Логическое ядро процессора что это

Логические процессоры что это?

Всем привет. Поговорим мы сегодня о таком как логические процессоры, узнаем что к чему. Значит логические процессоры это никакие не процессоры, и даже не ядра, это только потоки процессора. То есть еще раз — логические процессоры это не процессоры, не ядра, а только потоки. Одно ядро может иметь два потока, и вот в Windows эти потоки почему-то назвали логическими процессорами

Ну а теперь немного об этом всем поподробнее. Значит как я уже написал, одно ядро может иметь два потока. Если вообще эти потоки есть в процессоре, а их может не быть. Вот например взять процессоры Intel, раньше было как? Core i3 имел 2 ядра и 4 потока, i5 имел просто 4 ядра, а i7 имел 4 ядра и 8 потоков. Но это было раньше, теперь уже все смешалось, теперь у i3 идет 4 ядра, у i5 идет 6 ядер, а у i7 тоже 6 ядер но и при этом есть еще потоки, в итоге 12 потоков.. но это все я имею ввиду поколение процессоров Coffee Lake, и вообще это уже совсем другая история ребята…

Если потоки процессором поддерживаются, то знайте что на 1 ядро идет 2 потока. То есть сколько бы не было ядер, потоков будет в два раза больше. Ну так было всегда и наверно будет. Если потоки процессор не поддерживает, то 1 ядро будет иметь 1 поток, то есть ничего сверхьестественного не будет.

А вот у AMD вроде как потоки появились только недавно.. пришли они с серией Ryzen, но это так.. как бэ.. просто раньше у AMD были процессоры серии FX, и там как бы не было потоков, но вот в сети много говорили, что на самом деле то что AMD раньше считала ядрами, то у Intel считалось потоками. Вообще если брать производительность на ядро, то AMD раньше сильно проигрывала, но вот с серией Ryzen все изменилось.. но это тоже совсем другая история уже…

Ну а теперь посмотрим картинки, вот диспетчер задач где эти потоки и отображаются (вкладка Производительность, раздел ЦП):

Тут же в разделе ЦП есть шкала, которая показывает загрузку проца, и тут можно выбрать или чтобы показывалась общая загрузка или по отдельности, то есть по потокам. Собственно на этой картинке все понятно без слов:

Чтобы выбрать как показывать, то нужно нажать правой кнопкой по графику ну и выбрать.

Чтобы узнать так бы сказать максимум инфы, то есть узнать и потоки и количество ядер.. хотя все это и написано в диспетчере, но вот чтобы вообще много чего узнать о своем проце, то советую прогу CPU-Z — она бесплатная и маленькая:

Как видите то там внизу указано и количество ядер (Core) и количество потоков (Threads).

Вообще у Intel за потоки отвечает технология Hyper-Threading. Эта технология была еще давно, ну в Pentium 4 например она была уже. Но теперь конечно технологию уже прилично допилили и с потоками процессор как бэ все таки мощнее, чем без. Просто гуляет в интернете мнение, что потоки не особо повышают производительность. Но мое мнение что повышают, конечно это не полноценные ядра, но все же. Вот кстати картинка по поводу этой технологии:

А вы знаете что есть такой процессор серверный Xeon E5-2683 v3 с частотой 2 ГГц.. ну да.. частота не оч высокая, но у него 14 ядер, 28 потоков! Вот это да, ну и дела! Но это еще не все, есть серверные платы и там можно ставить.. как раз два процессора, не логических, а настоящие два процессора! И вот как это добро выглядит в диспетчере задач Windows 10:

28 ядер и 56 потоков, ну просто бомба! Даже не смотря на невысокую частоту, я думаю что все равно этот процессор мощный, ну а два их.. то вообще.. тоже хотел бы комп с двумя такими процессорами.

Ребята, а тут я еще такое нашел.. это просто нереальное что-то.. Короче смотрите.. я даже не знаю как это написать. Я просто напишу а вы прочтите молча.. Значит смотрите — 1 терабайт оперативки, 8 физических процессоров.. 160 логических процессоров.. вы себе это можете представить? 160 логических процессоров, даже если это все потоки, то реально будет 80 ядер.. и каждое из низ по 2.4 ГГц.. да, частота небольшая, но 80 ядер и все это я увидел вот тут:

Да, разумеется это не простой комп, это серверный. Но все равно.. мощь просто нереальная.. Правда наверно и света такой комп кушает прилично. Думаю что не меньше киловата, а то может и все два.. а два киловата это ребята прилично.. ну как чайник, только тут комп работает постоянно…

Кстати то гнездо куда ставится процессор, то оно называется сокет. Ну это так, просто вам на заметку.

Ну и бонус.. у вас есть потоки? Или несколько ядер? Знаете как сделать так, чтобы прога работала только на одном ядре или одном потоке, ну или на нескольких.. в общем идете в диспетчер, нажимаете по процессу правой кнопкой, выбираете там пункт Задать сходство:

И тут галочками отмечаете те ядра, на которых будет работать процесс:

Но вот как понять где тут ядра, а где потоки.. не знаю.. Хотя если подумать логически — 1 ядро имеет 2 потока. И смотрите, если у вас в процессоре 4 ядра и 8 потоков, то.. в окошке Соответствие процессоров если будет 4 пункта — значит это только ядра. Если 8 — значит это только потоки, не ядра и потоки, а только потоки. Ну и исходя из этого вы уже выбираете — 1 поток будет слабее одного ядра, а 2 потока уже чуть производительнее. Надеюсь вы поняли что я тут хотел вам сказать.

