CPU Cores vs. Threads: Hướng dẫn đầy đủ

Một máy tính được tạo thành từ các thành phần khác nhau. Có thể nói rằng thành phần bên trong quan trọng nhất là CPU. Viết tắt của Central Processing Unit, CPU là bộ não của máy tính. Nó được tạo thành từ hàng tỷ bóng bán dẫn nhỏ hoạt động như những công tắc điện tử, chịu trách nhiệm kiểm soát dòng điện chảy qua các mạch phức tạp.

Bên cạnh việc thực thi các nhiệm vụ của chương trình, CPUs điều phối các thành phần khác trong máy tính, bao gồm RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên), HDD (ổ đĩa cứng), và SSD (ổ đĩa thể rắn).

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả của bộ xử lý, nhưng một trong những chủ đề được tranh luận nhiều nhất là nhân vs. luồng. Nói chung, mọi người tin rằng càng nhiều lõi thì hiệu suất càng cao. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng đơn giản như vậy.

Hiểu rõ lõi và luồng làm gì là quan trọng để đưa ra quyết định đúng khi mua hoặc cấu hình máy tính. Lý tưởng nhất, bạn muốn tối ưu hóa năng lực mà không phí tiền. Tùy thuộc vào những tác vụ bạn muốn thực hiện, số lượng lõi và luồng thích hợp có thể rất khác nhau.

Hơn nữa, nếu bạn chọn một thiết bị di động (như laptop), hiệu suất tiêu thụ điện năng là điều bạn không thể bỏ qua. Điều cuối cùng bạn muốn khi mang máy tính đi là hết pin giữa chừng công việc. Chọn CPU với mức tiêu thụ điện năng phù hợp có thể giảm thiểu rủi ro gặp phải tình huống đó.

Trong bài viết này, tôi sẽ giải thích mọi thứ bạn cần biết về lõi và luồng của bộ xử lý máy tính, sự khác biệt giữa chúng, và các yếu tố khác ảnh hưởng đến mức hiệu suất của bộ xử lý.

Lõi CPU là gì?

Lõi là một đơn vị xử lý vật lý bên trong CPU, chịu trách nhiệm thực hiện các tác vụ một cách độc lập. Bạn có thể hình dung CPU như một nhà máy, mỗi lõi là một "công nhân" có khả năng xử lý các tác vụ. Nói chung, với nhiều công nhân hơn, bạn có thể hoàn thành nhiều tác vụ hơn trong một khoảng thời gian ngắn hơn.

Trước đây, một lõi CPU được thiết kế để thực hiện công việc tuần tự, từng cái một. Điều này đồng nghĩa với việc các máy tính thời kỳ đầu không có khả năng xử lý đa nhiệm. Tuy nhiên, cách thức hoạt động của các lõi CPU đã thay đổi đáng kể nhờ sự phát triển của công nghệ đa luồng, mà tôi sẽ đề cập chi tiết hơn ở phần sau của bài viết này.

Bộ xử lý một lõi vs. đa lõi

Những máy tính thời kỳ đầu chỉ có CPU đơn nhân, chạy được một tác vụ tại một thời điểm. Để thực thi nhiều chương trình cùng lúc, các kỹ sư máy tính đã cố gắng mở rộng bo mạch chủ và gắn nhiều CPU lại với nhau. Tuy nhiên, việc chạy độc lập nhiều CPU gây ra độ trễ lớn và tỏ ra không thực tế.

Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đã thiết kế bộ xử lý đa lõi. Vì mỗi lõi hoạt động độc lập, nên mỗi lõi có thể xử lý tập hợp các lệnh riêng của nó mà không ảnh hưởng đến lõi khác. Điều này có nghĩa là bộ xử lý máy tính càng có nhiều lõi, nó càng có thể thực thi nhiều tác vụ cùng lúc.

Một CPU CPU đơn nhân tiêu thụ ít điện năng hơn đáng kể và có thể đủ cho các tác vụ hàng ngày như duyệt web. Nhưng vì chúng có khả năng hiệu suất hạn chế, chúng ngày càng trở nên ít được ưa thích. Mặc dù bạn vẫn có thể tìm thấy chúng trong một số hệ thống cũ, CPU CPU đơn nhân phần lớn đã lỗi thời trên thị trường hiện nay.

