Rdzenie vs. wątki CPU: wszystko, co musisz wiedzieć

Komputer składa się z różnych komponentów. Prawdopodobnie najważniejszym wewnętrznym komponentem jest CPU. Skrót od Central Processing Unit, CPU to mózg komputera. Składa się z miliardów małych tranzystorów działających jako przełączniki elektroniczne, odpowiadające za kontrolę przepływu elektryczności przez złożone obwody.

Oprócz wykonywania zadań programów, CPUs koordynują inne komponenty w komputerze, w tym RAM (pamięć RAM), HDD (dysk twardy) i SSD (dysk SSD).

Istnieje wiele czynników determinujących wydajność i efektywność procesora, ale jeden z najczęściej dyskutowanych tematów to rdzenie vs. wątki. Ogólnie ludzie uważają, że większa liczba rdzeni to większa wydajność. Jednak to nie zawsze jest takie proste.

Zrozumienie, co robią rdzenie versus wątki, jest ważne dla podjęcia właściwych decyzji przy zakupie lub konfigurowaniu komputera. Idealnie chciałbyś zoptymalizować moc na tyle, na ile to możliwe, bez przepłacania. W zależności od zadań, które chcesz wykonywać, właściwa liczba rdzeni i wątków może się znacznie różnić.

Ponadto, jeśli wybierasz jednostkę mobilną (jak laptop), efektywność energetyczna to coś, czego nie możesz zaniedbać. Ostatnią rzeczą, jaką chciałbyś, biorąc swój komputer w podróż, jest rozładowanie baterii w trakcie wykonywania zadania. Wybranie CPU o odpowiednim zużyciu energii może zminimalizować ryzyko napotkania takich problemów.

W tym wpisie wyjaśnię wszystko, co musisz wiedzieć o rdzeniach procesora komputerowego i wątkach, ich różnicach i innych czynnikach wpływających na poziomy wydajności procesora.

Czym jest rdzeń CPU?

Zasadniczo rdzeń to fizyczna jednostka przetwarzająca wewnątrz CPU, odpowiadająca za niezależne wykonywanie zadań. Możesz myśleć o swoim CPU jako o fabryce, gdzie każdy rdzeń to "pracownik" potrafią obsługiwać zadania. Generalnie możesz wykonywać więcej zadań jednocześnie, dysponując większą liczbą rdzeni.

Tradycyjnie rdzeń CPU był projektowany do wykonywania jednego zadania na raz. Oznaczało to brak możliwości wielozadaniowości w pierwszych iteracjach komputerów. Jednak sposób, w jaki działają rdzenie CPU, zmienił się znacznie dzięki rozwojowi technologii wielowątkowości, którą omówię później w tym artykule.

Procesory jedno- vs. wielordzeniowe

Pierwsze komputery miały procesory z pojedynczym rdzeniem CPU, które mogły uruchamiać jedno zadanie na raz. Aby wykonywać wiele programów jednocześnie, inżynierowie próbowali rozszerzać płytę główną i łączyć wiele jednostek CPU razem. Jednak kilka niezależnie działających CPUów powodowało dużą latencję i okazało się niepraktyczne.

Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie zaprojektowali procesory wielordzeniowe. Ponieważ każdy rdzeń działa niezależnie, może obsługiwać własny zestaw instrukcji bez wpływu na inne rdzenie. To oznacza, że im więcej rdzeni ma procesor, tym więcej zadań może wykonywać równocześnie.

Procesor z jednym rdzeniem CPU zużywa znacznie mniej energii i może wystarczyć do codziennych zadań, takich jak przeglądanie internetu. Jednak ze względu na ograniczone możliwości wydajnościowe są coraz mniej popularne. Chociaż mogą się jeszcze pojawiać w starszych systemach, procesory CPU z jednym rdzeniem są w dużej mierze przestarzałe na dzisiejszym rynku.

