CPU ядра та потоки: усе, що потрібно знати

Комп'ютер складається з різних компонентів. Найважливішим внутрішнім серед них можна вважати CPU. CPU — скорочення від Central Processing Unit — це мозок комп'ютера. Він побудований з мільярдів мікроскопічних транзисторів, що працюють як електронні перемикачі й відповідають за керування потоком струму в складних схемах.

Окрім виконання програмних завдань, CPU координує роботу інших компонентів комп'ютера: RAM (оперативна пам'ять), HDD (жорсткий диск) і SSD (твердотільний накопичувач).

Продуктивність і ефективність процесора визначають численні фактори, але одна з найбільш обговорюваних тем — ядра проти потоківЗагалом прийнято вважати, що більше ядер означає вищу продуктивність. Але насправді все не так однозначно.

Розуміння того, що роблять ядра й потоки, важливе для прийняття правильних рішень при купівлі чи налаштуванні комп'ютера. В ідеалі ви хочете отримати максимум продуктивності, не витрачаючи зайвого. Залежно від завдань, оптимальна кількість ядер і потоків може суттєво відрізнятися.

Крім того, якщо ви обираєте портативний пристрій (наприклад, ноутбук), енергоефективність — це те, чим не можна нехтувати. Нікому не хочеться, щоб батарея сіла посеред важливої роботи. Вибір CPU з розумним енергоспоживанням допоможе уникнути таких неприємностей.

У цій статті я розповім усе, що потрібно знати про ядра й потоки процесора, їхні відмінності та інші фактори, що впливають на продуктивність процесора.

Що таке ядро CPU?

По суті, ядро — це фізичний обчислювальний блок всередині CPU, який самостійно виконує завдання. Уявіть CPU як завод, де кожне ядро — це окремий «робітник», здатний виконувати задачі. Загалом, чим більше таких «робітників», тим більше завдань можна виконати за менший час.

Традиційно ядро CPU виконувало задачі по одній. Через це перші комп'ютери не вміли справжнього багатозадачного режиму. Однак із розвитком технологій багатопоточності, про які йтиметься далі, підхід до виконання задач ядрами кардинально змінився.

Одноядерні та багатоядерні процесори

Перші комп'ютери мали одноядерні CPU і могли виконувати лише одну задачу за раз. Щоб запускати кілька програм одночасно, інженери намагалися розширити материнську плату й об'єднати кілька CPU. Але кілька незалежних процесорів породжували значні затримки і виявилися непрактичним рішенням.

Щоб вирішити цю проблему, інженери розробили багатоядерні процесори. Оскільки кожне ядро працює незалежно, воно обробляє свій набір інструкцій, не заважаючи іншим. Тобто чим більше ядер у процесорі, тим більше задач він може виконувати паралельно.

Одноядерний CPU споживає значно менше енергії і може впоратися зі звичайними задачами на кшталт перегляду вебсторінок. Але через обмежену продуктивність такі процесори стають дедалі менш актуальними. Їх ще можна зустріти в старих системах, проте на сучасному ринку одноядерні CPU здебільшого застаріли.

Зазвичай звичайні комп'ютери мають два, чотири, вісім або 16 ядер. Максимальна кількість ядер у споживчих CPU наразі сягає 64. Процесори для центрів обробки даних і корпоративних серверів можуть мати ще більше ядер. Наприклад, процесор AMD EPYC 9654 оснащений аж 96 ядрами.

Що таке потік обробки?

В обчисленнях потік (або потік виконання) — це окреме завдання чи ділянка роботи, яку обробляє CPU. Кожен потік вважається найменшою послідовністю програмних інструкцій, якою операційна система може керувати незалежно. Це може бути що завгодно: від запуску програми до збереження файлу.

Ядра CPU відповідають за обробку цих потоків. У будь-якому CPU кожне ядро може виконувати щонайменше один потік за раз. Як вже зазначалося, більше ядер покращує багатозадачність, але здатність обробляти більше потоків дає той самий ефект.

