Что дает ядро 3. Нужна ли многоядерность? Как выбрать многоядерный процессор и не ошибиться

Гонку за дополнительную производительность на рынке процессоров могут выиграть только те производители, которые на основе текущих технологий производства смогут обеспечить разумный баланс между тактовой частотой и количеством вычислительных ядер. Благодаря переходу на 90- и 65-нм техпроцессы появилась возможность создавать процессоры с большим числом ядер. В немалой степени это было обусловлено и новыми возможностями регулировки тепловыделения, и размерами ядер, именно поэтому сегодня мы наблюдаем появление всё большего числа четырёхядерных процессоров. Но как насчёт программного обеспечения? Насколько хорошо оно масштабируется от одного до двух или четырёх ядер?

В идеальном мире программы, оптимизированные под многопоточность, позволяют операционной системе распределять несколько потоков по доступным вычислительным ядрам, будь то один процессор или несколько, с одним ядром или с несколькими. Добавление новых ядер позволяет получить больший прирост производительности, чем любой прирост тактовой частоты. Это действительно имеет смысл: большее количество рабочих почти всегда справятся с заданием быстрее, чем меньшее количество более быстрых рабочих.

Но имеет ли смысл оснащать процессоры четырьмя или даже большим числом ядер? Хватит ли работы, чтобы нагрузить четыре ядра или большее их количество? Не стоит забывать, что весьма сложно распределить работу между ядрами, чтобы такие физические интерфейсы, как HyperTransport (AMD) или Front Side Bus (Intel), не стали "узким местом". Есть и третий вариант: механизм, который распределяет нагрузку между ядрами, а именно, диспетчер ОС, может тоже стать "узким местом".

Переход AMD с одного на два ядра прошёл практически безупречно, поскольку компания не увеличивала тепловой пакет до экстремального уровня, как это было у процессоров Intel Pentium 4. Поэтому процессоры Athlon 64 X2 были дорогими, но вполне разумными, а линейка Pentium D 800 прославилась своей горячей работой. Но 65-нм процессоры Intel и, в особенности, линейка Core 2 изменили картину. Intel смогла сочетать два процессора Core 2 Duo в одной упаковке, в отличие от AMD, в результате чего мы и получили современные Core 2 Quad. AMD обещает выпустить до конца этого года свои собственные четырёхядерные процессоры Phenom X4.

В нашей статье мы рассмотрим конфигурацию Core 2 Duo на четырёх ядрах, двух ядрах и на одном ядре. И посмотрим, насколько хорошо масштабируется производительность. Стоит ли сегодня переходить на четыре ядра?

Одно ядро

Под термином "одноядерный" скрывается процессор, который обладает одним вычислительным ядром. Сюда подпадают практически все процессоры с зарождения архитектуры 8086 вплоть до Athlon 64 и Intel Pentium 4. Пока техпроцесс производства не стал достаточно тонким, чтобы создавать два вычислительных ядра на одном кристалле, переход на меньший техпроцесс использовался для снижения рабочего напряжения, увеличения тактовых частот или добавления функциональных блоков и кэш-памяти.

Работа одноядерного процессора на высоких тактовых частотах может дать более высокую производительность для одного приложения, но подобный процессор в один момент времени может выполнять только одну программу (поток). Intel реализовала принцип Hyper-Threading, который эмулирует наличие нескольких ядер для операционной системы. Технология HT позволила лучше загрузить длинные конвейеры процессоров Pentium 4 и Pentium D. Конечно, прирост производительности был невелик, но отзывчивость системы оказалась определённо лучше. А в многозадачном окружении это может быть и важнее, поскольку вы сможете выполнять какую-либо работу, пока ваш компьютер работает над определённой задачей.

Поскольку двуядерные процессоры сегодня стоят очень дёшево, мы не рекомендуем брать одноядерные процессоры, если только вы не хотите экономить каждую копейку.