Máy tính thông thường thường có hai, bốn, tám hoặc 16 lõi CPU. Số lõi cao nhất trong các CPU hướng đến người dùng trên thị trường là 64. Các bộ xử lý cho trung tâm dữ liệu và máy chủ doanh nghiệp có thể chứa nhiều lõi hơn nữa. Bộ xử lý AMD EPYC 9654, chẳng hạn, được trang bị tới 96 lõi.

Luồng xử lý là gì?

Trong xử lý máy tính, một luồng (hay luồng thực thi) là một tác vụ hoặc dòng công việc riêng lẻ mà CPU thực hiện. Mỗi luồng được coi là chuỗi lệnh lập trình nhỏ nhất mà hệ điều hành của bạn có thể quản lý độc lập. Nó có thể là bất kỳ thứ gì từ khởi động một chương trình hay lưu một tệp.

Các lõi CPU của bạn xử lý những luồng này. Trên bất kỳ CPU nào, mỗi lõi có thể thực thi ít nhất một luồng cùng lúc. Như đã nói, nhiều lõi hơn sẽ cho phép xử lý đa tác vụ tốt hơn. Khả năng xử lý nhiều luồng cũng mang lại kết quả tương tự.

Hiểu rõ sự khác biệt giữa threads và cores, cũng như vai trò của chúng trong CPU, sẽ giúp bạn chọn giải pháp phù hợp nhất với nhu cầu của mình.

Multithreading là gì?

Như bạn có thể đoán, việc gửi chỉ một luồng đến chip xử lý, chờ nhiệm vụ hoàn thành, rồi gửi luồng tiếp theo sẽ tốn rất nhiều thời gian. Chính vì lý do này, các kỹ sư máy tính đã phát triển nhiều phương pháp và chiến lược để xử lý nhiều luồng hơn trong thời gian ít hơn.

Giải pháp đơn giản nhất là chia một thread thành nhiều thread nhỏ hơn riêng biệt và để CPU chạy chúng song song. Đây được gọi là "Multithreading" (đừng nhầm lẫn với Simultaneous Multithreading hay Temporal Multithreading). Một chương trình có thể sử dụng luồng nhẹ hoặc nặng tùy thuộc vào cách nó được phát triển.

Các khái niệm về tích hợp các chiến lược đa luồng khác nhau có xuất xứ từ những năm 1950. Nhưng mãi đến cuối những năm 1990, Intel mới sử dụng một công nghệ gọi là Simultaneous Multithreading (SMT) để phát triển một kỹ thuật đa luồng dựa trên phần cứng cho máy tính để bàn. Intel đã gọi chức năng này Công nghệ Hyper-Threading và giới thiệu nó trong chip xử lý Pentium 4 desktop Intel vào năm 2002.

Với Hyper-Threading của Intel, hai luồng có thể chia sẻ cùng một tài nguyên của một lõi CPU để hoàn thành tác vụ. Nói cách khác, bạn có quyền truy cập vào gấp đôi số lượng "nhân viên" để xử lý công việc của mình. Tuy nhiên, mỗi cặp hai nhân viên chia sẻ chung một tài nguyên.

Hyper-Threading: Ưu và nhược điểm

Hyper-Threading chủ yếu giúp tăng hiệu suất hệ thống bằng cách tận dụng tốt hơn các tài nguyên xử lý có sẵn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, xử lý đơn luồng vẫn có thể là lựa chọn tốt hơn.

Trong hầu hết các trường hợp, đặc biệt khi xử lý nhiều tác vụ hàng ngày, các lõi CPU của máy tính của bạn không chạy ở công suất tối đa. Điều này có nghĩa vẫn còn dung lượng xử lý khả dụng. Hyper-Threading khai thác sức mạnh xử lý chưa được sử dụng trong một lõi CPU để chạy các luồng khác, giúp bạn sử dụng hiệu quả hơn toàn bộ tiềm năng của CPU.

Mặc dù có lợi, Hyper-Threading cũng có những nhược điểm rõ ràng. Nhược điểm chính là tiêu thụ điện năng tăng lên. So với các chip dựa trên ARM, các bộ xử lý Intel nổi tiếng vì tiêu tốn rất nhiều pin trên laptop, và Hyper-Threading là một trong những lý do chính.

