Что значит ядерный процессор. Это интересно: экспериментальные многоядерные чипы. Процессоры Intel и AMD

Многоядерные процессоры представляют собой центральные процессоры, в которых содержится более двух вычислительных ядер. Такие ядра могут находиться как в одном корпусе, так и на одном процессорном кристалле.

Что такое многоядерный процессор?

Чаще всего под многоядерными процессорами понимают центральные процессоры, в которых несколько вычислительных ядер интегрированы в одну микросхему (то есть они расположены на одном кристалле кремния).

Обычно тактовая частота в многоядерных процессорах намеренно занижается. Это делают для того, чтобы сократить энергопотребление, сохранив при этом требуемую производительность процессора. Каждое ядро при этом представляет собой полноценный микропроцессор, для которого характерны черты всех современных процессоров - он использует многоуровневый кэш, поддерживает внеочередное исполнение кода и векторные команды.

Hyper-threading

Ядра в многоядерных процессорах могут поддерживать технологию SMT, позволяющую исполнять несколько потоков вычислений и создавать на основе каждого ядра несколько логических процессоров. На процессорах, которые выпускает компания Intel, такая технология называется «Hyper-threading». Благодаря ей можно удваивать число логических процессоров по сравнению с числом физических чипов. В микропроцессорах, поддерживающих эту технологию, каждый физический процессор способен сохранять состояние двух потоков одновременно. Для операционной системы это будет выглядеть, как наличие двух логических процессоров. Если в работе одного из них возникает пауза (например, он ждет получения данных из памяти), другой логический процессор приступает к выполнению собственного потока.

Виды многоядерных процессоров

Многоядерные процессоры подразделяются на несколько видов. Они могут поддерживать использование общей кэш-памяти, а могут не поддерживать. Связь между ядрами реализуется на принципах использования разделяемой шины, сети на каналах точка-точка, сети с коммутатором или использования общего кэша.

Принцип работы

Большинство современных многоядерных процессоров работает по следующей схеме. Если запущенное приложение поддерживает многопоточность, оно может заставлять процессор выполнять несколько заданий одновременно. Например, если в компьютере используется 4-ядерный процессор с тактовой частотой 1.8 ГГц, программа может «загрузить» работой сразу все четыре ядра, при этом суммарная частота процессора будет составлять 7.2 ГГц. Если запущено сразу несколько программ, каждая из них может использовать часть ядер процессора, что тоже приводит к росту производительности компьютера.

Многие операционные системы поддерживают многопоточность, поэтому использование многоядерных процессоров позволяет ускорить работу компьютера даже в случае приложений, которые многопоточность не поддерживают. Если рассматривать работу только одного приложения, то использование многоядерных процессоров будет оправданным лишь в том случае, если это приложение оптимизировано под многопоточность. В противном случае, скорость работы многоядерного процессора не будет отличаться от скорости работы обычного процессора, а иногда он будет работать даже медленнее.

• 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 комментарий 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 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

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.

Наверное, каждый пользователь мало знакомый с компьютером сталкивался с кучей непонятных ему характеристик при выборе центрального процессора: техпроцесс, кэш, сокет; обращался за советом к друзьям и знакомым, компетентным в вопросе компьютерного железа. Давайте разберемся в многообразии всевозможных параметров, потому как процессор – это важнейшая часть вашего ПК, а понимание его характеристик подарит вам уверенность при покупке и дальнейшем использовании.

Центральный процессор

Процессор персонального компьютера представляет собой микросхему, которая отвечает за выполнение любых операций с данными и управляет периферийными устройствами. Он содержится в специальном кремниевом корпусе, называемом кристаллом. Для краткого обозначения используют аббревиатуру — ЦП (центральный процессор) или CPU (от англ. Central Processing Unit – центральное обрабатывающее устройство). На современном рынке компьютерных комплектующих присутствуют две конкурирующие корпорации, Intel и AMD , которые беспрестанно участвуют в гонке за производительность новых процессоров, постоянно совершенствуя технологический процесс.