На этом все ребята, удачи вам и пусть у вас все будет хорошо, берегите себя!

Процессоры, ядра и потоки. Топология систем

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.

Используемая далее терминология используется в документации процессорам Intel. Другие архитектуры могут иметь другие названия для похожих понятий. Там, где они мне известны, я буду их упоминать.

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).

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 предыдущую 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

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 [2]:

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 [2], 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[31:0] 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[5:0] (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[15:8].

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 [3, 4].

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:

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

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

Также их предоставляет консольная утилита Sysinternals Coreinfo и API вызов GetLogicalProcessorInformation.

Полная картина

Проиллюстрирую ещё раз отношения между понятиями «процессор», «ядро», «гиперпоток» и «логический процессор» на нескольких примерах.

Система (2, 2, 2)

Система (2, 4, 1)

Система (4, 1, 1)

Прочие вопросы

В этот раздел я вынес некоторые курьёзы, возникающие из-за многоуровневой организации логических процессоров.

Как я уже упоминал, кэши в процессоре тоже образуют иерархию, и она довольно сильно связано с топологией ядер, однако не определяется ей однозначно. Для определения того, какие кэши для каких логических процессоров общие, а какие нет, используется вывод CPUID.4 и её подлистов.

Лицензирование

Некоторые программные продукты поставляются числом лицензий, определяемых количеством процессоров в системе, на которой они будут использоваться. Другие — числом ядер в системе. Наконец, для определения числа лицензий число процессоров может умножаться на дробный «core factor», зависящий от типа процессора!

Виртуализация

Системы виртуализации, способные моделировать многоядерные системы, могут назначить виртуальным процессорам внутри машины произвольную топологию, не совпадающую с конфигурацией реальной аппаратуры. Так, внутри хозяйской системы (1, 2, 2) некоторые известные системы виртуализации по умолчанию выносят все логические процессоры на верхний уровень, т.е. создают конфигурацию (4, 1, 1). В сочетании с особенностями лицензирования, зависящими от топологии, это может порождать забавные эффекты.

Влияние количества ядер на производительность процессора

Отвечая на вопрос, на что влияет количество ядер в процессоре, хочется сразу сказать – на производительность компьютера. Но это настолько сильное упрощение, что оно даже в какой-то момент становится ошибкой. Ладно бы пользователи просто заблуждались и ничего не теряли. Проблема в том, что неправильное понимание сути многоядерности приводит к финансовым потерям. Пытаясь увеличить производительность, человек тратит деньги на процессор с большим количеством ядер, но не замечает разницы.

Ядра центрального процессора

Ядро – это основная составляющая ЦП. Именно здесь производятся все операции и вычисления. Если ядер несколько, то они «общаются» между собой и с другими компонентами системы посредством шины данных. Количество таких «кирпичиков», в зависимости от поставленной задачи, влияет на общую производительность процессора. В целом, чем их больше, тем выше скорость обработки информации, но на деле имеются условия, при которых многоядерные CPU уступают своим менее «упакованным» собратьям.

Физические и логические ядра

Многие процессоры Intel, а с недавнего времени и AMD, способны производить расчеты так, что одно физическое ядро оперирует двумя потоками вычислений. Эти потоки называются логическими ядрами. Например, мы можем увидеть в CPU-Z вот такие характеристики:

Отвечает за это технология Hyper Threading (HT) у Intel или Simultaneous Multithreading (SMT) у AMD. Здесь важно понять, что добавленное логическое ядро будет медленнее физического, то есть полноценный четырехъядерный ЦП мощнее двухъядерного того же поколения с HT или SMT в одних и тех же приложениях.

Игровые приложения построены таким образом, что вместе с видеокартой над расчетом мира трудится и центральный процессор. Чем сложнее физика объектов, чем их больше, тем выше нагрузка, и более мощный «камень» лучше справится с работой. Но не стоит спешить покупать многоядерного монстра, так как игры бывают разные.

Старые проекты, разработанные примерно до 2015 года, в основном не могут загрузить больше 1 – 2 ядер из-за особенностей кода, написанного разработчиками. В этом случае предпочтительнее иметь двухъядерный процессор с высокой частотой, чем восьмиядерный с низкими мегагерцами. Это лишь пример, на практике современные многоядерные ЦП имеют довольно высокую производительность на ядро и в устаревших играх работают хорошо.

Одной из первых игр, код которой способен выполняться на нескольких (4 и более) ядрах, загружая их равномерно, стала GTA 5, выпущенная на ПК в 2015 году. С тех пор большинство проектов можно считать многопоточными. Это значит, что у многоядерного процессора есть шанс не отстать от своего высокочастотного коллеги.

В зависимости от того, насколько хорошо игра способна использовать вычислительные потоки, многоядерность может быть как плюсом, так и минусом. На момент написания данного материала «игровыми» можно считать CPU, имеющие от 4 ядер, лучше с гиперпоточностью (см. выше). Впрочем, тенденция такова, что разработчики все более оптимизируют код под параллельные вычисления, и малоядерные модели скоро безнадежно устареют.

