9 терминов и понятий, которые нужно знать при покупке процессора
Ядро процессора — это физический вычислительный модуль, который выполняет одну последовательность команд. Потоки — это виртуальные ядра, позволяющие физическому ядру работать сразу с несколькими цепочками задач. Поддержка виртуальных ядер реализуется разработчиками программ.
Основной показатель производительности ядра — тактовая частота. Она условно показывает, сколько арифметических операций (циклов) выполняет процессор за каждую секунду. Чем она больше, тем выше вычислительные возможности ядра.
Для увеличения тактовой частоты процессор разгоняют. Но чтобы это стало возможно, у процессора должен быть разблокирован множитель. Повышение множителя заставляет процессор выполнять больше операций, но если он заблокирован, то изменить его нельзя. У Intel версии процессоров с разблокированным множителем маркируются буквами K или X, у AMD разгону поддаются большинство процессоров.
Серии
Intel и AMD выпускают сразу несколько линеек процессоров, и каждая из них включает в себя несколько серий. Например, в обозначении Intel Core i7 слово Core обозначает линейку, а i7 — серию. У AMD самая популярная линейка Ryzen, c сериями 3/5/7 и Threadripper.
Универсальное правило: выше цифра в серии, тем выше производительность процессора. То есть в нем больше ядер и выше тактовая частота.
Архитектура
Способность процессора выполнять определенные типы кодов. У разных поколений процессоров она разная. От архитектуры зависит техпроцесс и тип сокета, который определяет посадочное место под процессор на материнской плате. Если вы планируете со временем заменить процессор более производительным, то берите вариант с актуальной версией сокета.
Например, Intel Pentium Gold G5420 взаимозаменяем с Intel Core i9 9900KF. Сокет у процессоров одинаковый — LGA 1151v2, а разница в цене около 20 000 рублей. Достойный вариант, если вы не готовы сразу купить процессор, охлаждение и память. Покупаете Pentium, экономите деньги и потом продаете его, обновляя процессор до Core i9.
Встроенная графика
В большинстве процессоров есть встроенное графическое ядро. Его мощности хватит для офисных задач и нетребовательных игр, а ПК запустится и без отдельной видеокарты.
Если вы собираетесь играть или работать с графикой, вам понадобится дискретная видеокарта.
Техпроцесс
Основу процессора составляют транзисторы. Чем больше транзисторов, тем выше вычислительная мощность. Чтобы увеличить плотность их размещения на кристалле, их уменьшают в размерах.
В современных процессорах миллиарды транзисторов, и техпроцесс указывает на то, насколько они малы. Чем меньше нанометров, тем лучше. Процессор становится мощнее и выделяет меньше тепла. Хорошим показателем считается техпроцесс, равный или меньше 14 нм.
Тепловыделение и максимальная температура троттлинга
При работе процессор выделяет тепло, которое отводится с помощью системы охлаждения. Старые архитектуры вроде Haswell у Intel выделяли сотни ватт. Современные процессоры гораздо более «холодные». Например, у Intel Core i5 11400 тепловыделение всего 65 Вт.
Если не обеспечить эффективный отвод тепла, процессор начнет перегреваться. По достижении критической температуры сработает защита и частота ядер упадет. Это явление называют троттлингом, а критическую температуру — максимальной.
Тип поставки
Их всего два: OEM и BOX. И тут всё просто:
- OEM — в упаковке только процессор,
- BOX — в комплекте процессор и кулер.
Если вы собираете компьютер для офисных программ, браузеров и видео, берите BOX. Кулер в комплекте обойдется дешевле. Для мощных сборок больше подходит OEM — вы сможете сами подобрать подходящую систему охлаждения.
Тип поддерживаемой памяти
На сегодня актуальны два типа: DDR3 и DDR4. В продаже уже появляется DDR5. Типы память не взаимозаменяемы. Если вы рассчитываете использовать память DDR4 или DRR5, вам нужен процессор с поддержкой того же типа памяти.
Также от процессора зависит максимальный объем оперативной памяти. Если вы программист или видеомонтажер, вам понадобится 64 или 128 ГБ оперативной памяти. А значит нужен процессор, поддерживающий 64 или 128 ГБ памяти.