Процессор Core 2 Extreme X6800 на момент выхода был самым быстрым в линейке Intel Core 2, работая на частоте 2,93 ГГц. Сегодня двуядерные процессоры достигли 3,0 ГГц, правда, при более высокой частоте шины FSB1333.

Переход на два процессорных ядра означает в два раза большую вычислительную мощность, но только на приложениях, оптимизированных под многопоточность. Обычно такие приложения включают профессиональные программы, которым нужна высокая вычислительная мощность. Но двуядерный процессор всё равно имеет смысл, даже если вы используете свой компьютер лишь для электронной почты, просмотра интернет-страниц и работы с офисными документами. С одной стороны, современные модели двуядерных процессоров потребляют не особо больше энергии, чем одноядерные модели. С другой стороны, второе вычислительное ядро не только добавляет производительность, но и улучшает отзывчивость системы.

Вы когда-нибудь ждали, пока WinRAR или WinZIP закончат сжатие файлов? На одноядерной машине вы вряд ли сможете быстро переключаться между окнами. Даже воспроизведение DVD может нагружать одно ядро не меньше, чем сложная задача. Двуядерный процессор позволяет легче справляться с одновременным запуском нескольких приложений.

Двуядерные процессоры AMD содержат два полноценных ядра с кэш-памятью, интегрированным контроллером памяти и кросс-коммутатором, который обеспечивает совместный доступ к памяти и к интерфейсу HyperTransport. Intel пошла путём, схожим с первым Pentium D, установив в физический процессор два ядра Pentium 4. Поскольку контроллер памяти является частью чипсета, системную шину приходится использовать и для связи между ядрами, и для доступа к памяти, что накладывает определённые ограничения на производительность. Процессор Core 2 Duo оснащён более совершенными ядрами, которые дают лучшую производительность на такт и лучшее соотношение производительности на ватт. У двух ядер используется общий кэш L2, который позволяет обмениваться данными без использования системной шины.

Процессор Core 2 Quad Q6700 работает на частоте 2,66 ГГц, используя внутри два ядра Core 2 Duo.

Если сегодня существует много причин, чтобы перейти на двуядерные процессоры, то четыре ядра выглядят пока не так убедительно. Одна из причин заключается в ограниченной оптимизации программ под несколько потоков, но существуют и определённые проблемы в архитектуре. Хотя AMD сегодня критикует Intel за упаковку двух двуядерных кристаллов в одном процессоре, считая это не "настоящим" четырёхядерным CPU, подобный подход Intel работает хорошо, поскольку процессоры действительно обеспечивают четырёхядерную производительность. С точки зрения производства легче получить высокий уровень выхода годных кристаллов и выпускать больше продуктов с небольшими ядрами, которые затем можно соединить вместе для нового, более мощного продукта на новом техпроцессе. Что же касается производительности, то есть "узкие места" - два кристалла взаимодействуют друг с другом через системную шину, поэтому весьма сложно управлять несколькими ядрами, распределёнными на несколько кристаллов. Хотя наличие нескольких кристаллов позволяет обеспечить лучшую экономию энергии и регулировать частоты отдельных ядер для нужд приложения.

Настоящие четырёхядерные процессоры используют четыре ядра, которые, вместе с кэш-памятью, располагаются на одном кристалле. Здесь важно наличие общего унифицированного кэша. AMD будет реализовывать такой подход, оснащая 512 кбайт кэша L2 каждое ядро и добавляя кэш L3 для всех ядер. Преимущество AMD заключается в том, что можно будет выключать отдельные ядра и ускорять другие, чтобы получить более высокую производительность однопоточных приложений. Intel пойдёт тем же путём, но не раньше представления в 2008 году архитектуры Nehalem.

Утилиты вывода системной информации, такие, как CPU-Z, позволяют узнать число ядер и объёмы кэша, но не раскладку процессора. Вы не узнаете, что Core 2 Quad (или четырёхядерный Extreme Edition, показанный на скриншоте) состоит из двух ядер.