Программы

Здесь все немного проще, чем с играми, так как мы можем подобрать «камень» для работы в конкретной программе или пакете. Рабочие приложения также бывают однопоточными и многопоточными. Первым нужна высокая производительность на ядро, а вторым большое количество вычислительных потоков. Например, с рендерингом видео или 3D сцен лучше справится многоядерный «проц», а Фотошопу необходимо 1 – 2 мощных ядра.

Операционная система

Количество ядер влияет на быстродействие ОС только в том случае, если равняется 1. В остальных случаях системные процессы не нагружают процессор настолько, чтобы были задействованы все ресурсы. Мы сейчас не говорим о вирусах или сбоях, способных «положить на лопатки» любой «камень», а о штатной работе. Впрочем, вместе с системой может быть запущено много фоновых программ, которые также потребляют процессорное время и дополнительные ядра не будут лишними.

Универсальные решения

Сразу отметим, что многозадачных процессоров не бывает. Есть только модели, способные показывать неплохие результаты во всех приложениях. В качестве примера можно привести шестиядерные CPU с высокой частотой i7 8700, Ryzen R5 2600 (1600) или более пожилые аналогичные «камни», но даже они не могут претендовать на универсальность, если вы параллельно с играми активно работаете с видео и 3D или занимаетесь стримингом.

Заключение

Резюмируя все написанное выше, можно сделать следующий вывод: количество ядер процессора — это характеристика, показывающая общую вычислительную мощность, а вот, каким образом она будет использоваться, зависит от приложения. Для игр вполне сгодится четырехъядерная модель, а для высокоресурсных программ лучше выбрать «камень» с большим количеством потоков.

Отблагодарите автора, поделитесь статьей в социальных сетях.

Теперь стоит сказать про AMD. Список «камушков» от данной компании огромен, смысла перечислять все нет, поскольку большинство из моделей уже попросту устарели. Стоит, пожалуй, отметить новое поколение, которое в некотором смысле «копирует» «Интел» — Ryzen. В данной линейке также присутствуют модели с номерами 3, 5 и 7. Главное отличие от «синих» у Ryzen заключается в том, что самая младшая модель уже сразу предоставляет полноценные 4 ядра, а у старшей их не 6, а целых восемь. Кроме этого, и количество потоков меняется. Ryzen 3 — 4 потока, Ryzen 5 — 8-12 (в зависимости от кол-ва ядер — 4 или 6) и Ryzen 7 — 16 потоков.

Стоит упомянуть и о еще одной линейке «красных» — FX, которая появилась в 2012 году, и, по сути, данная платформа уже считается устаревшей, но благодаря тому, что сейчас все больше и больше программ и игр начинает поддерживать многопоточность, линейка Vishera вновь обрела популярность, которая наряду с низкими ценами только растет.

Ну а что касается споров касательно частоты процессора и количества ядер, то, по сути, правильнее смотреть в сторону второго, поскольку с тактовыми частотами уже давно все определились, и даже топовые модели от «Интел» работают на номинальных 2. 7, 2. 8, 3 Ггц. Помимо этого, частоту всегда можно поднять при помощи оверклокинга, но в случае с двухъядерником это не даст особого эффекта.

Влияние количества ядер на производительность

Увеличение производительности на многоядерном процессоре достигается за счет разбиения выполнения задач. Любая современная система делит процесс на несколько потоков даже на одноядерном процессоре – так достигается та самая многозадачность, при которой вы можете, например, слушать музыку, набирать документ и работать с браузером. Очень любят и постоянно используют многопоточность следующие приложения:

• архиваторы;
• медиапроигрыватели;
• кодировщики видео;
• дефрагментаторы;
• антивирусы;
• графические редакторы.

Важен принцип разделения потоков. Если компьютер работает на одноядерном процессоре без технологии Hyper-Threading, то операционная система производит моментальные переключения между потоками, так что для пользователя процессы визуально выполняются одновременно. Все действия выполняются в течение миллисекунд, поэтому вы не видите серьезную задержку, если не нагружаете сильно ЦП.

Смотрите также:

Если же процессор многоядерный (или поддерживает многопоточность), то в идеале переключений не будет. Система посылает на каждое ядро отдельный поток. В результате увеличивается производительность, потому что нет необходимости переключаться на выполнение другой задачи.

Но есть еще один важный фактор – поддерживает ли сама программа многозадачность? Система может разделить процессы на разные потоки. Однако если вы запускаете очень требовательную игру, но она не оптимизирована под работу с четырьмя ядрами, но никакого прироста производительности по сравнению с двухъядерным процессором не будет.

Разработчики игр и программ в курсе об этой особенности, поэтому постоянно оптимизируют код под выполнение задач на многоядерных процессорах. Но эта оптимизация не всегда успевает за увеличением количества ядер, поэтому не стоит тратить огромные деньги на самые новые мощные процессоры с максимально возможным числом поддерживаемых потоков – потенциал чипа не будет раскрываться в 9 программах из 10.

Многоядерность и многопоточность

Когда мы изучали вопрос, как узнать количество ядер, то обратили внимание на особенность процессоров Intel – в стандартных инструментах Windows отображается разное число ядер. Это обусловлено работой технологии Hyper-Threading, которая обеспечивает многопоточность.