Khi nhiều nguồn điện được cung cấp cho bộ xử lý, Hyper-Threading dẫn đến nhiệt độ cao và throttling nhiệt, nơi CPU giảm tốc độ để ngăn quá nóng. Ngoài ra, các thiết bị di động trang bị Intel CPUs cần các hệ thống làm mát lớn hơn, điều này có thể làm tăng đáng kể trọng lượng và kích thước của thiết bị.

Cuối cùng, vì hiệu suất cải thiện phụ thuộc nhiều vào ứng dụng, nên việc thiết kế ứng dụng tận dụng công nghệ Hyper-Threading nằm hoàn toàn trong tay lập trình viên. Điều này làm tăng độ phức tạp khi phát triển chương trình để tối đa hóa hiệu quả. Hơn nữa, phần mềm không hỗ trợ Hyper-Threading có thể gặp vấn đề chạy không ổn định trong các điều kiện xử lý tính toán nặng.

Nhiều lõi vs. luồng: Cái nào tốt hơn?

Vì điều này phụ thuộc nhiều vào các chương trình bạn định dùng, nên khó có thể nói cái nào quan trọng hơn trong mọi trường hợp. Số nhân lớn hơn thường có nghĩa là tài nguyên sẵn có nhiều hơn. Mặt khác, số luồng lớn hơn có thể giúp xử lý đa nhiệm tốt hơn, nhưng không phải lúc nào cũng như vậy.

Với các chương trình xử lý nhiều luồng, việc cấp phát nhiều luồng cho mỗi nhân CPU thường dẫn đến hiệu suất cao hơn và thực thi nhanh hơn. Ngược lại, các chương trình tối ưu hóa cho kiến trúc nhân đơn luồng CPU có thể gặp sụt giảm hiệu suất khi bật Hyper-Threading trên CPU.

Tuy nhiên, một số người nhận thấy rằng nhiều trò chơi, cả cũ và mới, chạy hiệu quả hơn đáng kể khi tắt Hyper-Threading. Chẳng hạn, một người dùng trên Reddit cho biết anh ta đã thấy khoảng Tăng 30% FPS trong hầu hết các trò chơi sau khi tắt Hyper-Threading trên bộ vi xử lý Core i9 Intel CPU của anh ấy.

Trong nhiều năm, Intel thống trị thị trường CPU trên máy tính xách tay và máy tính để bàn với các chip cung cấp số lượng luồng gấp đôi số nhân nhờ Hyper-Threading. Tuy nhiên, gần đây một số đối thủ cạnh tranh đã bắt đầu phát triển các kiến trúc CPU khác nhau tỏ ra hiệu quả hơn rất nhiều đồng thời cung cấp các nhân CPU đơn luồng.

Apple Silicon chẳng hạn là một dòng chip dựa trên ARM tỏ ra tiết kiệm điện năng hơn đáng kể so với các mô hình dựa trên Intel trong các máy tính gần đây của Apple. Ngoài ra, một số chiếc laptop Windows mới, bao gồm Microsoft Surface Pro 11, đã chuyển sang bộ xử lý ARM để có thời lượng pin tốt hơn và hiệu suất tốt hơn cho các trường hợp sử dụng hàng ngày. Tất cả các chip dựa trên ARM này đều có các nhân đơn luồng.

Nhìn chung, có nhiều luồng hơn không nhất thiết dẫn đến hiệu suất CPU tốt hơn. Tuy nhiên, có nhiều nhân hơn là một yếu tố quyết định trực tiếp hơn trong khả năng của bộ xử lý xử lý các lệnh phức tạp và tốn nhiều tài nguyên.

Những yếu tố nào khác quyết định hiệu suất của CPU?

Chúng tôi đã trình bày sự khác biệt giữa nhân và luồng của bộ xử lý trong máy tính. Tuy nhiên, đó không phải là những yếu tố duy nhất quyết định sản lượng cuối cùng của CPU của bạn.