PCI Express
PCI Express (или PCIe) — это интерфейс подключения внутренних компонентов: видео- и звуковых карт, Wi-Fi-адаптеров и так далее. Актуальные версии PCIe — 3.0 и 4.0. Скорость обмена данными у PCIe почти в два раза больше, чем в версии 3.0.
Чтобы полноценно использовать PCIe 4.0, нужны совместимый процессор и порт на материнской плате. Как правило, все современные процессоры AMD, начиная с Zen 2, и Intel 11-го поколения, имеют такую поддержку.
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.
Что такое центральный процессор
Процессор — «мозг» компьютера и любого другого электронного устройства, будь то айфон, смарт-часы или «Алиса». В этой статье мы расскажем простыми словами, за что отвечает процессор в компьютере и какие функции он выполняет.
· Обновлено 18 апреля 2023
Центральный процессор компьютера — это чип, покрытый миллиардами крошечных транзисторов, который встраивается в материнскую плату устройства. Материнская плата связывает его со всеми остальными системами компьютера. Именно процессор производит все вычисления и логические операции, которые нужны для работы компьютерных программ.
По-английски процессор называется CPU (расшифровка — Central Processing Unit, «центральное обрабатывающее устройство»).
Процессор работает в команде с другими компонентами компьютера: памятью, видеокартой и периферийными устройствами. Выполняет вычисления и общается с другими компонентами процессор на языке бинарного кода: нулей и единиц.
Как устроен компьютер Читать →
Как работает процессор
Процессор получает инструкции от приложений, установленных на компьютере, и выполняет вычисления по этим инструкциям. Этот цикл состоит из трёх стадий:
Fetch (выборка команды). Процессор получает команду из оперативной памяти компьютера.
Decode (декодирование). Декодер расшифровывает полученную команду.
Execute (исполнение). Процессор выполняет нужную операцию.
Этот цикл впервые был описан американским математиком Джоном фон Нейманом в статье 1945 года «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства» и получил название машинного цикла или, по-английски, fetch-decode-execute cycle. Каждую секунду внутри CPU происходят миллионы таких циклов.
Выполнив операцию, процессор может сохранить её результат в память компьютера или отдать команду другому компоненту — например, видеокарте или принтеру. Результатом работы процессора может стать запуск программы, выполнение формулы в Google Sheets, воспроизведение музыки, вывод документа на печать и т. п. А после машинный цикл запустится снова.
Из чего состоит процессор
Мы узнали, для чего нужен процессор, а теперь давайте разберёмся, как он устроен. Внутреннее устройство процессора также основано на работах фон Неймана. Вот из чего состоит процессор и за что отвечают его компоненты:
Устройство управления (УУ) предназначено для организации выполнения программ. Именно УУ отвечает за получение команд из ОЗУ и их декодирование.
Арифметическое логическое устройство (АЛУ) выполняет команды — арифметические действия и логические операции.
Регистры — это очень маленькие ячейки памяти, в которых временно хранятся промежуточные результаты вычислений. Регистры оптимизируют время обработки вычислений: благодаря им процессору не приходится постоянно обмениваться данными с ОЗУ.
Кэш — ещё один вид памяти, но более объёмный, чем регистры. Он хранит наиболее часто используемые данные и инструкции, чтобы ускорить доступ к ним.
Показали на рисунке, что делает процессор и его отдельные компоненты:
Что такое процессор и как он устроен
Характеристики процессора и его производительность
Чтобы выбрать процессор при сборке компьютера, важно учитывать его назначение. Так, игровому компьютеру требуется более мощный процессор, чем ПК для работы с офисными программами: можно подобрать крутейшую видеокарту, но из-за слабого процессора игры всё равно будут лагать.
Как понять: тормозит процессор или видеокарта?
Когда с нагрузкой не справляется процессор, игровой процесс тормозит полностью. Объекты на экране двигаются медленно, как ленивец Блиц из «Зверополиса».
А если не хватает мощности видеокарты, то тормозит только картинка, а игровые действия продолжают происходить. Получается рассинхрон между тем, что видит игрок, и тем, что на самом деле происходит в игре.