Чтобы вы больше не путались в понятиях, разберемся раз и навсегда:

• Многоядерность – чип оснащен несколькими физическими архитектурными ядрами. Их можно увидеть, потрогать руками.
• Многопоточность – несколько одновременно обрабатываемых потоков информации. Ядро может быть физически одно, но программные технологии на его основе создают два потока выполнения задач; два ядра – четыре потока и т.д.

Так сколько ядер выбирать?

Прежде чем покупать процессор с 16 ядрами, подумайте, потребуется ли такое количество потоков для выполнения задач, которые вы будете ставить перед компьютером.

• Если компьютер приобретается для работы с документами, серфинга в интернете, прослушивания музыки, просмотра фильмов, то хватит двух ядер. Если взять процессор с двумя ядрами из верхнего ценового сегмента с хорошей частотой и поддержкой многопоточности, то не будет проблем при работе с графическими редакторами.
• Если вы покупаете машину с расчетом на мощную игровую производительность, то сразу ставьте фильтр на 4 ядра минимум. 8 ядер с поддержкой многопоточности – самый топ с запасом на несколько лет. 16 ядер – перспективно, но велика вероятность, что пока вы раскроете потенциал такого чипа, он устареет.

Как я уже говорил, разработчики игр и программ стараются не отставать от прогресса процессоров, но пока огромные мощности просто не нужны. 16 ядер подойдут пользователям, которые занимаются рендерингом видео или серверными вычислениями. Да, в магазинах такие процессоры называют игровыми, но это только для того, чтобы они продавались – геймеров вокруг точно больше, чем тех, кто рендерит видео.

Преимущества многоядерности можно заметить только при очень серьезной вычислительной работе в несколько потоков. Если, условно, игра или программа оптимизирована только под четыре потока, то даже ваши восемь ядер будут бессмысленной мощностью, которая никак не повлияет на производительность.

Это как перевозить стул на огромной грузовой машине – задача от этого не выполняется быстрее. Но если правильно использовать имеющиеся возможности (например, загрузить кузов полностью другой мебелью), то производительность труда увеличится. Помните об этом и не ведитесь на маркетинговые штучки с добавлением слова «игровой» к процессорам, которые даже на самых последних играх не раскроют весь свой потенциал.

Сколько тебе нужно ядер для игр?

Проблема XXI века – выбор количества ядер в процессоре. Производительность моделей от Intel и AMD отличается по многим параметрам и в разных задачах. Где-то в приоритете большее количество ядер, где-то производительность на ядро и высокая частота. Мы народ простой – играем в игры. Сколько же ядер выбрать нам?

Про ядра.

Совсем недавно, все компьютерные игры могли пользоваться только одним физическим ядром, установка двухъядерного процессора во многом ничего не давала. С течением времени, производители игр научились использовать большое количество ядер, что положительно сказалась на игровой производительности.

Из таблицы следует, что производительность многопоточного двухъядерного процессора практически сопоставима с полноценным четырехъядерным. Так процессор i3 седьмого поколения с 4-мя логическими потоками в играх оказался быстрее, чем i5 шестого поколения с полноценными 4-мя ядрами. Дальнейший же рост количества ядер и потоков не приносит каких-либо существенных результатов.

Основные характеристики процессоров для ноутбука: на что нужно обратить внимание

Подбирать ЦПУ необходимо, учитывая цель использования лэптопа. Для офисных задач и онлайн-серфинга — одни требования, а для игр, работы с видеоконтентом и графикой — другие.

В первую очередь следует смотреть на эти 6 параметров:

1. Сокет.
2. Производитель.
3. Сколько ядер.
4. На какой частоте работает.
5. Энергосбережение.
6. Встроенная графика.

Все эти критерии рассматриваются в следующих разделах.

Совет: не помешает учитывать и показатель тепловыделения (TDP): чем он меньше — тем лучше. Также стоит присмотреться к объему кэша — памяти для обмена информацией процессорного устройства с ОЗУ ноутбука: чем он больше, тем лучше.

Из чего состоит центральный процессор?

Центральный процессор часто называют «мозгом» компьютера, ведь он, как и человеческий мозг, состоит из нескольких частей, собранных воедино для работы над информацией. Среди них есть те, что отвечают за прием информации, ее хранение, обработку и вывод. В этой статье портал TechSpot разбирает все ключевые элементы процессора, за счет которых и работают ваши компьютеры.

Этот текст входит в серию статей, в которых тщательно разбирается работа ключевых компонентов компьютера. Кроме того, если вы заинтересовались темой, рекомендуем ознакомиться с переводами статей серии «Как разрабатываются и создаются процессоры?».

В этой статье будут затронуты как основы работы процессоров, так и более сложные понятия. К сожалению, без некоторой абстрактности не обойтись, но на это есть свои причины. К примеру, если взглянуть на блок питания, можно легко рассмотреть все его части — от конденсаторов до транзисторов, однако в случае с процессорами все не так просто, ведь мы физически не можем разглядеть все микросхемы, а Intel и AMD не спешат делиться подробностями работы своей продукции с широкой публикой. Тем не менее, информация, представленная в статье, применима к подавляющему большинству современных процессоров.

Итак, приступим. Любому вычислительному устройству нужно нечто наподобие центрального процессора. По сути, программист пишет код для выполнения собственных целей, а затем процессор выполняет его для получения необходимого результата. Процессор также подключен к другим частям системы, вроде памяти и устройств ввода/вывода, чтобы обеспечить загрузку необходимых данных, но в этой статье мы не будем акцентировать на них внимание.

