CPU: ядра против потоков — всё, что нужно знать

Компьютер состоит из множества компонентов. Пожалуй, самый важный из них — CPU. Расшифровывается как Central Processing Unit, то есть центральный процессор. Это мозг компьютера: миллиарды крошечных транзисторов, работающих как электронные переключатели и управляющих потоками электричества в сложных схемах.

Помимо выполнения программных задач, CPUs координируют работу других компонентов компьютера: RAM (оперативной памяти), HDD (жёсткого диска) и SSD (твердотельного накопителя).

Производительность и эффективность процессора определяются множеством факторов, но один из самых часто обсуждаемых — ядра и потоки. Многие считают, что больше ядер — значит выше производительность. Но всё не так однозначно.

Понимание того, что делают ядра и потоки, помогает принимать верные решения при покупке или настройке компьютера. В идеале нужно добиться максимальной мощности без лишних трат. Оптимальное количество ядер и потоков сильно зависит от того, какие задачи вы планируете решать.

Если вы рассматриваете портативный вариант, например ноутбук, энергопотребление — не тот параметр, которым стоит пренебрегать. Последнее, что вам нужно в дороге — разряженная батарея в разгар работы. Выбор CPU с разумным энергопотреблением поможет избежать подобных ситуаций.

В этой статье я расскажу всё, что нужно знать о ядрах и потоках процессора: в чём их различие и какие ещё факторы влияют на производительность.

Что такое ядро CPU?

По сути, ядро — это физический вычислительный блок внутри CPU, который самостоятельно выполняет задачи. Представьте CPU как завод, где каждое ядро — отдельный работник. Чем больше работников, тем больше задач можно выполнить за то же время.

Изначально ядро CPU выполняло задачи строго по одной. Это означало полное отсутствие многозадачности в первых поколениях компьютеров. Однако принцип работы ядер кардинально изменился с появлением технологий многопоточности — об этом подробнее ниже.

Одноядерные и многоядерные процессоры

Первые компьютеры оснащались одноядерными CPUs, способными выполнять только одну задачу за раз. Чтобы запускать несколько программ одновременно, инженеры пробовали расширять материнские платы и объединять несколько CPUs. Однако независимо работающие процессоры создавали большие задержки и оказались нежизнеспособным решением.

Чтобы решить эту проблему, инженеры разработали многоядерные процессоры. Каждое ядро работает независимо и выполняет свой набор инструкций, не влияя на другие ядра. Соответственно, чем больше ядер у процессора, тем больше задач он может выполнять одновременно.

Одноядерный CPU потребляет значительно меньше энергии и вполне справляется с повседневными задачами вроде веб-сёрфинга. Но из-за ограниченной производительности такие процессоры всё менее востребованы. Их ещё можно встретить в старых системах, однако на современном рынке одноядерные CPUs фактически устарели.

Большинство потребительских компьютеров сегодня оснащены двумя, четырьмя, восемью или 16 ядрами. Максимальное количество ядер в потребительских CPUs достигает 64. Процессоры для дата-центров и серверов могут быть укомплектованы ещё большим числом ядер. Например, процессор AMD EPYC 9654 имеет целых 96 ядер.

Что такое поток обработки?

В компьютерных вычислениях поток (или поток выполнения) — это отдельная задача или единица работы, которую обрабатывает CPU. Каждый поток считается минимальной последовательностью программных инструкций, которой операционная система может управлять независимо. Это может быть что угодно: запуск программы или сохранение файла.

За обработку этих потоков отвечают ядра CPU. В любом CPU каждое ядро может выполнять как минимум один поток одновременно. Как уже было сказано, больше ядер означает лучшую многозадачность, но способность обрабатывать больше потоков даёт тот же эффект.

Понимание различий между потоками и ядрами, а также их роли в работе CPU поможет вам сделать правильный выбор под ваши задачи.

Что такое многопоточность?

Как несложно догадаться, отправлять процессору по одному потоку, ждать завершения задачи и только потом отправлять следующий — крайне долго. Именно поэтому инженеры разработали различные методы и стратегии для обработки большего числа потоков за меньшее время.

Самое очевидное решение — разбить поток на несколько более мелких и запустить их параллельно на CPU. Это называется «многопоточностью» (не путать с одновременной или временно́й многопоточностью). Программа может быть слабо или сильно многопоточной в зависимости от того, как она разработана.

Концепции интеграции различных стратегий многопоточности восходят к 50-м годам. Однако лишь в конце 90-х Intel применила технологию Simultaneous Multithreading (SMT) для разработки аппаратной многопоточности для настольных компьютеров. Intel назвала эту функцию Технология Hyper-Threading и представила её в настольном процессоре Intel Pentium 4 в 2002 году.

Благодаря Hyper-Threading от Intel до двух потоков могут совместно использовать ресурсы одного ядра CPU. Иными словами, вы фактически получаете вдвое больше «работников», способных выполнять ваши задачи. При этом каждая пара работников делит одни и те же ресурсы.

Hyper-Threading: плюсы и минусы

Главное преимущество Hyper-Threading — заметный прирост производительности системы за счёт более полного использования доступных вычислительных ресурсов. Тем не менее в ряде случаев однопоточный режим по-прежнему предпочтительнее.

В большинстве ситуаций, особенно при повседневной многозадачности, ядра CPU загружены не полностью. Это означает, что вычислительные мощности ещё не исчерпаны. Hyper-Threading задействует неиспользуемые ресурсы ядра CPU для выполнения дополнительных потоков, обеспечивая тем самым более полное использование потенциала CPU.