Zwykle codzienne komputery wyposażone są w dwa, cztery, osiem lub 16 rdzeni CPU. Najwyższa liczba rdzeni w kierowanych do konsumentów CPUach na rynku to 64. Procesory przeznaczone dla centrów danych i serwerów przedsiębiorstwa mogą mieć jeszcze więcej rdzeni. Procesor AMD EPYC 9654 na przykład ma aż 96 rdzeni.

Czym jest wątek przetwarzania?

W przetwarzaniu komputerowym wątek (lub wątek wykonania) to pojedyncze zadanie lub linia pracy, którą przetwarza CPU. Każdy wątek to najmniejsza sekwencja zaprogramowanych instrukcji, którą Twój system operacyjny może zarządzać niezależnie. Może to być cokolwiek, od uruchomienia programu po zapisanie pliku.

Twoje rdzenie CPU odpowiadają za przetwarzanie tych wątków. W każdym CPU każdy rdzeń może wykonywać co najmniej jeden wątek na raz. Jak wspomniano, posiadanie większej liczby rdzeni daje lepsze możliwości wielozadaniowości, ale obsługiwanie większej liczby wątków może dać taki sam efekt.

Zrozumienie różnic między możliwościami wątków a rdzeniami, wraz z poznanием ich ról w Twoim CPU, może pomóc Ci podjąć najlepszą decyzję dla Twoich potrzeb.

Czym jest wielowątkowość?

Jak łatwo się domyślić, wysłanie tylko jednego wątku do układu procesora, czekanie na ukończenie zadania, a następnie wysłanie następnego może być bardzo czasochłonne. Z tego powodu inżynierowie opracowali różne metody i strategie do przetwarzania więcej wątków w krótszym czasie.

Najprostszym rozwiązaniem jest rozbicie wątku na mniejsze i pozwolenie CPU na uruchomienie ich równolegle. Nosi to nazwę "Wielowątkowości" (nie mylić z jednoczesną lub czasową wielowątkowością). Program może być słabo lub intensywnie wielowątkowy, w zależności od tego, jak został opracowany.

Koncepcje integrowania różnych strategii wielowątkowości pochodzą z lat pięćdziesiątych. Ale dopiero w koncu lat dziewięćdziesiątych Intel zastosował technologię zwaną jednoczesną wielowątkowością (SMT) do opracowania techniki wielowątkowości opartej na sprzęcie dla komputerów stacjonarnych. Intel nazwał tę funkcjonalność Technologią Hyper-Threading i wprowadził go w procesorze Pentium 4 do komputerów stacjonarnych Intel w 2002 roku.

W procesorze Intel z technologią Hyper-Threading do dwóch wątków może współdzielić zasoby jednego rdzenia CPU, aby wykonać przydzielone zadania. Innymi słowy, masz dostęp do efektywnie podwojonej liczby "pracowników" mogących wykonywać Twoje polecenia. Jednak każda para pracowników korzysta z tych samych zasobów.

Hyper-Threading: zalety i wady

Główna zaleta Hyper-Threading polega na tym, że znacznie zwiększa wydajność systemu, wykorzystując więcej dostępnych zasobów przetwarzania. W niektórych przypadkach jednowątkowe przetwarzanie może jednak okazać się bardziej odpowiednie.

W większości przypadków, szczególnie podczas codziennej pracy z wieloma aplikacjami, rdzenie CPU w Twoim komputerze nie pracują na pełnych obrotach. Oznacza to, że jest jeszcze miejsce na dodatkowe przetwarzanie. Hyper-Threading odblokuje niewykorzystaną moc obliczeniową rdzenia CPU, pozwalając mu na uruchamianie dodatkowych wątków. Rezultatem jest bardziej sprawna praca i lepsze wykorzystanie potencjału CPU.