Фундамент любого процессора: архитектура набора команд

Первое, на что натыкаешься при разборе любого процессора — это на архитектуру набора команд (ISA). Архитектура является чем-то вроде фундамента работы процессора и именно от нее зависит то, как он работает и как все внутренние системы взаимодействуют друг с другом. Существует огромное количество архитектур, но самыми распространенными являются x86 (преимущественно в стационарных компьютерах и ноутбуках) и ARM (в мобильных устройствах и встроенных системах).

Чуть менее распространенными и более нишевыми являются MIPS, RISC-V и PowerPC. Архитектура набора отвечает за ряд основных вещей: какие инструкции процессор может обрабатывать, как он взаимодействует с памятью и кэшем, как задача распределяется по нескольким этапам обработки и др.

Чтобы лучше понять устройство процессора, разберем его элементы в том порядке, по которому выполняются команды. Различные типы инструкций могут следовать разными путями и использовать разные компоненты ЦП, поэтому здесь они будут обобщены, чтобы охватить максимум. Начнем с базового дизайна одноядерных процессоров и постепенно будем переходить к более продвинутым и сложным экземплярам.

Блок управления и исполнительный тракт

Элементы процессора можно разделить на два основных: блок управления (он же — управляющий автомат) и исполнительный тракт (он же — операционный автомат). Говоря простым языком, процессор — это поезд, в котором машинист (управляющий автомат) управляет различными элементами двигателя (операционного автомата).

Исполнительный тракт подобен двигателю и, как следует из названия, это путь, по которому данные передаются при их обработке. Он получает входные данные, обрабатывает их и отправляет в нужное место после завершения операции. Блок управления, в свою очередь, направляет этот поток данных. В зависимости от инструкции, исполнительный тракт будет направлять сигналы к различным компонентам процессора, включать и выключать различные части пути, а также отслеживать состояние всего процессора.

Блок-схема работы базового процессора. Черными линиями отображен поток данных, а красными — поток команд.

Цикл выполнения команд — Выборка

Первое, что должен сделать процессор — определить, какие команды необходимо выполнить следующими, а затем переместить их из памяти в блок управления. Команды создаются компилятором и зависят от архитектуры набора (ISA). Наиболее распространенные типы базовых инструкций (например, «загрузка», «хранение», «сложение», «вычитание» и др.) общие для всех ISA, но существует множество дополнительных, специальных типов команд, уникальных для конкретной архитектуры набора. Блок управления знает, какие сигналы и куда нужно направить для выполнения определенного типа команды.

К примеру, при запуске .exe файла в Windows, код этой программы отправляется в память и процессор получает адрес, с которого начинается первая команда. Процессор всегда поддерживает внутренний реестр, отслеживающий откуда должна будет выполняться следующая команда. Этот реестр называется счетчиком команд.

После того, как процессор определил точку, с которой нужно начинать цикл, происходит перемещение команды из памяти в вышеупомянутый реестр — этот процесс называется выборкой команды. По-хорошему, команда, скорее всего, уже находится в кэше процессора, но этот вопрос будет рассмотрен чуть позже.

Цикл выполнения команд — Декодирование

Когда процессор получает команду, ему нужно точно определить тип этой команды. Данный процесс называется декодированием. Каждая команда обладает особым набором битов, опкодом, который дает возможность процессору распознать ее тип. Примерно по тому же принципу работает распознавание компьютером различных расширений файлов. К примеру, .jpg и .png — форматы изображений, но каждый из них обрабатывает данные по-разному, поэтому компьютеру и нужно точно распознавать их тип.

Стоит отметить, что сложность декодирования может зависеть от того, насколько продвинутой является архитектура набора команд процессора. У архитектуры RISC-V, к примеру, несколько десятков команд, а у x86 — несколько тысяч. У типичного процессора Intel x86 процесс декодирования является одним из сложнейших и занимает огромное количество памяти. Чаще всего процессоры декодируют команды, связанные с памятью, арифметическими вычислениями и переходом.

3 основных типа команд

Команда памяти может представлять собой нечто вроде «прочтите значение из адреса памяти 1234 вместо значения А» или «запишите значение Б в адрес памяти 5678». Арифметические команды имеют вид в духе «добавьте значение А к значению Б и сохраните результат в значении В». Инструкции перехода, в свою очередь, похожи на «выполните этот код, если значение В положительное, или выполните другой код, если значение В отрицательное». Зачастую в программах используется цепочка сразу из нескольких вышеупомянутых примеров, из-за чего конечный результат выглядит примерно так: «добавьте значение адреса памяти 1234 к значению адреса памяти 5678 и сохраните его в адресе памяти 4321, если результат положительный, либо в адрес 8765, если результат отрицательный».

Перед тем, как перейти к выполнению декодированной команды, давайте уделим немного внимания регистрам.

Регистрами называются немногочисленные, но крайне быстрые фрагменты памяти процессора. У 64-битных процессоров каждый из них вмещает 64 бита, а всего их может быть несколько десятков на одно ядро. Регистры используются для хранения используемых в данный момент значений и их можно считать чем-то вроде кэша нулевого уровня. В приведенных выше примерах команд значения А, Б и В будут сохранены именно в регистре.