При всех своих преимуществах Hyper-Threading имеет и существенные недостатки. Главный из них — повышенное энергопотребление. По сравнению с чипами на базе ARM, процессоры Intel давно известны прожорливостью в ноутбуках, и Hyper-Threading — одна из причин этого.

Повышенное энергопотребление процессора при Hyper-Threading ведёт к росту температур и тепловому дросселированию: CPU снижает частоту, чтобы не перегреться. Кроме того, портативные устройства с такими Intel CPU требуют более массивных систем охлаждения, что заметно увеличивает вес и габариты устройства.

Наконец, поскольку прирост производительности во многом зависит от конкретного приложения, именно разработчики должны проектировать программы с учётом возможностей Hyper-Threading. Это усложняет создание ПО, способного максимально задействовать эту технологию. Программы без поддержки Hyper-Threading могут работать нестабильно при высокой нагрузке на процессор.

Больше ядер или потоков: что важнее?

Поскольку многое зависит от программ, которые вы планируете использовать, однозначно сказать, что важнее, нельзя. Больше ядер, как правило, означает больше доступных ресурсов. С другой стороны, больше потоков может давать лучшую многозадачность, хотя и не всегда.

Для сильно многопоточных программ большее число потоков на ядро CPU нередко обеспечивает более быстрое и эффективное выполнение. Напротив, программы, оптимизированные для однопоточных архитектур ядра CPU, могут потерять в производительности при включённом Hyper-Threading.

При этом некоторые пользователи заметили, что ряд игр — как старых, так и новых — работает заметно лучше при отключённом Hyper-Threading. Например, один пользователь на Reddit сообщил, что наблюдал примерно 30% прирост FPS в большинстве игр после отключения Hyper-Threading на своём Intel Core i9 CPU.

На протяжении многих лет Intel доминировала на рынке CPU для ноутбуков и настольных компьютеров, предлагая чипы с вдвое большим числом потоков, чем ядер, — благодаря Hyper-Threading. Однако в последнее время ряд конкурентов начал разрабатывать принципиально иные архитектуры CPU, которые оказались значительно эффективнее при работе с однопоточными ядрами.

Apple Silicon, например, — это серия чипов на базе ARM, которая оказалась значительно экономичнее решений на базе Intel в последних компьютерах Apple. Кроме того, ряд новых ноутбуков на Windows, включая Microsoft Surface Pro 11, перешёл на ARM-процессоры ради лучшего времени автономной работы и производительности в повседневных задачах. Все эти ARM-чипы оснащены однопоточными ядрами.

С учётом всего вышесказанного, большее число потоков не обязательно означает лучшую производительность CPU. Зато большее число ядер — более прямой показатель способности процессора справляться со сложными и ресурсоёмкими задачами.

Какие ещё факторы определяют производительность CPU?

Мы разобрали различия между ядрами и потоками процессора. Однако это далеко не единственные факторы, определяющие итоговую производительность CPU.

Тактовая частота (или просто «частота») — один из ключевых параметров процессора. Она показывает, сколько циклов CPU выполняет в секунду. Например, процессор с частотой 3,2 GHz обрабатывает 3,2 миллиарда циклов в секунду.

Ещё один важный параметр — кэш-память CPU. Это быстрая память, в которой хранятся часто используемые данные. Чем больше и быстрее кэш, тем эффективнее CPU справляется с задачами, требующими частого обращения к данным.

Современные процессоры производятся по нанометровым техпроцессам — например, 7 нм или 5 нм. Чем меньше норма техпроцесса, тем больше транзисторов умещается на кристалле. Это повышает энергоэффективность и производительность: сигналы проходят более короткий путь и тратят меньше времени и энергии.

На итоговую производительность CPU влияют и другие факторы: IPC (количество инструкций за цикл), пропускная способность шины и тепловой пакет (TDP).

Прежде чем закончить, хочу познакомить вас с нашими высокопроизводительными Облачный VPS на Cloudzy. Мы предлагаем CPU с частотой 3,2 и 4,2 GHz, хранилище NVMe, высокую пропускную способность и соединения до 10Gbps. Если вы ищете надёжную виртуальную машину, обратите внимание на наши планы VPS — оптимальное сочетание стабильности и скорости.

Итог: поток против ядра

Когда речь идёт о производительности компьютера, именно CPU отвечает за выполнение программ. Ядро CPU — это физический блок внутри процессора, который обрабатывает задачи. Как правило, CPU содержит несколько ядер, каждое из которых выполняет как минимум один поток.

Поток — это минимальная последовательность инструкций, которая передаётся на ядро CPU для обработки. Каждое ядро может одновременно работать хотя бы с одним потоком. В процессорах с поддержкой Hyper-Threading это число вырастает до двух: оба потока одновременно используют ресурсы ядра для выполнения разных задач.

Ядра с поддержкой SMT обрабатывают несколько потоков одновременно и теоретически лучше справляются с многозадачностью, однако это не всегда даёт прямой прирост общей производительности.

Часто задаваемые вопросы

Что лучше: больше ядер или больше потоков?

Всё зависит от того, какие программы вы используете. Многопоточные приложения, как правило, выигрывают от большего числа потоков, тогда как некоторые программы лучше работают на одном потоке. При этом больше ядер — это более прямой и предсказуемый прирост производительности CPU.

Сколько потоков в одном ядре?

В большинстве современных Intel CPU каждое ядро обрабатывает два потока одновременно благодаря технологии Hyper-Threading. Но это справедливо не для всех процессоров. Например, в CPU на базе ARM на каждое ядро приходится один поток.

В чём разница между ядром и процессором?

Ядро — это физический вычислительный блок внутри процессора (CPU). Один процессор может содержать несколько ядер: каждое из них является самостоятельной вычислительной единицей и выполняет инструкции независимо от остальных.