В наше прогрессивное время, количество ядер играет главенствующую роль в выборе компьютера. Ведь именно благодаря ядрам, расположенным в процессоре, измеряется мощность компьютера, его скорость во время обрабатывания данных и выдачи полученного результата. Расположены ядра в кристалле процессора, и их количество в данный момент может достигать от одного до четырёх.

В то «давнее время», когда ещё не существовало четырёхядерных процессоров, да и двухядерные были в диковинку, скорость мощности компьютера измерялась в тактовой частоте. Процессор обрабатывал всего один поток информации, и как вы понимаете, пока полученный результат обработки доходил до пользователя, проходило энное количество времени. Теперь же многоядерный процессор, с помощью специально предназначенных улучшенных программ, разделяет обработку данных на несколько отдельных, независимых друг от друга потоков, что значительно ускоряет получаемый результат и увеличивает мощностные данные компьютера. Но, важно знать, что если приложение не настроено на работу с многоядерностью, то скорость будет даже ниже, чем у одноядерного процессора с хорошей тактовой частотой. Так как узнать сколько ядер в компьютере?

Центральный процессор – одна из главнейших частей любого компьютера, и определить, сколько ядер в нём, является вполне посильной задачей и для начинающего компьютерного гения, ведь от этого зависит ваше успешное превращение в опытного компьютерного зубра. Итак, определяем, сколько ядер в вашем компьютере.

Приём №1

• Для этого нажимаем компьютерную мышку с правой стороны, щёлкая на значке «Компьютер», или контекстном меню, расположенном на рабочем столе, на значке «Компьютер». Выбираем пункт «Свойства».

• С лева открывается окно, найдите пункт «Диспетчер устройств».
• Для того чтоб раскрыть список процессоров, находящихся в вашем компьютере, нажмите на стрелку, размещённую левее основных пунктов, в том числе пункта «Процессоры».

• Подсчитав, сколько процессоров находится в списке, вы можете с уверенностью сказать, сколько ядер в процессоре, ведь каждое ядро будет иметь хоть и повторяющуюся, но отдельную запись. В образце, представленном вам, видно, что ядер два.

Этот способ подходит для операционных систем Windows, а вот на процессорах Intel, отличающихся гиперпоточностью (технология Hyper-threading), этот способ, скорее всего, выдаст ошибочное обозначение, ведь в них одно физическое ядро может разделяться на два потока, независимых один от одного. В итоге, программа, которая хороша для одной операционной системы, для этой посчитает каждый независимый поток за отдельное ядро, и вы получите в результате восьмиядерный процессор. Поэтому, если у вас процессор поддерживает технологию Hyper-threading, обратитесь к специальной утилит – диагностике.

Приём №2

Существуют бесплатные программы для любопытствующих о количестве ядер в процессоре. Так, неоплачиваемая программа CPU-Z, вполне справится с поставленной вами задачей. Для того чтоб воспользоваться программой:

• зайдите на официальный сайт cpuid.com , и скачайте архив с CPU-Z. Лучше воспользоваться версией, которую не нужно устанавливать на компьютер, на этой версии стоит обозначение «no installation».
• Далее следует распаковать программу и спровоцировать её запуск в исполняемом файле.
• В открывшемся главном окне этой программы, на вкладке «CPU», в нижней части найдите пункт «Cores». Вот здесь и будет указано точное количество ядер вашего процессора.

Можно узнать, сколько ядер в компьютере с установленной системой Windows, с помощью диспетчера задач.

Приём №3

Очерёдность действий такая:

• Запускаем диспетчер с помощью клика правой стороны мышки на панели быстрого запуска, обычно расположенной внизу.
• Откроется окно, ищем в нём пункт «Запустить диспетчер задач»

• В самом верху диспетчера задач Windows находится вкладка «Быстродействие», вот в ней, с помощью хронологической загрузки центральной памяти и видно количество ядер. Ведь каждое окно и обозначает ядро, показывая его загрузку.