Арифметико-логическое устройство

Вернемся к этапу выполнения команд. Сразу отметим, что он отличается для всех трех вышеупомянутых типов команд, поэтому давайте рассмотрим каждый их них.

Самыми простыми для понимания являются арифметические команды. Эти команды отправляются в арифметическо-логическое устройство (ALU) для последующей обработки. Устройство представляет собой цепь, которая чаще всего работает с двумя значениями, отмеченными сигналом, и выдает результат.

Представьте себе обычный калькулятор. Для любого вычисления вы вводите значения, выбираете необходимую арифметическую операцию и получаете результат. Арифметическо-логическое устройство (ALU) работает по похожему принципу. Тип операции зависит от опкода команды, который управляющий автомат отправляет в ALU и которое в дополнение к базовой арифметике может производить со значениями такие битовые операции, как AND, OR, NOT и XOR. Кроме того, арифметическо-логическое устройство выводит информацию о проведенном вычислении для управляющего автомата (например, оказалось ли оно положительным, отрицательным, равным нулю или вызвало переполнение).

Несмотря на то, что арифметическо-логическое устройство чаще всего связано именно с арифметическими операциями, оно находит свое применение и в инструкциях памяти или перехода. Например, если процессору нужно вычислить адрес памяти, заданный в результате прошлого вычисления, либо в случае необходимости вычислить переход для добавления в счетчик программ, если инструкция того требует (пример: «если предыдущий результат отрицателен, перейти на 20 команд вперед»).

Команды и иерархия памяти

Чтобы лучше понять принцип работы команд, связанных с памятью, стоит обратить внимание на концепцию иерархии памяти — связь между кэшем, оперативной памятью и главным запоминающим устройством. Когда процессор работает с командой памяти, данных о которой у него еще нет в регистре, он будет продвигаться по иерархии памяти, пока не найдет нужную информацию. Большинство современных процессоров имеют три уровня кэша: первый, второй и третий. Сначала процессор проверит наличие необходимых команд в кэше первого уровня — самом маленьком и быстром из всех. Зачастую этот кэш разделен на две части: первая отведена под данные, а вторая — под команды. Помните, команды извлекаются процессором из памяти так же, как и любые другие данные.

Типичный кэш первого уровня может состоять из нескольких сотен килобайт. Если процессор не найдет в нем то, что нужно, то перейдет к проверке кэша второго уровня (размером в несколько мегабайт), а затем — третьего (уже занимающего десятки мегабайт). В случае, если необходимых данных не будет и в кэше третьего уровня, то поиск будет производиться в оперативной памяти, а затем в накопителях. С каждым подобным «шагом», увеличивается не только объем доступных данных, но и задержка.

После того, как процессор нашел необходимые данные, он отправляет их вверх по иерархии памяти для сокращения время поиска, на случай, если они понадобятся в дальнейшем. Для справки: процессор может считывать данные во внутреннем регистре всего за один-два цикла, в кэше первого уровня понадобится немногим больше, в кэше второго уровня уже около десяти, а третьего — несколько десятков циклов. Если приходится задействовать память или накопители, то процессору может понадобятся десятки тысяч, а то и миллионы циклов. В зависимости от системы, у каждого ядра процессора может быть собственный кэш первого уровня, общий с другим ядром кэш второго уровня и кэш третьего уровня у группы из четырех или более ядер. Более подробно речь о многоядерных процессорах пойдет позже.

Команды перехода и ветвления

Последняя из трех основных типов команд — это команда ветвления. Команды современных программ постоянно переходят с одного потока процессов на другой, а это значит, что процессор крайне редко выполняет более дюжины смежных команд без перехода. Команды ветвления происходят от элементов программирования, таких как код IF, FOR и RETURN. Все они используются для прерывания выполнения программы или переключения на другую часть кода. Кроме команд ветвления существуют и команды перехода, которые отличаются от первых тем, что они всегда участвуют в процессе выполнения программы.

Кроме обычных команд перехода, существуют и условные переходы, с которыми процессору работать особенно сложно, поскольку он может выполнять несколько инструкций одновременно и конечный результат всей ветки может быть нельзя определить пока не начата работа над выполнением связанных команд.

Чтобы понять, почему процессору трудно работать с условными переходами, стоит обратить внимание на такое понятие, как вычислительный конвейер. Каждый шаг в выполнении какой-либо команды может занимать несколько циклов, а это значит, что арифметико-логическое устройство могло бы простаивать без дела пока происходит выборка команды. Чтобы максимизировать эффективность вычислительной мощности процессора, каждая стадия разделяется на несколько частей — в процессе, который называется вычислительным конвейером (конвейерной обработкой).

Самой простой аналогией будет процесс стирки. Предположим, что у вас достаточно вещей на две полные загрузки стиральной машины, а стирка и сушка каждой партии занимает по часу. Вы вполне можете загрузить в стиральную машину первую партию вещей, а потом переместить на сушилку, а когда они высохнут — заняться второй партией. Это займет четыре часа. Однако, если вы разделите процесс на этапы и начнете стирку второй партии вещей, пока сушится первая, вы сможете выполнить всю работу за три часа. Сокращение времени зависит от количества загружаемых вещей и количества стиральных/сушильных машин. Для выполнения отдельной загрузки в любом случае понадобится два часа, но в приведенном примере накладывание процессов увеличивает общую пропускную способность с 0,5 загрузки/час до 0,75 загрузки в час.

