Rdzenie procesorów a wątki: wszystko, co musisz wiedzieć

Komputer składa się z różnych podzespołów. Prawdopodobnie najważniejszym elementem wewnętrznym jest procesor. W skrócie Central Processing Unit, procesor jest mózgiem komputera. Składa się z miliardów maleńkich tranzystorów, które działają jak przełączniki elektroniczne odpowiedzialne za kontrolowanie przepływu energii elektrycznej w skomplikowanych obwodach.

Oprócz wykonywania programów zadań, procesory koordynują inne komponenty komputera, w tym pamięć RAM (pamięć o dostępie swobodnym), dysk twardy (dysk twardy) i dysk SSD (dysk półprzewodnikowy).

Istnieje wiele czynników determinujących wydajność i efektywność procesora, ale jednym z najczęściej dyskutowanych tematów jest rdzenie a wątki. Ogólnie rzecz biorąc, ludzie uważają, że więcej rdzeni oznacza większą wydajność. Jednak nie zawsze jest to takie proste.

Wiedza o tym, co robią rdzenie i wątki, jest ważna dla podejmowania właściwych decyzji przy zakupie lub konfiguracji komputera. Idealnie byłoby zoptymalizować moc tak bardzo, jak to możliwe, bez nadmiernych wydatków. W zależności od zadań, które chcesz wykonać, odpowiednia liczba rdzeni i wątków może się znacznie różnić.

Co więcej, jeśli zdecydujesz się na urządzenie przenośne (takie jak laptop), nie możesz zaniedbać wydajności energetycznej. Ostatnią rzeczą, jakiej chciałbyś zabrać ze sobą komputer, jest rozładowywanie się baterii w trakcie wykonywania zadania. Wybór procesora o odpowiednim zużyciu energii może zminimalizować ryzyko wystąpienia takich bólów głowy.

W tym poście wyjaśnię wszystko, co musisz wiedzieć o rdzeniach i wątkach procesorów komputerowych, ich różnicach i innych czynnikach wpływających na poziom wydajności procesora.

Co to jest rdzeń procesora?

Zasadniczo rdzeń to fizyczna jednostka przetwarzająca wewnątrz procesora, odpowiedzialna za niezależne wykonywanie zadań. Możesz myśleć o swoim procesorze jak o fabryce, w której każdy rdzeń jest „pracownikiem”, który może wykonywać zadania. Ogólnie rzecz biorąc, można wykonać więcej zadań z większą liczbą pracowników w krótszym czasie.

Tradycyjnie rdzeń procesora był projektowany do wykonywania zadań pojedynczo. Oznaczało to brak możliwości wielozadaniowości w pierwszych iteracjach komputerów. Jednak sposób, w jaki rdzenie procesorów radzą sobie z tym, znacząco się zmienił dzięki rozwojowi technologii wielowątkowych, o czym napiszę w dalszej części tego artykułu.

Procesory jedno- i wielordzeniowe

Wcześniejsze wersje komputerów posiadały jednordzeniowe procesory, które mogły wykonywać jedno zadanie na raz. Aby uruchamiać wiele programów jednocześnie, inżynierowie komputerowi próbowali rozszerzyć płytę główną i dodać razem wiele jednostek procesorowych. Jednak kilka procesorów działających niezależnie spowodowało duże opóźnienia i okazało się niepraktyczne.

Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie zaprojektowali procesory wielordzeniowe. Ponieważ każdy rdzeń działa niezależnie, każdy rdzeń może obsłużyć własny zestaw instrukcji bez wpływu na inny rdzeń. Oznacza to, że im więcej rdzeni ma procesor komputera, tym więcej zadań może wykonywać jednocześnie.

Jednordzeniowy procesor zużywa znacznie mniej energii i może wystarczyć do codziennych zadań, takich jak przeglądanie stron internetowych. Ale ponieważ mają ograniczone możliwości wydajności, stają się coraz mniej korzystne. Chociaż nadal można je znaleźć w niektórych starszych systemach, jednordzeniowe procesory są w dużej mierze przestarzałe na dzisiejszym rynku.