Техпроцесс

Техпроцесс — это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь, составляют внутреннюю основу ЦП. Суть заключается в том, что постоянное совершенствование методики изготовления позволяет уменьшать размер этих компонентов. В результате на кристалле процессора их размещается гораздо больше. Это способствует улучшению характеристик CPU, поэтому в его параметрах всегда указывают используемый техпроцесс. Например, Intel Core i5-760 выполнен по техпроцессу 45 нм, а Intel Core i5-2500K по 32 нм, исходя из этой информации, можно судить о том, насколько процессор современен и превосходит по производительности своего предшественника, но при выборе необходимо учитывать и ряд других параметров.

Архитектура

Также процессорам свойственно такая характеристика, как архитектура - набор свойств, присущий целому семейству процессоров, как правило, выпускаемому в течение многих лет. Говоря другими словами, архитектура – это их организация или внутренняя конструкция ЦП.

Количество ядер

Ядро – самый главный элемент центрального процессора. Оно представляет собой часть процессора, способное выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. Производители с каждым последующим техпроцессом присваивают им новые имена (к примеру, ядро процессора AMD – Zambezi, а Intel – Lynnfield). С развитием технологий производства процессоров появилась возможность размещать в одном корпусе более одного ядра, что значительно увеличивает производительность CPU и помогает выполнять несколько задач одновременно, а также использовать несколько ядер в работе программ. Многоядерные процессоры смогут быстрее справиться с архивацией, декодированием видео, работой современных видеоигр и т.д. Например, линейки процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad от Intel, в которых используются двухъядерные и четырехъядерные ЦП, соответственно. На данный момент массово доступны процессоры с 2, 3, 4 и 6 ядрами. Их большее количество используется в серверных решениях и не требуется рядовому пользователю ПК.

Частота

Помимо количества ядер на производительность влияет тактовая частота . Значение этой характеристики отражает производительность CPU в количестве тактов (операций) в секунду. Еще одной немаловажной характеристикой является частота шины (FSB – Front Side Bus) демонстрирующая скорость, с которой происходит обмен данных между процессором и периферией компьютера. Тактовая частота пропорциональна частоте шины.

Сокет

Чтобы будущий процессор при апгрейде был совместим с имеющейся материнской платой, необходимо знать его сокет. Сокетом называют разъем , в который устанавливается ЦП на материнскую плату компьютера. Тип сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора. Различные сокеты соответствуют определенным типам CPU, таким образом, каждый разъём допускает установку процессора определённого типа. Компания Intel использует сокет LGA1156, LGA1366 и LGA1155, а AMD — AM2+ и AM3.

Кэш

Кэш - объем памяти с очень большой скоростью доступа, необходимый для ускорения обращения к данным, постоянно находящимся в памяти с меньшей скоростью доступа (оперативной памяти). При выборе процессора, помните, что увеличение размера кэш-памяти положительно влияет на производительность большинства приложений. Кэш центрального процессора различается тремя уровнями (L1, L2 и L3 ), располагаясь непосредственно на ядре процессора. В него попадают данные из оперативной памяти для более высокой скорости обработки. Стоит также учесть, что для многоядерных CPU указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного ядра. Кэш второго уровня выполняет аналогичные функции, отличаясь более низкой скоростью и большим объемом. Если вы предполагаете использовать процессор для ресурсоемких задач, то модель с большим объемом кэша второго уровня будет предпочтительнее, учитывая что для многоядерных процессоров указывается суммарный объем кэша L2. Кэшем L3 комплектуются самые производительные процессоры, такие как AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7, Intel Xeon. Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может достигать 30 Мб.

Энергопотребление

Энергопотребление процессора тесно связано с технологией его производства. С уменьшением нанометров техпроцесса, увеличением количества транзисторов и повышением тактовой частоты процессоров происходит рост потребления электроэнергии CPU. Например, процессоры линейки Core i7 от Intel требуют до 130 и более ватт. Напряжение подающееся на ядро ярко характеризует энергопотребление процессора. Этот параметр особенно важен при выборе ЦП для использования в качестве мультимедиа центра. В современных моделях процессоров используются различные технологии, которые помогают бороться с излишним энергопотреблением: встраиваемые температурные датчики, системы автоматического контроля напряжения и частоты ядер процессора, энергосберегающие режимы при слабой нагрузке на ЦП.