Графическое представление конвейера, используемого в ядрах процессоров AMD Bobcat (2011). Обратите внимание, как много в нем различных элементов и стадий.

Процессоры используют тот же принцип для повышения пропускной способности команд. Конвейеры современных процессоров на архитектуре ARM или x86 могут использовать свыше 20 стадий вычислительного конвейера, а это значит, что ядро процессора одновременно обрабатывает свыше 20 различных команд. Процессоры могут отличаться по разделению этих стадий под различные нужды, но в одном из примеров, принцип работы которого находится в открытом доступе, имеется 4 цикла для выборки, 6 циклов для декодирования, 3 цикла для выполнения команд и 7 циклов для отправки результатов в память.

Возвращаясь к теме, теперь вы можете понять в чем проблема. Если процессор не определил тип команды до десятого цикла, то он начнет работу уже над 9 новыми командами, которые могут оказаться ненужными, если ветка команд уже не работает. Чтобы этого не происходило, процессоры оборудованы сложным механизмом, который называется модулем предсказателем переходов. По принципу работы этот механизм схож с машинным обучением. Детальное описание работы модуля предсказателя переходов — это тема для отдельной статьи, поэтому придется обойтись довольно простым объяснением: данный механизм отслеживает статус предыдущих переходов, чтобы определить, будет ли задействован следующий переход или нет. Современные предсказатели переходов могут обеспечить точность в 95% и выше.

После того, как точно станет известен результат перехода (т.е. завершился конкретный этап на конвейере), счетчик команд обновится и процессор приступит к выполнению следующей операции. Если же результат не совпал с тем, который предугадал предсказатель команд, процессор сбросит все команды, которые начал выполнять по ошибке, и запустит работу с правильной точки.

Внеочередное исполнение

Теперь, когда вы знаете принцип работы трех наиболее распространенных типов команд, давайте уделим внимание более продвинутыми функциям процессоров. Практически все современные модели ЦП фактически исполняют команды не в порядке их получения. Существует такая функция, как внеочередное исполнение, призванная сократить время простоя процессора во время ожидания завершения остальных команд.

Если процессор понимает, что следующей команде необходимы данные, для поиска которых понадобится больше времени, он может изменить порядок команд, начав работу над не связанной командой, пока происходит поиск. Внеочередное исполнение команд — необычайно полезная, но далеко не единственная вспомогательная функция процессора.

Еще одной крайне полезной особенностью процессора является предвыборка. Если засечь время, необходимое для выполнения случайной инструкции от начала и до конца, то можно обнаружить, что большую часть времени занимает доступ к памяти. Блок предварительной выборки — элемент в ЦП, который рассматривает команды, находящиеся в очереди, и определяет, какие данные им потребуются. Если он замечает, что для операции нужны данные, которые еще не находятся в кэше процессора, то он извлечет их из оперативной памяти и в кэш. Отсюда и его название.

Ускорители и будущее процессоров

Еще одна важная функция, которая все чаще появляется в процессорах — ускорители для конкретных задач. Эти ускорители представляют собой небольшие схемы, главная цель которых — как можно быстрее выполнить определенную задачу. Этой задачей может быть шифрование, кодирование данных или машинное обучение.

Конечно, процессор может делать все это самостоятельно, но созданный конкретно для этой цели блок будет намного более эффективен. Наглядным показателем мощностей ускорителей будет сравнение встроенного графического процессора с дискретной видеокартой. Разумеется, процессор может выполнять вычисления, необходимые для обработки графики, но наличие отдельного блока обеспечивает намного более высокую производительность. С ростом числа ускорителей фактическое ядро центрального процессора может занимать всего лишь небольшую часть чипа.

На первом рисунке снизу изображено устройство процессора Intel, выпущенного более десяти лет назад, где большая часть занята ядрами и кешем, а на втором показан гораздо более современный чип от AMD. Как мы видим, во втором случае большая часть кристалла отведена не под ядра, а под другие компоненты.

Кристалл процессора Intel первого поколения архитектуры Nehalem. Обратите внимание: ядра и кэш занимают подавляющее часть площади.

Кристалл системы на чипе от AMD. Много места отведено под ускорители и внешние интерфейсы.

Многоядерность

Последняя особенность процессоров, которая будет рассмотрена в этой статье — то, как можно объединить несколько отдельных процессоров для получения многоядерного. Это не просто объединение нескольких копий одного ядра, ведь как нельзя просто превратить однопоточную программу в многопоточную, так нельзя и провернуть подобное с процессором. Проблема возникает из-за зависимости ядер.

В случае с четырьмя ядрами процессору необходимо отправлять команды в 4 раза быстрее. Также нужно четыре раздельных интерфейса для памяти. Именно из-за наличия нескольких ядер на одном чипе, потенциально работающих с одними и теми же частями данных, возникает проблема слаженности и согласованности их работы. Предположим, если два ядра обрабатывали команду, использующую одни и те же данные, то как процессор определяет, у которого из них правильное значение? А что, если одно ядро модифицировало данные, но они не успели вовремя дойти до второго ядра? Поскольку у них есть отдельные кэши, в которых могут храниться пересекающиеся данные, для устранения возможных конфликтов необходимо использовать сложные алгоритмы и контроллеры.