Производительность процессора определяется его характеристиками, с которыми мы сейчас познакомимся.
Тактовая частота
Тактовой частотой называется количество операций (тех самых машинных циклов, о которых мы говорили выше), которые процессор выполняет за одну секунду. Измеряется она в герцах. Современные процессоры имеют тактовую частоту в несколько гигагерц, то есть могут выполнять миллиарды операций за одну секунду. Чем выше тактовая частота — тем быстрее будет работать процессор и тем больше он будет потреблять энергии и нагреваться. Поэтому процессору с высокой тактовой частотой потребуется более мощный кулер.
Количество ядер
Ядро процессора — это его «вычислительный центр», то есть блок, который производит арифметические и логические операции, и делает он это последовательно: одну за другой. Если заглянуть в историю развития процессоров, то мы узнаем, что первые модели были одноядерными, но затем появились двух-, четырёх- и даже 256-ядерные CPU. Наличие нескольких ядер позволяет процессору обрабатывать несколько команд параллельно, а значит, производительность CPU с несколькими ядрами будет кратно выше — в соответствии с количеством ядер.
Есть и другой способ запараллелить несколько вычислительных процессов — это многопоточность. Так называется способность ядра процессора обрабатывать два или более потока команд одновременно. Однако все потоки используют вычислительные мощности одного и того же физического ядра процессора, поэтому многопоточность не так важна для производительности CPU, как количество ядер.
Размер кэша
Выше мы уже рассказывали про кэш — память, в которой хранятся часто используемые данные и команды. Получение данных из кэша происходит быстрее, чем из оперативной памяти, поэтому чем объёмнее кэш процессора, тем выше его производительность.
Архитектура
Архитектура процессора — это способ организации выполнения задач, если говорить простыми словами. До 2021 года большинство процессоров использовали архитектуру RISC, но сейчас, благодаря Apple, в моду снова входит ARM. Процессор на ARM будет дороже, но ощутимо производительнее.
Техпроцесс
Технологический процесс — это размер транзисторов в процессоре в нанометрах (нм). Чем он меньше, тем производительнее процессор и тем меньше он выделяет тепла.
Тепловыделение
Тепловыделением процессора называют количество тепла, которое выделяет CPU во время работы. Измеряется оно в ваттах. Не стоит брать ноутбук, если тепловыделение его процессора больше 100 Вт: таким ноутбуком можно будет обогреть всю Сибирь. �� А вот для стационарного компьютера такое тепловыделение не страшно, можно будет полностью реализовать его потенциал.
Говоря о тепловыделении, стоит упомянуть и о защите процессора. Поскольку CPU — это ключевой компонент компьютера, производители и пользователи стремятся защитить его от повреждений. А самое вредное, что может произойти с процессором — это перегрев.
Чтобы CPU не перегревался, на компьютер устанавливают систему охлаждения — кулер (cooler). Его подбирают исходя из показателя тепловыделения процессора.
Кроме того, у процессора есть механизм самозащиты от перегрева, который называется троттлинг (throttling). Если нагрузка на CPU становится критической, то он начинает работать медленнее.
Вот мы и разобрались, для чего предназначен процессор. А если вы хотите не только понимать, как устроен компьютер, но и научиться мастерски обращаться с ним, быстро решать задачи с помощью программ и безопасно сёрфить в интернете — приглашаем на курсы компьютерной грамотности для детей и подростков в онлайн-школу Skysmart Pro.
О потоках в процессоре
Добрый день. Сегодня хотелось бы разобрать, что такое потоки в процессоре. Те самые, о функциях и возможностях которых большинство и не догадывается, однако любят хвастаться остальным.
Если провести сравнение процессоров разных поколений, то можно заметить одну интересную тенденцию: многопоточность – штука полезная и здорово повышает суммарную производительность системы.
Начнем с того, что каждый современный процессор построен на физических ядрах с определенной частотой. Допустим, 1 ядро имеет тактовую частоту в 3 ГГц, т.е. может выполнить 3 млрд вычислительных операций за секунду (такт). Но современные ОС (Windows, Linux, MacOS) запускают более 3 млрд процессов, т.е. пользователь начинает сталкиваться с таким понятием как прерывание: ЦП физически не успевает обрабатывать все сразу и начинает переключаться на самые приоритетные задачи.