Розуміння відмінностей між можливостями потоків і ядер, а також їхньої ролі у CPU, допоможе вам зробити правильний вибір залежно від ваших потреб.

Що таке багатопоточність?

Як можна здогадатися, надсилати до процесора лише один потік, чекати завершення задачі, а тоді надсилати наступний — дуже повільно. Тому інженери розробили різні методи й підходи, щоб обробляти більше потоків за менший час.

Найпростіший варіант — розбити потік на окремі менші та запустити їх паралельно на CPU. Цей підхід називається «багатопоточністю» (не плутати з одночасною або часовою багатопоточністю). Програма може бути слабко або сильно потокованою залежно від того, як вона розроблена.

Ідеї інтеграції різних стратегій багатопоточності сягають 50-х років. Але лише наприкінці 90-х Intel застосував технологію Simultaneous Multithreading (SMT), щоб розробити апаратну техніку багатопоточності для настільних комп'ютерів. Intel назвав цю функцію Технологія Hyper-Threading і представив її у процесорі Intel Pentium 4 у 2002 році.

Завдяки Hyper-Threading від Intel до двох потоків можуть спільно використовувати ресурси одного ядра CPU для виконання потрібних задач. Іншими словами, ви фактично отримуєте вдвічі більше «робітників» для виконання завдань. Однак кожна пара таких «робітників» ділить одні й ті самі ресурси.

Hyper-Threading: переваги та недоліки

Основна перевага Hyper-Threading — помітне зростання продуктивності системи завдяки повнішому використанню наявних обчислювальних ресурсів. Втім, у деяких випадках однопоточний режим може бути кращим вибором.

Здебільшого, особливо під час звичайного багатозадачного режиму, ядра CPU вашого комп'ютера завантажені не повністю. Тобто є резерв для додаткових обчислень. Hyper-Threading задіює цей невикористаний потенціал ядра CPU для виконання інших потоків, що дозволяє максимально ефективно використовувати CPU.

Попри свої переваги, Hyper-Threading має й суттєві недоліки. Головний із них — підвищене енергоспоживання. Порівняно з чипами на базі ARM, процесори Intel споживають значно більше енергії в ноутбуках, і Hyper-Threading — одна з причин цього.

Через підвищене енергоспоживання процесора Hyper-Threading призводить до зростання температури та теплового троттлінгу: CPU знижує тактову частоту, щоб запобігти перегріву. До того ж портативні пристрої з такими Intel CPU потребують масивніших систем охолодження, що помітно збільшує вагу та габарити пристрою.

Нарешті, оскільки приріст продуктивності значною мірою залежить від конкретного застосунку, саме розробники несуть відповідальність за те, щоб програми ефективно використовували Hyper-Threading. Це ускладнює створення програм, які б повністю реалізовували цю технологію. Крім того, програми без підтримки Hyper-Threading можуть нестабільно працювати в умовах високого навантаження на процесор.

Більше ядер чи потоків: що краще?

Оскільки багато залежить від програм, які ви плануєте використовувати, однозначно визначити, що важливіше, не завжди можливо. Більша кількість ядер зазвичай означає більше доступних ресурсів. Натомість більше потоків може покращити багатозадачність, хоча й не завжди.

Для програм із активним використанням потоків більша кількість потоків на ядро CPU часто забезпечує швидше та ефективніше виконання задач. Водночас програми, оптимізовані для однопоточних архітектур ядра CPU, можуть втрачати в продуктивності при увімкненому Hyper-Threading на CPU.

Тим не менш, деякі користувачі помітили, що чимало ігор — як старих, так і нових — працюють помітно краще з вимкненим Hyper-Threading. Наприклад, один із користувачів Reddit повідомив, що отримав приблизно 30% приріст FPS у більшості ігор після вимкнення Hyper-Threading на своєму Intel Core i9 CPU.

Протягом багатьох років Intel домінував на ринку CPU для ноутбуків і настільних комп'ютерів, пропонуючи чипи з удвічі більшою кількістю потоків, ніж ядер, завдяки Hyper-Threading. Однак останнім часом деякі конкуренти розробили принципово інші архітектури CPU, які виявилися значно ефективнішими при використанні однопоточних ядер.