Чрезвычайно важную роль в многоядерных процессорах играет и точность прогнозирования переходов. Чем больше в процессоре ядер, тем выше вероятность того, что одной из исполняемых команд будет именно команда перехода, способная в любое время изменить общий поток задач.

Как правило, отдельные ядра обрабатывают команды из разных потоков, тем самым снижая зависимость между ядрами. Поэтому, открыв диспетчер задач, вы чаще всего видите, что загружено лишь одно ядро процессора, а другие едва работают — многие программы попросту изначально не предназначены для многопоточности. Кроме того, могут быть определенные случаи, в которых эффективнее использовать только одно ядро процессора, а не тратить ресурсы на попытки разделить команды.

Физическая оболочка процессора

Несмотря на то, что большая часть этой статьи была посвящена сложным механизмам работы архитектуры процессора, не стоит забывать и о том, что все это должно быть создано и работать в виде реального, физического объекта.

Для того, чтобы синхронизировать работу всех компонентов процессора, используется тактовый сигнал. Современные процессоры обычно работают на частотах от 3.0 ГГц до 5.0 ГГц, и за последнее десятилетие ситуация особо не изменилась. При каждом цикле внутри чипа включаются и выключаются миллиарды транзисторов.

Такты важны для того, чтобы обеспечить идеальную работу каждой стадии вычислительного конвейера. Количество команд, обрабатываемых процессором за каждую секунду, зависит именно от них. Частоту можно увеличить путем разгона, сделав чип быстрее, но это в свою очередь повысит энергопотребление и тепловыделение.

Фото: Michael Dziedzic

Тепловыделение — главный враг процессоров. Когда цифровая электроника нагревается, может начаться разрушение микроскопических транзисторов. Это в свою очередь может привести к повреждению чипа, если тепло не отвести. Чтобы этого не произошло, каждый процессор оборудован термораспределителями. Сам кристалл может занимать всего 20% площади процессора, ведь увеличение площади позволяет более равномерно распределять тепло по радиатору. Кроме того, дополнительно увеличивается количество имеющихся ножек процессора (контактов), предназначенных для взаимодействия с другими компонентами компьютера.

На современных процессорах может располагаться свыше тысячи входных и выходных контактов на задней панели. Мобильный чип может быть оснащен всего несколькими сотнями, поскольку большинство вычислительных элементов расположены уже внутри чипа. Независимо от дизайна, около половины из них предназначены для распределения питания, а остальные — для передачи данных с оперативной памяти, чипсета, накопителей, устройств PCIe и др. Высокопроизводительным процессорам, потребляющим сто и более ампер при полной нагрузке, нужны сотни ножек для равномерного распределения тока. Обычно они покрываются золотом для улучшения проводимости. Стоит отметить, что разные производители располагают ножки по-разному во всей своей многочисленной продукции.

Подытожим на примере

Чтобы подвести итоги, кратко рассмотрим архитектуру процессора Intel Core 2. Это было еще в 2006 году, поэтому некоторые детали могут быть устаревшими, но информации о новых разработках отсутствуют в публичном доступе.

На самом верху располагается кэш команд и буфер ассоциативной трансляции. Буфер помогает процессору определить, где в памяти располагаются необходимые команды. Эти инструкции хранятся в кэше команд первого уровня, а после этого отправляются в предекодер, так как из-за сложностей архитектуры x86 декодирование происходит во множество этапов. Сразу же за ними идет предсказатель переходов и предвыборщик кода, которые снижают вероятность возникновения потенциальных проблем со следующими командами.

Далее команды отправляются в очередь команд. Вспомните, как внеочередное исполнение позволяет процессору выбрать именно ту команду, которую практичнее всего выполнить в конкретный момент из очереди текущих инструкций. После того, как процессор определил нужную команду, та декодируется во множество микроопераций. В то время как команда может содержать сложную для ЦП задачу, микрооперации представляют собой детализированные задачи, которые процессору легче интерпретировать.

Затем эти инструкции попадают в таблицу псевдонимов регистров, переупорядочивающий буфер и станцию резервации. Подробно расписать их принцип работы в одном абзаце, увы, не получится, так как это — информация, которую обычно подают на последних курсах технических вузов. Если в двух словах, то все они используются в процессе внеочередного исполнения для управления зависимостями между командами.

На самом деле, у каждого ядра процессора множество арифметическо-логических устройств и портов памяти. Команды отправляются в станцию резервации, пока не освободится устройство или порт. Затем команда обрабатывается с помощью кэша данных первого уровня, а полученный результат сохраняется для дальнейшего использования, после чего процессор может приступать к следующей задаче. На этом все!

Пусть эта статья и не предназначалась для того, чтобы служить исчерпывающим руководством по тому, как работает каждый из процессоров, она должна дать вам базовое представление об их внутренней работе и сложности. К сожалению, о том, как действительно работают современные процессоры, знают лишь работники Intel и AMD, поэтому информация, описанная в этой статье — лишь вершина айсберга, ведь каждый пункт, описанный в тексте — это результат огромного количества исследований и разработок.

Другие материалы по теме

Если вам хочется узнать больше о том, как создаются различные компоненты, описанные в этом тексте, то настоятельно советуем обратить внимание на вторую часть серии статей «Как разрабатываются и создаются процессоры?». Если же вы больше заинтересованы в том, как производятся физические оболочки процессоров, то вам стоит ознакомиться с третьей статьей той же серии.