Chociaż korzystna, technologia Hyper-Threading ma także wyraźne wady. Główną wadą jest zwiększone zużycie energii. W porównaniu z procesorami opartymi na ARM, procesory Intel słyną z dużego poboru energii z akumulatorów urządzeń przenośnych, a Hyper-Threading jest jedną z przyczyn tego zjawiska.

Większy pobór prądu przez procesor sprawia, że Hyper-Threading generuje wysokie temperatury i termiczne ograniczenie prędkości (thermal throttling), gdzie rdzeń CPU zwalnia, aby zapobiec przegrzaniu. Dodatkowo urządzenia przenośne wyposażone w takie rdzenie CPU wymuszają stosowanie większych systemów chłodzenia, co może znacznie zwiększyć wagę i rozmiary urządzenia.

Na koniec, ponieważ wzrost wydajności w dużym stopniu zależy od aplikacji, ostateczna odpowiedzialność spada na barkach programistów, którzy muszą projektować oprogramowanie wykorzystujące technologię Hyper-Threading. To komplikuje proces tworzenia programów optymalizowanych pod kątem wydajności. Poza tym oprogramowanie, które nie obsługuje Hyper-Threading, może działać niezadowalająco w warunkach intensywnego obciążenia procesora.

Więcej rdzeni vs. wątków: co jest lepsze?

Ponieważ zależy to w dużej mierze od programów, które zamierzasz uruchamiać, trudno jest uważać jedno podejście za bardziej istotne od drugiego w każdej sytuacji. Więcej rdzeni generalnie oznacza więcej dostępnych zasobów. Z drugiej strony więcej wątków może prowadzić do lepszych zdolności wielozadaniowości, choć nie zawsze.

W przypadku programów intensywnie wykorzystujących wątki, przydzielenie większej liczby wątków jednemu rdzeniu CPU zwykle skutkuje lepszą i szybszą wykonaniem. Z kolei programy zoptymalizowane dla jednowątkowej architektury rdzeni CPU mogą wykazywać spadek wydajności, gdy Hyper-Threading jest włączony na procesorze CPU.

Warto jednak zauważyć, że kilka gier, zarówno starszych, jak i nowszych, działa znacznie lepiej, gdy Hyper-Threading jest wyłączony. Jeden z użytkowników na Reddicie stwierdził, że zaobserwował około 30% wzrost liczby klatek na sekundę w większości gier po wyłączeniu Hyper-Threading na swoim procesorze Intel Core i9 CPU.

Przez wiele lat Intel dominował na rynku rdzeni CPU w laptopach i komputerach stacjonarnych dzięki chipom, które oferowały dwa razy więcej wątków niż rdzeni, dzięki technologii Hyper-Threading. Jednak ostatnio konkurencja zaczęła pracować nad różnymi architekturami rdzeni CPU, które okazały się znacznie bardziej wydajne, oferując jednowątkowe rdzenie CPU.

Apple Silicon to na przykład seria chipów opartych na architekturze ARM, które okazały się znacznie bardziej energooszczędne niż modele oparte na Intel w ostatnich komputerach Apple. Ponadto wiele nowych laptopów Windows, w tym Microsoft Surface Pro 11, przeszło na procesory ARM, aby uzyskać lepszą żywotność baterii i wydajność w codziennym użytkowaniu. Wszystkie te chipy oparte na ARM mają jednowątkowe rdzenie.

Ostatecznie posiadanie więcej wątków niekoniecznie przekłada się na lepszą wydajność CPU. Posiadanie więcej rdzeni jest natomiast bardziej bezpośrednim czynnikiem determinującym zdolność procesora do obsługi bardziej złożonych i zasobochłonnych poleceń.

Jakie inne czynniki wpływają na wydajność CPU?

Omówiliśmy już różnice między rdzeniami a wątkami w komputerach. Jednak to nie jedyne czynniki decydujące o finalnej wydajności CPU.