Дополнительные возможности

Современные процессоры приобрели возможности работы в 2-х и 3-х канальных режимах с оперативной памятью, что значительно сказывается на ее производительности, а также поддерживают больший набор инструкций, поднимающий их функциональность на новый уровень. Графические процессоры обрабатывают видео своими силами, тем самым разгружая ЦП, благодаря технологии DXVA (от англ. DirectX Video Acceleration – ускорение видео компонентом DirectX). Компания Intel использует вышеупомянутую технологию Turbo Boost для динамического изменения тактовой частоты центрального процессора. Технология Speed Step управляет энергопотреблением CPU в зависимости от активности процессора, а Intel Virtualization Technology аппаратно создает виртуальную среду для использования нескольких операционных систем. Также современные процессоры могут делиться на виртуальные ядра с помощью технологии Hyper Threading . Например, двухъядерный процессор способен делить тактовую частоту одного ядра на два, что способствует высокой производительности обработки данных с помощью четырех виртуальных ядер.

Размышляя о конфигурации вашего будущего ПК, не забывайте про видеокарту и ее GPU (от англ. Graphics Processing Unit – графическое обрабатывающее устройство) – процессор вашей видеокарты, который отвечает за рендеринг (арифметические операции с геометрическими, физическими объектами и т.п.). Чем больше частота его ядра и частота памяти, тем меньше будет нагрузки на центральный процессор. Особенное внимание к графическому процессору должны проявить геймеры.

* всегда актуальные вопросы, на что стоит обращать внимание при выборе процессора, чтобы не ошибиться.

Наша цель в данной статье — описать все факторы влияющие на производительность процессора и другие эксплуатационные характеристики.

Наверняка ни для кого не секрет, что процессор – является главной вычислительной единицей компьютера. Можно даже сказать – самая главная часть компьютера.

Именно он занимается обработкой практически всех процессов и задач, которые происходят в компьютере.

Будь то — просмотр видео, музыка, интернет сёрфинг, запись и чтение в памяти, обработка 3D и видео, игр. И многого другого.

Поэтому к выбору Ц ентрального П роцессора, стоит отнестись очень тщательно. Может получиться ситуация, что вы решили поставить мощную видеокарту и не соответствующий её уровню процессор. В этом случае процессор, не будет раскрывать потенциал видеокарты, что будет тормозить её работу. Процессор будет полностью загружен и буквально кипеть, а видеокарта будет ожидать своей очереди, работая на 60-70% от своих возможностей.

Именно поэтому, при выборе сбалансированного компьютера, не стоит пренебрегать процессором в пользу мощной видеокарты. Мощности процессора должно быть достаточно для раскрытия потенциала видеокарты, иначе это просто выброшенные деньги.

Intel vs. AMD

*догонялки навсегда

Корпорация Intel , располагает огромными человеческими ресурсами, и почти неисчерпаемыми финансами. Многие инновации в полупроводниковой индустрии и новые технологии идут именно из этой компании. Процессоры и разработки Intel , в среднем на 1-1,5 года опережают наработки инженеров AMD . Но как известно, за возможность обладать самыми современными технологиями – приходится платить.

Ценовая политика процессоров Intel , основывается как на количестве ядер , количестве кэша , но и на «свежести» архитектуры , производительности на такт ватт , техпроцесса чипа . Значение кэш-памяти, «тонкости техпроцесса» и другие важные характеристики процессора рассмотрим ниже. За обладание такими технологии как и свободного множителя частоты, тоже придётся выложить дополнительную сумму.

Компания AMD , в отличии от компании Intel , стремится к доступности своих процессоров для конечного потребителя и к грамотной ценовой политике.

Можно даже сказать, что AMD – «Народная марка ». В её ценниках вы найдёте то, что вам нужно по очень привлекательной цене. Обычно через год, после появления новой технологии у компании Intel , появляется аналог технологии от AMD . Если вы не гонитесь за самой высокой производительностью и больше обращаете внимание на ценник, чем на наличие передовых технологий, то продукция компании AMD – именно для вас.