Zazwyczaj komputery codziennego użytku są wyposażone w dwa, cztery, osiem lub 16 rdzeni procesora. Największa na rynku liczba rdzeni w procesorach konsumenckich wynosi 64. Procesory przeznaczone dla centrów danych i serwerów korporacyjnych mogą pomieścić jeszcze więcej rdzeni. Na przykład procesor AMD EPYC 9654 jest uzbrojony w aż 96 rdzeni.

Co to jest wątek przetwarzający?

W przetwarzaniu komputerowym wątek (lub wątek wykonania) odnosi się do pojedynczego zadania lub linii pracy przetwarzanej przez procesor. Każdy wątek jest uważany za najmniejszą sekwencję zaprogramowanych instrukcji, którymi system operacyjny może zarządzać niezależnie. Może to być wszystko, od uruchomienia programu lub zapisania pliku.

Rdzenie procesora są odpowiedzialne za przetwarzanie tych wątków. W dowolnym procesorze każdy rdzeń może wykonywać co najmniej jeden wątek na raz. Jak wspomniano, posiadanie większej liczby rdzeni skutkuje lepszymi możliwościami wielozadaniowości, ale możliwość obsługi większej liczby wątków może również skutkować tym samym.

Znajomość różnic w możliwościach wątków i rdzeni, wraz ze zrozumieniem ich roli w procesorze, może pomóc w dokonaniu wyboru najlepszego dla Twoich potrzeb.

Co to jest wielowątkowość?

Jak można się domyślić, wysłanie tylko jednego wątku do układu procesora, oczekiwanie na zakończenie zadania, a następnie przesłanie kolejnego może być bardzo czasochłonne. Z tego powodu inżynierowie komputerowi opracowali różne metody i strategie przetwarzania większej liczby wątków w krótszym czasie.

Najprostszym rozwiązaniem jest podzielenie wątku na osobne, mniejsze i uruchomienie ich równolegle przez procesor. Nazywa się to „wielowątkowością” (nie należy mylić z wielowątkowością symultaniczną lub czasową). Program może być lekko lub mocno wielowątkowy, w zależności od sposobu jego opracowania.

Koncepcje integracji różnych strategii wielowątkowości sięgają lat 50-tych. Jednak dopiero pod koniec lat 90. firma Intel wykorzystała technologię zwaną jednoczesną wielowątkowością (SMT) do opracowania sprzętowej techniki wielowątkowości dla komputerów stacjonarnych. Intel nazwał funkcjonalność Technologia Hyper-Threading i wprowadził go w chipie procesora Intel Pentium 4 do komputerów stacjonarnych w 2002 roku.

Dzięki technologii Intel Hyper-Threading nawet dwa wątki mogą współdzielić te same zasoby rdzenia procesora, aby wykonywać żądane zadania. Innymi słowy, masz praktycznie dostęp do podwójnej liczby „pracowników”, którzy mogą wykonać Twoje zadania. Jednakże każda grupa dwóch pracowników ma te same zasoby.

Hyper-Threading: zalety i wady

Podstawową zaletą Hyper-Threading jest to, że znacznie zwiększa wydajność systemu poprzez wykorzystanie większej ilości dostępnych zasobów obliczeniowych. Jednak w niektórych przypadkach nadal preferowane może być jednowątkowe.

W większości przypadków, zwłaszcza podczas codziennej wielozadaniowości, liczba rdzeni procesora komputera nie jest maksymalnie wykorzystana. Oznacza to, że nadal jest miejsce na dalsze przetwarzanie. Hyper-Threading odblokowuje niewykorzystaną moc obliczeniową w rdzeniu procesora, aby uruchomić inne wątki, co zapewnia bardziej usprawnione wykorzystanie maksymalnego potencjału procesora.

