтому число ядер особого смысла наращивать нет - прирост от каждого нового ядра будет все ниже. Причем решить эту проблему достаточно трудно - нужно разработать такую шину, которая позволяла бы передавать данные между любыми двумя ядрами с одинаковой задержкой. Лучше всего в таком случае подходит топология звезда - когда все ядра должны быть соединены с концентратором, но на деле такой реализации еще никто не сделал.

Так что в итоге, как видим, что наращивание частоты, что наращивание числа ядер - задача достаточно сложная, а игра при этом зачастую не стоит свеч. И в ближайшем будущем вряд ли что-то серьезно изменится, так как ничего лучше кремниевых кристаллов пока еще не придумали.