Ценовая политика AMD , больше основывается на количестве ядер и совсем немного — на количестве кэш памяти, наличии архитектурных улучшений. В некоторых случаях, за возможность обладать кэш памятью третьего уровня, придётся немного доплатить (Phenom имеет кэш память 3 уровня, Athlon довольствуется только ограниченной, 2 уровня). Но иногда AMD «балует» своих фанатов возможность разблокировать более дешёвые процессоры, до более дорогих. Разблокировать можно ядра или кэш-память. Улучшить Athlon до Phenom . Такое возможно благодаря модульной архитектуре и при недостатке некоторых более дешёвых моделей, AMD просто отключает некоторые блоки на кристалле более дорогих (программно).

Ядра – остаются практически неизменными, отличается только их количество (справедливо для процессоров 2006-2011 годов). За счёт модульности своих процессоров, компания отлично справляется со сбытом отбракованных чипов, которые при отключении некоторых блоков, становятся процессором из менее производительной линейки.

Компания много лет работала над совершенно новой архитектурой под кодовым именем Bulldozer , но на момент выхода в 2011 году, новые процессоры показали не самую лучшую производительность. AMD грешила на операционные системы, что они не понимают архитектурных особенностей сдвоенных ядер и «другой многопоточности».

Со слов представителей компании, следует ждать особых исправлений и заплаток, чтобы ощутить всю производительность данных процессоров. Однако в начале 2012 года, представители компании отложили выход обновления для поддержки архитектуры Bulldozer на вторую половину года.

Частота процессора, количество ядер, многопоточность.

Во времена Pentium 4 и до него – частота процессора , была главным фактором производительности процессора при выборе процессора.

Это не удивительно, ведь архитектуры процессоров — специально разрабатывались для достижения высокой частоты, особенно сильно это отразилось как раз в процессоре Pentium 4 на архитектуре NetBurst . Высокая частота, была не эффективна при том длинном конвейере, что был использован в архитектуре. Даже Athlon XP частотой 2Ггц , по уровню производительности был выше чем Pentium 4 c 2,4Ггц . Так что, это был чистой воды маркетинг. После этой ошибки, компания Intel осознала свои ошибки и вернулась на сторону добра начала работать не над частотной составляющей, а над производительностью на такт. От архитектуры NetBurst пришлось отказаться.

Что же нам даёт многоядерность ?

Четырёх-ядерный процессор с частотой 2,4 Ггц , в много-поточных приложениях, теоретически будет примерным эквивалентом, одноядерного процессора с частотой 9,6Ггц или 2-х ядерному процессору с частотой 4,8 Ггц . Но это только теоретически . Практически же, два двухъядерных процессора в двух сокетной материнской плате, будут быстрее одного 4-ядерного, на той же частоте функционирования. Ограничения по скорости шины и задержки памяти дают о себе знать.

* при условии одинаковых архитектур и количества кэш памяти

Многоядерность, даёт возможность выполнять инструкции и вычисления по частям. К примеру нужно выполнить три арифметических действия. Первые два выполняются на каждом из ядер процессора и результаты складываются в кэш-память, где с ними может быть выполнено следующее действие любым из свободных ядер. Система очень гибкая, но без должной оптимизации может и не работать. Потому очень важна оптимизация под многоядерность для архитектуры процессоров в среде ОС.

Приложения, которые «любят» и используют многопоточность: архиваторы , плееры и кодировщики видео , антивирусы , программы дефрагментаторы , графические редакторы , браузеры , Flash .

Так же, к «любителям» многопоточности, можно отнести такие операционные системы как Windows 7 и Windows Vista , а так же многие ОС , основанные на ядре Linux , которые работают заметно быстрее при наличии многоядерного процессора.

Большинству игр , бывает вполне достаточно 2-х ядерного процессора на высокой частоте. Сейчас однако, выходит всё больше игр «заточенных» под многопоточность. Взять хотя бы такие SandBox игры, как GTA 4 или Prototype , в которые на 2-х ядерном процессоре с частотой ниже 2,6 Ггц – комфортно себя не чувствуешь, фреймрейт проваливается ниже 30 кадров в секунду. Хотя в данном случае, скорее всего причиной таких казусов является «слабая» оптимизация игр, недостаток времени или «не прямые» руки тех, кто переносил игры с консолей на PC .