Apple Silicon, наприклад, це серія чипів на базі ARM, які виявилися значно економічнішими за моделі на базі Intel у нових комп'ютерах Apple. Крім того, кілька нових Windows ноутбуків, зокрема Microsoft Surface Pro 11, перейшли на ARM-процесори заради кращої автономності та продуктивності в повсякденних сценаріях. Усі ці ARM-чипи мають однопоточні ядра.

Загалом більша кількість потоків не обов'язково означає вищу продуктивність CPU. Натомість більша кількість ядер є прямішим показником здатності процесора справлятися зі складнішими та ресурсомісткими завданнями.

Які ще фактори визначають продуктивність CPU?

Ми розглянули відмінності між ядрами та потоками процесора. Проте це не єдині фактори, що визначають кінцеву продуктивність вашого CPU.

Тактова частота (також «частота роботи» або просто «частота») — один із ключових параметрів при порівнянні процесорів. Коротко кажучи, тактова частота показує, скільки циклів CPU виконує за секунду. Наприклад, процесор із тактовою частотою 3,2 GHz виконує 3,2 мільярда циклів на секунду.

Ще один важливий параметр — кеш-пам'ять CPU. Кеш — це швидкодіюча пам'ять, яка зберігає дані, до яких часто звертається процесор. Більший і швидший кеш прискорює виконання задач, що потребують частого доступу до даних.

Комп'ютерні процесори виробляють за нанометровими технологічними нормами (наприклад, 7 нм або 5 нм). Менший техпроцес дозволяє розмістити більше транзисторів на кристалі, що підвищує енергоефективність і продуктивність: сигнали долають коротші відстані і тому потребують менше часу та енергії.

Такі параметри, як IPC (кількість інструкцій за цикл), швидкість шини та тепловий пакет (TDP), також впливають на те, яку продуктивність можна отримати від CPU.

Перш ніж завершити, хочу розповісти вам про наші високопродуктивні Хмарний VPS на Cloudzy. Ми пропонуємо топові CPU з тактовою частотою 3,2 і 4,2 GHz, NVMe сховище, високу пропускну здатність і з'єднання до 10Gbps. Якщо вам потрібна надійна віртуальна машина, обов'язково перегляньте наші плани VPS — для максимальної надійності та швидкості!

Підсумок: потік проти ядра

З точки зору продуктивності комп'ютера, CPU — це головний компонент, відповідальний за виконання програм. Ядро CPU — це фізичний обчислювальний блок усередині процесора. Як правило, CPU має кілька ядер, кожне з яких виконує щонайменше один потік.

Потік — це найменша послідовність інструкцій, що надсилається на ядро CPU для виконання. Кожне ядро CPU здатне обробляти щонайменше один потік одночасно. У процесорах із підтримкою Hyper-Threading ця кількість зростає до двох: два потоки можуть одночасно використовувати ресурси одного ядра для виконання різних задач.

Хоча ядра з підтримкою SMT можуть обробляти кілька потоків одночасно і теоретично забезпечують кращу багатозадачність, це не завжди означає пропорційне зростання обчислювальної продуктивності.

Часто задавані питання

Краще мати більше ядер чи потоків?

Все залежить від програм, які ви збираєтеся використовувати. Багатопоточні застосунки, як правило, краще працюють із більшою кількістю потоків, тоді як деякі програми ефективніші на однопоточних ядрах. Проте більша кількість ядер безпосередньо впливає на зростання продуктивності CPU.

Скільки потоків в одному ядрі?

У більшості сучасних Intel CPU кожне ядро може обробляти два потоки одночасно завдяки технології Hyper-Threading. Але це стосується не всіх процесорів. Наприклад, CPU на базі ARM мають один потік на ядро.

У чому різниця між ядром і процесором?

Ядро — це фізичний обчислювальний блок усередині процесора (CPU). Один процесор може містити кілька ядер, кожне з яких здатне виконувати інструкції незалежно від інших.