Częstotliwość taktowania (zwana też "taktowaniem" lub po prostu "częstotliwością") to jeden z głównych czynników różnicujących procesory komputerowe. Krótko mówiąc, częstotliwość taktowania określa, ile cykli rdzeń CPU może wykonać na sekundę. Na przykład procesor o częstotliwości 3,2 GHz może wykonać 3,2 miliarda cykli na sekundę.

Innym parametrem do rozważenia jest pamięć podręczna rdzenia CPU. Pamięć podręczna CPU to szybka pamięć przechowująca często wykorzystywane dane. Większe i szybsze pamięci podręczne przyspieszają zdolność rdzenia CPU do wykonywania zadań wymagających częstego dostępu do danych.

Procesory komputerowe są budowane przy użyciu procesów produkcji nanometrowych (takich jak 7nm lub 5nm). Mniejsze struktury oznaczają, że na chipie może zmieścić się więcej tranzystorów, co skutkuje większą wydajnością energetyczną i lepszą wydajnością, ponieważ sygnały przebywają krótsze odległości i wymagają mniej czasu oraz energii.

Inne czynniki, takie jak IPC (Instructions Per Cycle), szybkość magistrali oraz pobór mocy termicznej, również wpływają na to, jaką wydajność można wycisnąć z rdzenia CPU.

Zanim skończymy, chcielibyśmy Ci zaprezentować nasze wysokowydajne VPS w chmurze rozwiązania w Cloudzy. Oferujemy wysokiej klasy rdzenie CPU z taktowaniem 3,2 i 4,2 GHz, szybkość błyskawiczną, magazynowanie NVMe, dużą przepustowość oraz połączenia do 10Gbps. Jeśli szukasz niezawodnej wirtualnej maszyny, sprawdź naszą ofertę planów VPS, aby uzyskać niepokonaną niezawodność i szybkość.

Podsumowanie: wątek vs. rdzeń

Jeśli chodzi o wydajność komputera, rdzeń CPU to główny komponent odpowiedzialny za wykonywanie programów. Rdzeń CPU to fizyczna jednostka w procesorze przeznaczona do przetwarzania zadań. Zazwyczaj procesory mają wiele rdzeni, z których każdy wykonuje co najmniej jeden wątek.

Wątek zazwyczaj odnosi się do najmniejszej sekwencji instrukcji wysyłanej do rdzenia CPU do przetworzenia. Każdy rdzeń CPU może obsługiwać co najmniej jeden wątek naraz. W procesorach obsługujących Hyper-Threading liczba ta wzrasta do dwóch, co oznacza, że dwa wątki mogą jednocześnie wykorzystywać zasoby rdzenia do wykonywania różnych zadań.

Chociaż rdzenie obsługujące technologię SMT mogą obsługiwać więcej niż jeden wątek jednocześnie i teoretycznie oferują lepszą wielozadaniowość, niekoniecznie przekłada się to na bezpośredni wzrost wydajności przetwarzania.

Często zadawane pytania

Czy lepiej mieć więcej rdzeni czy wątków?

To zależy od programów, które chcesz używać. Aplikacje intensywnie wielowątkowe zwykle działają lepiej z większą liczbą wątków, natomiast niektóre programy mogą osiągać lepsze wyniki na rdzeniach jednowątkowych. Jednak więcej rdzeni bezpośrednio przełada się na wyższą wydajność CPU.

Ile wątków znajduje się w rdzeniu?

W większości dzisiejszych Intel CPUów każdy rdzeń może obsługiwać dwa wątki jednocześnie dzięki technologii Hyper-Threading. Jednak nie dotyczy to wszystkich procesorów. Procesory oparte na architekturze ARM, na przykład, mają jeden wątek na rdzeń.

Jaka jest różnica między rdzeniem a procesorem?

Rdzeń to fizyczna jednostka przetwarzająca wewnątrz procesora komputera (CPU). Procesor może zawierać wiele rdzeni, czyli oddzielnych jednostek przetwarzających, które mogą wykonywać instrukcje niezależnie od siebie.