При покупке нового процессора для игр, сейчас стоит обращать внимание на процессоры с 4-мя и более ядрами. Но всё же, не стоит пренебрегать 2-х ядерными процессорами из «верхней категории». В некоторых играх, данные процессоры чувствуют себя порой лучше, чем некоторые многоядерные.

Кэш память процессора.

– это выделенная область кристалла процессора, в которой обрабатываются и хранятся промежуточные данные между процессорными ядрами, оперативной памятью и другими шинами.

Она работает на очень высокой тактовой частоте (обычно на частоте самого процессора), имеет очень высокую пропускную способность и процессорные ядра работают с ней напрямую (L1 ).

Из-за её нехватки , процессор может простаивать в трудоёмких задачах, ожидая пока в кэш поступят новые данные для обработки. Так же кэш-память служит для записи часто повторяющихся данных, которые при необходимости могут быть быстро восстановлены без лишних вычислений, не заставляя процессор тратить время на них снова.

Производительности, так же добавляет факт, если кэш память объединённая, и все ядра равноправно могут использовать данные из неё. Это даёт дополнительные возможности для многопоточной оптимизации.

Такой приём, сейчас используется для кэш памяти 3-го уровня . У процессоров Intel существовали процессоры с объединённой кэш памятью 2-го уровня (C2D E 7*** , E 8*** ), благодаря которым и появился данный способ увеличить многопоточную производительность.

При разгоне процессора, кэш память может стать слабым местом, не давая разогнать процессор больше, чем её предельная частота функционирования без ошибок. Однако плюсом является то, что она будет работать на той же частоте, что и разогнанный процессор.

В общем, чем больше кэш памяти, тем быстрее процессор. В каких именно приложениях?

Во всех приложениях, где используется множество числовых данных с плавающей запятой, инструкций и потоков, кэш память активно используется. Кэш память очень любят архиваторы , кодировщики видео , антивирусы и графические редакторы и т.д.

Благоприятно к большому количеству кэш-памяти относятся игры . Особенно стратегии, авто-симуляторы, RPG, SandBox и все игры, где есть много мелких деталей, частиц, элементов геометрии, потоков информации и физических эффектов.

Кэш память играет очень немалую роль в раскрытии потенциала систем с 2-мя и более видеокартами. Ведь какая то доля нагрузки, ложится на взаимодействие ядер процессора как между собой, так и для работы с потоками нескольких видео-чипов. Именно в этом случае важна организация кэш — памяти, и очень полезна кэш память 3-го уровня большого объёма.

Кэш память, всегда оснащается защитой от возможных ошибок (ECC ), при обнаружении которых, ведётся их исправление. Это очень важно, ведь маленькая ошибочка в кэш памяти, при обработке может превратиться в гигантскую, сплошную ошибку, от которой «ляжет» вся система.

Фирменные технологии.

(гипер-поточность, HT )–

впервые технология была применена в процессорах Pentium 4 , но работала не всегда корректно и зачастую больше тормозила процессор, чем ускоряла. Причиной был слишком длинный конвейер и не доведённая до ума система предсказания ветвлений. Применяется компанией Intel , аналогов технологии пока нет, если не считать аналогом то? что реализовали инженеры компании AMD в архитектуре Bulldozer .

Принцип системы таков, что на каждое физическое ядро, создаётся по два вычислительных потока , вместо одного. То есть, если у вас 4-х ядерный процессор с HT (Core i 7 ), то виртуальных потоков у вас 8 .

Прирост производительности достигается за счёт того, что в конвейер могут поступать данные уже в его середине, а не обязательно сначала. Если какие то блоки процессора, способные выполнить это действие простаивают, они получают задачу к выполнению. Прирост производительности не такой как у настоящих физических ядер, но сопоставимый(~50-75%, в зависимости от рода приложения). Довольно редко бывает, что в некоторых приложениях, HT отрицательно влияет на производительность. Связано это с плохой оптимизацией приложений под данную технологию, невозможность понять, что присутствуют потоки «виртуальные» и отсутствие ограничителей для нагрузки потоков равномерно.