Приём №4

И ещё одна возможность для подсчёта ядер компьютера, для этого нужна будет любая документация на компьютер, с полным перечнем комплектующих деталей. Найдите запись о процессоре. Если процессор относится к AMD, то обратите внимание на символ Х и стоящую рядом цифру. Если стоит Х 2, то значит, вам достался процессор с двумя ядрами, и т.д.

В процессорах Intel количество ядер прописывается словами. Если стоит Core 2 Duo, Dual, то ядра два, если Quad – четыре.

Конечно, можно сосчитать ядра, зайдя на материнскую плату через BIOS, но стоит ли это делать, когда описанные способы дадут вполне чёткий ответ по интересующему вас вопросу, и вы сможете проверить, правду ли сказали вам в магазине и сосчитать, сколько же ядер в вашем компьютере самостоятельно.

P.S. Ну вот и все, теперь мы знаем как узнать сколько ядер в компьютере, даже целых четыре способа, а уж какой применить — это уже ваше решение 😉

Вконтакте

Но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.

Ещё буквально 6-7 лет назад, о многоядерности процессоров практически не было слышно. Нет, многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее, но появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров , состоялось лишь в 2005 году, и назывался данный процессор Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерник Opteron от AMD, но для серверных систем.

В данной статье, мы не будем подробно вникать в исторические факты, а будем обсуждать современные многоядерные процессоры как одну из характеристик CPU. А главное – нам нужно разобраться с тем, что же даёт эта многоядерность в плане производительности для процессора и для нас с вами.

Увеличение производительности за счёт многоядерности

Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный у вас в системе, имеет несколько потоков.

Сразу оговорюсь, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).

Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (мы всё очень упростили, дабы понять общую концепцию).

И рассмотрим, что же будет в двух разных случаях:

а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант.

б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.

Нужны ли многоядерные процессоры? Повседневная резонность

При выборе процессора для компьютера (а именно при размышлении о количестве ядер), следует определить основные виды задач, которые он будет выполнять.

Для улучшения знаний в сфере компьютерного железа, можете ознакомится с материалом про сокеты процессоров .

Точкой старта можно назвать двухъядерные процессоры, так как нет смысла возвращаться к одноядерным решениям. Но и двухъядерные процессоры бывают разные. Это может быть не «самый» свежий Celeron, а может быть Core i3 на Ivy Bridge, точно так же и у АМД – Sempron или Phenom II. Естественно, за счёт других показателей производительность у них будет очень отличаться, поэтому нужно смотреть на всё комплексно и сопоставлять многоядерность с другими характеристиками процессоров .

К примеру, у Core i3 на Ivy Bridge, в наличии имеется технология Hyper-Treading, что позволяет обрабатывать 4 потока одновременно (операционная система видит 4 логических ядра, вместо 2-ух физических). А тот же Celeron таким не похвастается.

Но вернемся непосредственно к размышлениям относительно требуемых задач. Если компьютер необходим для офисной работы и серфинга в интернете, то ему с головой хватит двухъядерного процессора.

Когда речь заходит об игровой производительности, то здесь, чтобы комфортно чувствовать себя в большинстве игр необходимо 4 ядра и более. Но тут всплывает та самая загвоздочка: далеко не все игры обладают оптимизированным кодом под 4-ех ядерные процессоры, а если и оптимизированы, то не так эффективно, как бы этого хотелось. Но, в принципе, для игр сейчас оптимальным решением является именно 4-ых ядерный процессор.

На сегодняшний день, те же 8-ми ядерные процессоры AMD , для игр избыточны, избыточно именно количество ядер, а вот производительность не дотягивает, но у них есть другие преимущества. Эти самые 8 ядер, очень сильно помогут в задачах, где необходима мощная работа с качественной многопоточной нагрузкой. К таковой можно отнести, например рендеринг (просчёт) видео, или же серверные вычисления. Поэтому для таких задач необходимы 6, 8 и более ядер. Да и в скором времени игры смогут качественно грузить 8 и больше ядер, так что в перспективе, всё очень радужно.