Логика здесь элементарная: присмотреться к многоядерным и многопоточным решениям. Разгон не дает линейного прироста в производительности, иначе такие гиганты как Intel и AMD выпускали бы процессоры на 5-6 и более ГГц.
Польза от повышения частоты есть, но она нивелируется увеличенным энергопотреблением и сокращением срока службы ЦП.
Многопоточность и все о ней
Многие наверняка слышали выражения из серии «2 потока», «4 потока», «8 потоков» и т.д. При этом физических ядер зачастую было в 2 раза меньше.
Эта технология имеет название HyperThreading (Intel) или SMT (AMD).
Многопоточность у красных появилась совсем недавно, с выходом чипов Ryzen на совершенно новом техпроцессе. Что это такое – тема отдельной статьи.
Цель функции заключается в том, что на 1 ядро может одновременно обрабатывать несколько потоков данных. Пока первый поток простаивает, а второй занимается вычислением, запущенное приложение может воспользоваться вакантной логической мощью для своих целей. В результате, прерывания случаются гораздо реже, а вы не ощущаете тормозов и прочих неудобств при работе.
Недостаток технологии заключается в следующем:
- оба потока обращаются к единой кэш-памяти 2 и 3 уровней;
- тяжелые вычислительные процессы могут вызвать конфликт в системе.
Если очень грубо, то все кирпичи с одного места на другое можно перенести в одной руке (1 поток), либо в двух (2 потока), но человек при этом один (1 ядро) и устает одинаково при любых условиях, хоть его производительность фактически увеличивается вдвое. Иными словами, мы упираемся в производительность ЦП, а конкретней в его частоту.
Знакомы с понятием Turbo Boost? Процесс кратковременно повышает частоту процессора на несколько сотен мегагерц в особо сложных сценариях, чтобы вы не испытывали проблем при обработке сложных данных.
Сколько нужно ядер и потоков современному обывателю?
Как я уже сказал выше, современные ОС падки на ресурсы процессора, поскольку отнимают часть мощностей на собственные службы, интерфейс, красивости и функции защиты в реальном времени. Но при этом пользователь хочет еще и работать с комфортом.
- По-хорошему, для офисной работы будет вполне достаточно 2-ядерных ЦП, но при этом учитывайте, что одновременно работать с браузером, текстовыми редакторами, почтовым клиентом и проигрывателем, не получится – система попросту не справится. А если использовать топологию 2 ядра/4 потока, то ситуация в корне преображается – рук то больше.
- Игры требуют уже больше ресурсов. Начнем с того, что современные проекты очень падки на ресурсы чипа. Взять к примеру, ту же GTA V или Watch Dogs 2: они способны выжимать все соки из любого камня, поскольку параллельно отрисовывают сцены игры (скрипты), просчитывают окружение, прорабатывают звук, поведение искусственного интеллекта и не только. И все эти процессы еще нужно синхронизировать надлежащим образом.
- А если копнуть в задачи типа программирования, рендеринга и профессиональной работы с графики, то видно, что здесь и 4-ядерные/8-поточные чипы начинают захлебываться и работают на износ.
Вместо итогов
Практика показывает, что современный универсальный ПК должен иметь в своем распоряжении как минимум 4 ядра/8 потоков, чего будет достаточно для большинства задач, связанных с обработкой данных. Хотя варианты из серии 6/12 выглядят более обещающими по той причине, что стоят они не намного дороже, а пользы от них больше.
В качестве «золотой» середины можем предложить свежий вариант модели, построенный на обновленной архитектуре Zen2. Он отлично справляется с играми, программами, распараллеливанием и обработкой данных, при этом отлично гонится(одним словом — стал популярным (появился в июле 2019)).
Надеемся, что вы почерпнули для себя полезную информацию, которая пригодится при подборе процессора для будущей системы. Следите за дальнейшими обновлениями, чтобы не пропустить новые статьи об анатомии ЦП.