Turbo Boost – очень полезная технология, которая увеличивает частоту функционирования наиболее используемых ядер процессора, в зависимости от уровня их загруженности. Очень полезна тогда, когда приложение не умеет использовать все 4 ядра, и загружает только одно или два, при этом их частота работы повышается, что частично компенсирует производительность. Аналогом данной технологии у компании AMD , является технология Turbo Core .

, 3 dnow ! инструкции . Предназначены для ускорения работы процессора в мультимедиа вычислениях (видео, музыка, 2D/3D графика и т.д.), а так же ускоряют работу таких программ как архиваторы, программы для работы с изображениями и видео (при поддержке инструкций данными программами).

3dnow ! – довольно старая технология AMD , которая содержит дополнительные инструкции по обработке мультимедиа контента, помимо SSE первой версии .

*А именно возможность потоковой обработки вещественных чисел одинарной точности.

Наличие самой новой версии – является большим плюсом, процессор начинает более эффективно выполнять определённые задачи при должной оптимизации ПО. Процессоры AMD носят похожие названия, но немного другие.

* Пример — SSE 4.1(Intel) — SSE 4A(AMD).

К тому же, данные наборы инструкций не идентичны. Это аналоги, в которых есть небольшие отличия.

Cool’n’Quiet, SpeedStep, CoolCore, Enchanced Half State(C1E) и т . д .

Данные технологии, при низкой нагрузке уменьшают частоту процессора, посредством уменьшения множителя и напряжения на ядре, отключения части КЭШа и т.д. Это позволяет процессору гораздо меньше греться и потреблять меньше энергии, меньше шуметь. Если понадобится мощность, то процессор вернётся в обычное состояние за доли секунды. На стандартных настройках Bios практически всегда включены, при желании их можно отключить, для уменьшения возможных «фризов» при переключении в 3D играх.

Некоторые из этих технологий, управляют скоростью вращения вентиляторов в системе. К примеру, если процессор не нуждается в усиленном отводе тепла и не нагружен, скорость вентилятора процессора уменьшается (AMD Cool’n’Quiet, Intel Speed Step ).

Intel Virtualization Technology и AMD Virtualization .

Эти аппаратные технологии позволяют с помощью специальных программ запускать несколько операционных систем сразу, без какой либо сильной потери в производительности. Так же, её используют для правильной работы серверов, ведь зачастую, на них установлена далеко не одна ОС.

Execute Disable Bit и No eXecute Bit – технология, призванная защитить компьютер от вирусных атак и программных ошибок, которые могут вызвать крах системы посредством переполнения буфера .

Intel 64 , AMD 64 , EM 64 T – данная технология позволяет процессору работать как в ОС с 32-х битной архитектурой, так и в ОС с 64-х битной. Система 64 bit – с точки зрения выгоды, для рядового пользователя отличается тем, что в данной системе можно использовать более 3.25Гб оперативной памяти. В 32-х битных системах, использовать бо льший объём оперативной памяти не представляется возможным, из-за ограниченного объёма адресуемой памяти* .

Большинство приложений с 32-х bit архитектурой, можно запустить на системе с 64-х битной ОС.

* Что же поделать, если в далёком 1985 году, никто и подумать не мог о таких гигантских, по меркам того времени, объёмах оперативной памяти.

Дополнительно.

Пара слов о .

На этот пункт стоит обратить пристальное внимание. Чем тоньше техпроцесс, тем меньше процессор потребляет энергии и как следствие — меньше греется. И кроме всего прочего — имеет более высокий запас прочности для разгона.

Чем более тонкий техпроцесс, тем больше можно «завернуть» в чип (и не только) и увеличить возможности процессора. Тепловыделение и энергопотребление при этом тоже уменьшается пропорционально, благодаря меньшим потерям по току и уменьшению площади ядра. Можно заметить тенденцию, что с каждым новым поколением той же архитектуры на новом техпроцессе, растёт и энергопотребление, но это не так. Просто производители идут в сторону ещё большей производительности и перешагивают за черту тепловыделения прошлого поколения процессоров из-за увеличения числа транзисторов, которое не пропорционально уменьшению техпроцесса.