Chociaż Hyper-Threading jest korzystny, ma również wyraźne wady. Główną wadą jest zwiększone zużycie energii. W porównaniu do chipów opartych na ARM, procesory Intel słyną z tego, że pobierają dużo energii z laptopów, a Hyper-Threading jest jednym z powodów.

W przypadku większej mocy pobieranej przez procesor, funkcja Hyper-Threading skutkuje wysokimi temperaturami i dławieniem termicznym, w wyniku którego procesor zwalnia, aby zapobiec przegrzaniu. Poza tym urządzenia przenośne wyposażone w takie procesory Intel wymagają bardziej masywnych systemów chłodzenia, co może znacznie zwiększyć wagę i proporcje urządzenia.

Wreszcie, ponieważ zwiększenie wydajności w dużym stopniu zależy od aplikacji, ostatecznie w rękach programistów leży projektowanie aplikacji wykorzystujących technologię Hyper-Threading. Zwiększa to wyzwania związane z opracowywaniem programów maksymalizujących efektywność. Co więcej, oprogramowanie, które nie obsługuje technologii Hyper-Threading, może nie działać płynnie w warunkach intensywnie obciążających procesor.

Więcej rdzeni vs. wątków: co jest lepsze?

Ponieważ zależy to w dużej mierze od programów, z których zamierzasz korzystać, trudno we wszystkich przypadkach uznać jeden za ważniejszy od drugiego. Więcej rdzeni zazwyczaj przekłada się na więcej dostępnych zasobów. Z drugiej strony więcej wątków może skutkować lepszymi możliwościami wielozadaniowości, choć nie zawsze.

W przypadku programów o dużej liczbie wątków posiadanie większej liczby wątków przypisanych do rdzenia procesora często skutkuje lepszym i szybszym wykonaniem. Z drugiej strony programy zoptymalizowane pod kątem jednowątkowej architektury rdzenia procesora mogą wykazywać spadek wydajności, gdy w procesorze jest włączona funkcja Hyper-Threading.

Biorąc to pod uwagę, niektórzy zauważyli, że kilka gier – zarówno starych, jak i nowych – działa znacznie lepiej, gdy funkcja Hyper-Threading jest wyłączona. Na przykład użytkownik Reddita twierdzi, że widział około 30% wzrost FPS w większości gier po wyłączeniu Hyper-Threading na swoim procesorze Intel Core i9.

Przez lata Intel dominował na rynku procesorów do laptopów i komputerów stacjonarnych z chipami zapewniającymi dwukrotnie więcej wątków niż rdzenie, dzięki technologii Hyper-Threading. Jednak niektórzy rywale rozpoczęli niedawno pracę nad różnymi architekturami procesorów, które okazały się niewiarygodnie wydajniejsze, oferując jednocześnie jednowątkowe rdzenie procesorów.

Na przykład Apple Silicon to seria chipów opartych na architekturze ARM, która okazała się znacznie bardziej energooszczędna niż modele oparte na procesorach Intel w najnowszych komputerach Apple. Ponadto kilka nowych laptopów z systemem Windows, w tym Microsoft Surface Pro 11, przeszło na procesory ARM, aby zapewnić lepszą żywotność baterii i wydajność w codziennych zastosowaniach. Wszystkie te chipy oparte na ARM są wyposażone w rdzenie jednowątkowe.

Biorąc wszystko pod uwagę, posiadanie większej liczby wątków niekoniecznie przekłada się na lepszą wydajność procesora. Jednakże posiadanie większej liczby rdzeni jest bardziej bezpośrednim czynnikiem determinującym zdolność procesora do obsługi bardziej złożonych i wymagających dużych zasobów poleceń.

Jakie inne czynniki determinują wydajność procesora?

Omówiliśmy różnice między rdzeniem procesora a wątkiem w komputerach. Jednak nie są to jedyne czynniki określające ostateczną moc wyjściową procesora.