Tốc độ đồng hồ (còn gọi là "tốc độ xung nhịp" hoặc đơn giản là "tần số") là một trong những yếu tố khác biệt chính trong các bộ xử lý máy tính. Nói ngắn gọn, tốc độ đồng hồ đo số chu kỳ mà một CPU có thể hoàn thành trong một giây. Ví dụ, bộ xử lý có tốc độ đồng hồ 3,2 GHz có thể thực thi 3,2 tỷ chu kỳ mỗi giây.

Một thông số khác cần xem xét là bộ nhớ cache của CPU. Bộ cache CPU là bộ nhớ tốc độ cao lưu trữ dữ liệu được truy cập thường xuyên. Bộ cache lớn hơn và nhanh hơn tăng tốc độ thực thi các tác vụ của CPU yêu cầu truy cập dữ liệu thường xuyên.

Các bộ xử lý máy tính được xây dựng bằng các quy trình sản xuất nanomet (nm) (chẳng hạn như 7nm hoặc 5nm). Các nút nhỏ hơn có nghĩa là nhiều transistor hơn có thể được đặt trên chip, dẫn đến hiệu quả điện năng và hiệu suất cao hơn, vì tín hiệu di chuyển trên khoảng cách ngắn hơn và do đó yêu cầu ít thời gian và năng lượng hơn.

Các yếu tố khác như IPC (Instructions Per Cycle), tốc độ bus và công suất thiết kế nhiệt cũng đóng vai trò trong việc bạn có thể khai thác bao nhiêu hiệu suất từ CPU.

Trước khi kết thúc, hãy để tôi giới thiệu với bạn các dịch vụ hiệu suất cao của chúng tôi VPS Đám mây tại Cloudzy. Chúng tôi cung cấp CPU cực nhanh 3,2 và 4,2 GHz, lưu trữ NVMe, băng thông cao và các kết nối lên đến 10Gbps. Nếu bạn đang tìm kiếm một máy ảo đáng tin cậy, hãy chắc chắn kiểm tra các gói VPS của chúng tôi để có độ tin cậy và tốc độ không thể đánh bại!

Suy ngẫm cuối cùng: Luồng so với lõi

Khi nói đến hiệu suất máy tính, CPU là bộ phận chính chịu trách nhiệm thực thi các chương trình. Nhân CPU là một đơn vị vật lý trong CPU để xử lý các tác vụ. Thông thường, CPU có nhiều nhân, mỗi nhân thực thi ít nhất một luồng.

Luồng thường đề cập đến dãy lệnh nhỏ nhất được gửi đến nhân CPU để xử lý. Mỗi nhân CPU có thể xử lý ít nhất một luồng tại một thời điểm. Trong các bộ xử lý hỗ trợ Hyper-Threading, con số này được tăng lên đến hai, có nghĩa là hai luồng có thể đồng thời sử dụng các tài nguyên của nhân để thực thi các tác vụ khác nhau.

Mặc dù các nhân hỗ trợ công nghệ SMT có thể xử lý nhiều hơn một luồng tại một thời điểm và cung cấp đa nhiệm tốt hơn về lý thuyết, nhưng nó không phải lúc nào cũng dẫn đến tăng sản lượng xử lý trực tiếp.

Câu hỏi thường gặp

Có nhiều lõi hơn hay nhiều luồng hơn thì tốt hơn?

Nó phụ thuộc vào các chương trình bạn dự định sử dụng. Các ứng dụng có nhiều luồng thường chạy tốt hơn với nhiều luồng hơn, trong khi một số chương trình có thể chạy tốt hơn trên các nhân đơn luồng. Tuy nhiên, nhiều nhân hơn dẫn đến tăng hiệu suất CPU trực tiếp hơn.

Một lõi có bao nhiêu luồng?

Trong hầu hết các CPU Intel ngày nay, mỗi nhân có thể xử lý hai luồng tại một thời điểm, nhờ một công nghệ gọi là Hyper-Threading. Nhưng đó không phải là trường hợp đối với tất cả các chip bộ xử lý. Các CPU dựa trên ARM chẳng hạn có một luồng cho mỗi nhân.

Sự khác biệt giữa lõi và bộ xử lý là gì?

Nhân là một đơn vị xử lý vật lý bên trong bộ xử lý máy tính (CPU). Trong một bộ xử lý, có thể có nhiều nhân, đây là những đơn vị xử lý riêng lẻ có thể thực thi các lệnh một cách độc lập.