Не стоит забывать о том, что остается масса задач, создающих однопоточную нагрузку. И стоит задать себе вопрос: нужен мне этот 8-ми ядерник или нет?

Подводя небольшие итоги, еще раз отмечу, что преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла (

Обнаружили неприятную проблему предела тактовой частоты. Достигнув порога в 3 ГГц, разработчики столкнулись с значительным ростом энергопотребления и тепловыделения своих продуктов. Уровень технологий 2004 года не позволял существенно уменьшить размеры транзисторов в кремниевом кристалле и выходом из сложившейся ситуации стала попытка не наращивать частоты, а увеличить количество операций, выполняемых за один такт. Переняв опыт серверных платформ, где многопроцессорная компоновка уже была испытана, было решено объединить два процессора на одном кристалле.

С тех пор прошло немало времени, в широком доступе появились ЦП с двумя, тремя, четырьмя, шестью и даже восемью ядрами. Но основную долю на рынке до сих пор занимают 2 и 4-ядерные модели. Изменить ситуацию пытаются в AMD, но их архитектура Bulldozer не оправдала надежд и бюджетные восьмиядерники все еще не очень популярны в мире. Поэтому вопрос, что лучше: 2 или 4-ядерный процессор , до сих пор остается актуальным.

Разница между 2 и 4-ядерным процессором

На аппаратном уровне основное отличие 2-ядерного процессора от 4-ядерного – количество функциональных блоков. Каждое ядро, по сути, представляет собой отдельный ЦП, оснащенный своими вычислительными узлами. 2 или 4 таких ЦП объединены между собой внутренней скоростной шиной и общим контроллером памяти для взаимодействия с ОЗУ. Другие функциональные узлы тоже могут быть общими: у большинства современных ЦП индивидуальной является кэш-память первого (L1) и второго (L2) уровня, блоки целочисленных вычислений и операций с плавающей запятой. Кэш L3, отличающийся относительно большим объемом, один и доступен всем ядрам. Отдельно можно отметить уже упомянутые AMD FX (а также ЦП Athlon и APU серии A): у них общими являются не только кэш-память и контроллер, но и блоки вычислений с плавающей запятой: каждый такой модуль одновременно принадлежит двум ядрам.

Схема четырехъядерного процессора AMD Athlon

С пользовательской точки зрения разница между 2 и 4-ядерным процессором заключается в количестве задач, которые ЦП может обработать за один такт. При одинаковой архитектуре, теоретическая разница будет составлять 2 раза для 2 и 4 ядер или 4 раза для 2 и 8 ядер, соответственно. Таким образом, при одновременной работе нескольких процессов, увеличение количества должно повлечь за собой рост быстродействия системы. Ведь вместо 2 операций четырехъядерный ЦП за один момент времени сможет выполнять сразу четыре.

Чем обусловлена популярность двухъядерных ЦП

Казалось бы, если увеличение числа ядер влечет за собой рост производительности, то на фоне моделей с четырьмя, шестью или восемью ядрами у двухядерников нет никаких шансов. Тем не менее, мировой лидер на рынке ЦП, компания Intel, ежегодно обновляет ассортимент своей продукции и выпускает новые модели всего с парой ядер (Core i3, Celeron, Pentium). И это на фоне того, что даже в смартфонах и планшетах на такие ЦП пользователи смотрят с недоверием или презрением. Чтобы понять, почему самые популярные модели – именно процессоры с двумя ядрами, следует учесть несколько основных факторов.

Intel Core i3 — самые популярные 2-ядерные процессоры для домашнего ПК

Проблема совместимости . При создании программного обеспечения разработчики стремятся сделать так, чтобы оно могло функционировать как на новых компьютерах, так и уже существующих моделях ЦП и ГП. Учитывая ассортимент на рынке, важно обеспечить, чтобы игра нормально работала и на двух ядрах, и на восьми. Большинство всех существующих домашних ПК оснащены двухъядерным процессором, поэтому поддержке таких компьютеров уделяется больше всего внимания.