Встроенное в процессор .

Если вам не нужно встроенное видео ядро, то не стоит покупать процессор с ним. Вы получите только худший отвод тепла, лишний нагрев (не всегда), худший разгонный потенциал (не всегда), и переплаченные деньги.

К тому же те ядра, что встроены в процессор, годятся только для загрузки ОС, интернет сёрфинга и просмотра видео (и то не любого качества).

Тенденции на рынке все же меняются и возможность купить производительный процессор от Intel без видео ядра выпадает всё реже. Политика принудительного навязывание встроенного видео ядра, появилась с процессоров Intel под кодовым названием Sandy Bridge , основное новшество которых и было встроенное ядро на том же техпроцессе. Видео-ядро, находится совместно с процессором на одном кристалле , и не такое простое как в предыдущих поколениях процессоров Intel . Для тех кто его не использует, есть минусы в виде некоторой переплаты за процессор, смещённость источника нагрева относительно центра тепло — распределительной крышки. Однако есть и плюсы. Отключенное видео ядро, можно использовать для очень быстрой кодировки видео с помощью технологии Quick Sync вкупе со специальным, поддерживающим данную технологию ПО. В будущем, Intel обещает расширить горизонты использования встроенного видео ядра для параллельных вычислений.

Сокеты для процессоров. Сроки жизни платформ .

Intel ведёт грубую политику для своих платформ. Срок жизни каждой (срок начала и конца продаж процессоров для неё), обычно не превышает 1.5 — 2 года. К тому же, у компании есть несколько параллельно развивающихся платформ.

Компания AMD , ведёт противоположную политику совместимости. На её платформу на AM 3 , будут подходить все процессоры будущих поколений, поддерживающие DDR3 . Даже при выходе платформы на AM 3+ и более поздних, отдельно будут выпускаться либо новые процессоры под AM 3 , либо новые процессоры будут совместимы со старыми материнскими платами, и можно будет сделать безболезненный для кошелька апгрейд, поменяв только процессор (без смены мат.платы, ОЗУ и т.д.) и прошив материнской платы. Единственные нюансы несовместимости могут быть при смене типа , так как будет требоваться другой контроллёр памяти, встроенный в процессор. Так что совместимость ограниченная и поддерживается далеко не всеми материнскими платами. Но в целом, экономному пользователю или тем, кто не привык менять платформу полностью каждые 2 года — выбор производителя процессора понятен — это AMD .

Охлаждение процессора.

В стандартной комплектации, с процессором идёт BOX -овый кулер, который будет просто справляться со своей задачей. Представляет он из себя кусок алюминия с не очень высокой площадью рассеивания. Эффективные кулеры на тепловых трубках и закреплёнными на них пластинами, имеют конструкцию, предназначенную для высокоэффективного рассеивания тепла. Если вы не хотите слышать лишний шум от работы вентилятора, то вам стоит приобрести альтернативный, более эффективный кулер с тепловыми трубками, либо систему жидкостного охлаждения замкнутого или не замкнутого типа. Такие системы охлаждения, дополнительно дадут возможность разгона для процессора.

Заключение.

Все важные аспекты, влияющие на производительность и эксплуатационные характеристики процессора, были рассмотрены. Повторим, на что следует обращать внимание:

• Выбрать производителя
• Архитектура процессора
• Техпроцесс
• Частота процессора
• Количество ядер процессора
• Размер и тип кэш-памяти процессора
• Поддержка технологий и инструкций
• Качественное охлаждение

Надеемся, данный материал поможет вам разобраться и определиться в выборе соответствующего вашим ожиданиям процессора.

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

Особенности строения одноядерных процессоров

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

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

Особенностью одноядерных процессоров по архитектуре можно считать:

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

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

Особенности работы двухъядерных процессоров

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

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

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

В чем отличия двухъядерного процессора

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

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

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

Преимущества использования двухъядерных процессоров

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

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

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

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