Szybkość zegara (również „częstotliwość zegara” lub po prostu „częstotliwość”) jest jednym z głównych czynników różnicujących procesory komputerowe. Krótko mówiąc, szybkość zegara mierzy, ile cykli procesor może wykonać na sekundę. Na przykład procesor o taktowaniu 3,2 GHz może wykonać 3,2 miliarda cykli na sekundę.

Kolejnym parametrem, który należy wziąć pod uwagę, jest pamięć podręczna procesora. Pamięć podręczna procesora to szybka pamięć przechowująca często używane dane. Większe i szybsze pamięci podręczne przyspieszają zdolność procesora do wykonywania zadań wymagających częstego dostępu do danych.

Procesory komputerowe są budowane w procesach produkcyjnych nanometrowych (nm) (takich jak 7 nm lub 5 nm). Mniejsze węzły oznaczają, że w chipie może zmieścić się więcej tranzystorów, co skutkuje większą efektywnością energetyczną i wydajnością, ponieważ sygnały pokonują krótsze odległości, a zatem wymagają mniej czasu i energii.

Inne czynniki, takie jak IPC (instrukcje na cykl), prędkość magistrali i projektowana moc cieplna również odgrywają rolę w wydajności, jaką można wycisnąć z procesora.

Zanim zakończę, pozwól, że przedstawię Ci naszą wysoką wydajność Chmura VPS w Cloudzym. Oferujemy wysokiej klasy, niesamowicie szybkie procesory 3,2 i 4,2 GHz, pamięć masową NVMe, dużą przepustowość i połączenia o przepustowości do 10 Gb/s. Jeśli szukasz solidnej maszyny wirtualnej, koniecznie sprawdź nasze plany VPS zapewniające niezrównaną niezawodność i szybkość!

Końcowe przemyślenia: wątek kontra rdzeń

Jeśli chodzi o wydajność komputera, procesor jest głównym działem odpowiedzialnym za wykonywanie programów. Rdzeń procesora to jednostka fizyczna w procesorze służąca do przetwarzania zadań. Zazwyczaj procesory mają wiele rdzeni, z których każdy wykonuje co najmniej jeden wątek.

Wątek często odnosi się do najmniejszej sekwencji instrukcji wysyłanych do rdzenia procesora w celu przetworzenia. Każdy rdzeń procesora może obsłużyć co najmniej jeden wątek na raz. W procesorach obsługujących funkcję Hyper-Threading liczba ta wzrasta do dwóch, co oznacza, że ​​dwa wątki mogą jednocześnie wykorzystywać zasoby rdzenia do wykonywania różnych zadań.

Chociaż rdzenie obsługujące technologie SMT mogą obsłużyć więcej niż jeden wątek na raz i teoretycznie oferują lepszą wielozadaniowość, nie zawsze przekłada się to na bezpośredni wzrost wydajności przetwarzania.

Często zadawane pytania

Czy lepiej mieć więcej rdzeni niż wątków?

Zależy to od programów, z których zamierzasz korzystać. Aplikacje o dużej liczbie wątków zazwyczaj działają lepiej przy większej liczbie wątków, podczas gdy niektóre programy mogą działać lepiej na rdzeniach jednowątkowych. Jednak więcej rdzeni przekłada się na bardziej bezpośredni wzrost wydajności procesora.

Ile wątków znajduje się w rdzeniu?

W większości współczesnych procesorów Intela każdy rdzeń może obsłużyć dwa wątki jednocześnie, dzięki technologii zwanej Hyper-Threading. Ale nie dotyczy to wszystkich układów procesorów. Na przykład procesory oparte na architekturze ARM mają jeden wątek na rdzeń.

Jaka jest różnica między rdzeniem a procesorem?

Rdzeń to fizyczna jednostka przetwarzająca znajdująca się wewnątrz procesora komputera (CPU). W procesorze może znajdować się wiele rdzeni, które są indywidualnymi jednostkami przetwarzającymi, które mogą niezależnie wykonywać instrukcje.