Сложность распараллеливания задач . Чтобы обеспечить эффективное задействование всех ядер, вычисления, производимые в процессе работы программы, следует разделить на равные потоки. Например, задача, которая может оптимально задействовать все ядра, выделив каждому из них по одному или два процесса — одновременная компрессия нескольких видеороликов. С играми – сложнее, так как все выполняемые в них операции взаимосвязаны. Несмотря на то, что основную работу выполняет графический процессор видеокарты, информацию для формирования 3d-картинки подготавливает именно ЦП. Сделать так, чтобы каждое ядро обрабатывало свою порцию данных, а затем подавало ее ГП синхронно с другими, достаточно сложно. Чем больше одновременных потоков вычислений нужно обрабатывать – тем тяжелее реализация задачи.

Преемственность технологий . Разработчики программного обеспечения используют для своих новых проектов уже существующие наработки, подвергающиеся неоднократной модернизации. В отдельных случаях доходит до того, что такие технологии уходят корнями в прошлое на 10-15 лет. Разработка, основанная на проекте десятилетней давности, кардинальной переработке для идеальной оптимизации поддается очень неохотно, если не совсем никак. Как следствие, наблюдается неспособность софта рационально использовать аппаратные возможности ПК. Игра S.T.A.L.K.E.R. Зов Припяти, вышедшая в 2009 году (в эпоху расцвета многоядерных ЦП) построена на движке 2001 года, поэтому не умеет нагружать более, чем одно ядро.

S.T.A.L.K.E.R. полноценно задействует только одно ядоро 4-ядерного ЦП

Такая же ситуация и с популярной онлайн-РПГ World of Tanks: движок Big World, на котором она базируется, создан в 2005 году, когда многоядерные ЦП еще не воспринимались, как единственно возможный путь развития.

World of Tanks тоже не умеет распределять нагрузку на ядра равномерно

Финансовые сложности . Следствием этой проблемы является предыдущий пункт. Если создавать каждое приложение с нуля, не используя имеющиеся технологии, его реализация обойдется в баснословные суммы. К примеру, стоимость разработки GTA V составила более 200 млн долларов. При этом, некоторые технологии все равно не были созданы «из чистого листа», а позаимствованы из предыдущих проектов, так как игра писалась под 5 платформ сразу (Sony PS3, PS4, Xbox 360 и One, а также ПК).

GTA V оптимизирована под многоядерность и умеет равномерно загружать процессор

Все эти нюансы не позволяют в полной мере использовать потенциал многоядерных процессоров на практике. Взаимозависимость производителей аппаратного обеспечения и разработчиков софта порождает замкнутый круг.

Какой процессор лучше: 2 или 4-ядерный

Очевидно, что при всех преимуществах потенциал многоядерных процессоров до сих пор остается нереализованным до конца. Некоторые задачи вообще не умеют равномерно распределять нагрузку и работают в один поток, другие – делают это с посредственной эффективностью, и лишь малая доля ПО полноценно взаимодействуют со всеми ядрами. Поэтому вопрос, какой лучше процессор, 2 или 4 ядра , купить, требует внимательного изучения текущей ситуации.

На рынке представлены продукты двух производителей: Intel и AMD, отличающиеся особенностями реализации. Advanced Micro Devices традиционно делают упор на многоядерность, в то время как «Интел» неохотно идут на такой шаг и наращивают количество ядер только если это не приводит к снижению удельной производительности в расчете на ядро (избежать которого очень сложно).

Увеличение количества ядер снижает итоговую производительность каждого из них

Как правило, общая теоретическая и практическая производительность многоядерного ЦП ниже, чем аналогичного (построенного на такой же микроархитектуре, с тем же техпроцессорм) с одним ядром. Вызвано это тем, что ядра используют общие ресурсы, и это не лучшим образом сказывается на быстродействии. Таким образом, нельзя просто приобрести мощный четырех- или шестиъядерный процессор с расчетом на то, что он точно не будет слабее двухъядерника из той же серии. В некоторых ситуациях – будет, при том ощутимо. В качестве примера можно привести запуск старых игр на компьютере с восьмиядерным процессором AMD FX : FPS при этом порой ниже, чем на аналогичном ПК, но с четырехъядерным ЦП.

Нужна ли сегодня многоядерность

Значит ли это, что много ядер не нужно? Несмотря на то, что вывод кажется закономерным — нет. Легкие повседневные задачи (такие как веб-серфинг или работа с несколькими программами одновременно) положительно реагируют на увеличение числа ядер процессора. Именно по этой причине производители смартфонов делают упор на количество, опуская на второй план удельную производительность. Opera (и другие браузеры на движке Chromium), Firefox запускают каждую открытую вкладку в виде отдельного процесса, соответственно, чем больше ядер – тем быстрее переход между вкладками. Файловые менеджеры, офисные программы, проигрыватели – сами по себе не являются ресурсоемкими. Но при потребности часто переключаться между ними многоядерный процессор позволит повысить производительность системы.

Браузер Opera каждой вкладке присваивает отдельный процесс

В компании Intel осознают это, потому технология HuperThreading, позволяющая ядру обрабатывать второй поток силами неиспользуемых ресурсов, появилась еще во времена Pentium 4. Но она не позволяет в полной мере компенсировать недостаток производительности.

В «Диспетчере задач» 2-ядерный процессор с Huper Threading отображается, как 4-ядерный

Создатели игр, тем временем, постепенно наверстывают упущенное. Появление новых поколений консолей Sony Play Station и Microsoft Xbox простимулировало разработчиков уделять больше внимания многоядерности. Обе приставки созданы на базе восьмиядерных чипов AMD, поэтому теперь программистам не нужно тратить уйму сил на оптимизацию при портировании игры на ПК. С ростом популярности этих консолей — с облегчением смогли вздохнуть и те, кто разочаровался в приобретении AMD FX 8xxx. Многоядерники усиленно отвоевывают позиции на рынке, о чем можно убедиться на примере обзоров.

• Tutorial

В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.

Цель статьи - показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).

Предупреждение о знаках ®, ™, в статье

Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.

Процессор

В современном мире процессор - это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.

Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.

Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает , что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.

Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память - RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.

Ядро

Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах - как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент - схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер , во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.

Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.

В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.

Гиперпоток

Ничто не ново под луной. HT - это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния - регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня - это зависит от конкретной системы.

Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии . Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.

Ограничения потоков

Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.

Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре - уникальная для IA-32 конфигурация.

Логический процессор

Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x , y , z ), где x - это число процессоров, y - число ядер в каждом процессоре, а z - число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией - устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.

Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) - ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая - два ядра, а третья - всего лишь два потока.

Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?

Linux top показывает 4 логических процессора.

Это довольно удобно для создателей прикладных приложений - им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.

Программное определение топологии

Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи :

Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к , в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».

APIC ID

В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше - только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.

Выяснение родственных связей

У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, - все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.

Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.

Отмечу, что CPUID.0xB - не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI .

Операционные системы и топология

В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:

Скрытый текст

ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep "processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid" processor: 0 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 0 initial apicid: 0 processor: 1 physical id: 0 siblings: 4 core id: 0 cpu cores: 2 apicid: 1 initial apicid: 1 processor: 2 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 2 initial apicid: 2 processor: 3 physical id: 0 siblings: 4 core id: 1 cpu cores: 2 apicid: 3 initial apicid: 3

В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:

Скрытый текст

user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec kern.sched.topology_spec: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 0, 1 THREAD groupSMT group 2, 3 THREAD groupSMT group 4, 5 THREAD groupSMT group 6, 7 THREAD groupSMT group

В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.