Что такое ядро и поток в процессоре
Процессор: потоки или ядра
На рынке компьютерных комплектующих присутствует немало процессоров, у которых число потоков больше числа физических ядер. В некоторых задачах эти «виртуальные ядра» могут дать существенный прирост в производительности, в других они практически бесполезны.
Многоядерность и гиперпоточность
Поток (применительно к процессору), или виртуальное ядро – результат реализации вычислений, при котором одно физическое ядро способно программно разделять свою производительность и работать над несколькими последовательностями команд одновременно. Простыми словами, ЦП делает вид для операционной системы и программ, что у него больше ядер, чем есть на самом деле. Убедиться в этом можно, открыв диспетчер устройств или другую программу для мониторинга комплектующих.
Гиперпоточность позволяет распараллеливать вычисления более эффективно – если одно виртуальное ядро завершило работу над своей задачей и находится в режиме ожидания, его ресурсы может использовать другое. В случаях, когда гиперпоточность не поддерживается, эти ресурсы простаивают. Таким образом, поддержка виртуальных ядер может ускорить выполнение некоторых задач, хотя, разумеется, она не так хороша, как наличие дополнительных физических, и удвоения производительности ожидать не стоит.
Иллюстрация концепции потоков/виртуальных ядер:
Рассмотрим следующий упрощенный пример: если двухъядерный процессор с двумя потоками работает с четырьмя последовательностями команд одновременно, а производительность одного ядра для одной последовательности избыточна, то общая производительность будет ниже, чем в случае, если на месте такого процессора будет вариант с двумя ядрами, но с четырьмя потоками, поскольку на переключение между задачами тратится дополнительное время, и часть ресурсов иногда простаивает. А вот если вычислительных ресурсов одного потока недостаточно для выполнения одной последовательности, то виртуальные ядра почти не помогут – нужны дополнительные физические.
Распараллеливание нагрузки при помощи технологии Intel Hyper-Threading
Немного истории
Когда-то процессоры были одноядерными и однопоточными. Если требовалось эффективно распараллеливать вычисления (в серверном сегменте, рабочих станциях) использовались материнские платы с несколькими процессорными разъемами. Соответственно, материнке требовалась возможность соединять все процессоры с другими комплектующими (например, оперативной памятью). По сравнению с современной реализацией, возникали дополнительные задержки, возрастали энергозатраты.
Развитие архитектуры началось с гиперпоточности, а в дальнейшем на одном кристалле производители стали размещать и несколько физических ядер. Сейчас оба основных производителя центральных процессоров для ПК (Intel и AMD) выпускают модели с двумя и более физическими ядрами, как с поддержкой виртуальных ядер, так и без нее.
Потоки или ядра?
Центральный процессор – один из ключевых компонентов системы, влияющих на ее производительность в целевых задачах, а также на удобство использования компьютера. Часто у пользователей, желающих собрать систему, возникает вопрос: на что ориентироваться при выборе ЦП? Стоит ли переплачивать за дополнительные потоки/виртуальные ядра?
Наибольшую выгоду виртуальные ядра приносят в рабочих задачах, подверженных эффективному распараллеливанию. К ним относятся, например, архивация файлов, обработка фотографий, рендеринг видео, моделирование. Таким образом, польза дополнительных потоков для компьютера, который будет использоваться в первую очередь для игр или медиа, сомнительна. Впрочем, если параллельно с играми будут выполняться и другие задачи, такие как стриминг, запись/обработка видео, скачивание/раздача файлов при помощи торрент-клиента, антивирусная проверка, она возрастает. В подобных ситуациях виртуальные ядра помогают снять фоновую нагрузку с физических.
Впрочем, кратного роста вычислительной мощи ждать все равно не стоит, и для типичных домашних сценариев использования переплата за виртуальные ядра часто будет неоправданной. Другое дело – если компьютер используется для профессиональной деятельности, и применяются программы, хорошо работающие с гиперпоточностью – прирост в производительности при правильной оптимизации может составлять десятки процентов.
Подытожим : если речь идет о домашнем игровом или мультимедийном компьютере, не стоит ждать чудес от виртуальных ядер, и, если за них придется доплатить ощутимую сумму, лучше рассмотреть вариант с дополнительными физическими, или вложить деньги в другие комплектующие. Если же система будет использоваться для работы – прирост может быть значительным, поэтому стоит ознакомиться с тестами гиперпоточных ЦП для конкретного вида задач.
Технологии многопоточности процессоров: принцип работы и сферы применения
Содержание
Содержание
Физические ядра, логические ядра, технологии многопоточности — все это разрабатывалось инженерами для увеличения производительности компьютерного железа, требования к которому постоянно растут. Программы и игры требуют все больше ресурсов. Как же производители процессоров увеличивают мощность своих детищ? Процессор является «сердцем» компьютера и выполняет вычисления, необходимые для работы софта. Модели CPU отличаются между собой даже в рамках одного семейства. Например, Intel Core i7 отличается от i5 технологией многопоточности под названием «Hyper-Threading», о которой далее пойдет речь (Core i3, i9, и некоторые Pentium также обладают данной технологией).
Принцип работы процессорных ядер и многопоточности
В современных операционных системах одновременно работает множество процессов.
Нагрузка от операционной системы на процессор идет по так называемому конвейеру, на который «выкладываются» нужные задачи для ядра. В качестве примера возьмем одно ядро процессора на частоте 4 ГГц с одним ALU (арифметико-логическое устройство) и одним FPU (математический сопроцеесор). Частота в 4 ГГц означает, что ядро исполняет 4 миллиарда тактов в секунду. К ядру по конвейеру поступают задачи, требующие исполнительной мощности, на которые тратится процессорное время.
Часто происходят случаи, когда для выполнения необходимой операции процессору приходится ждать данные из кеша более низкой скорости (L3 кеш), или же оперативной памяти. Данная ситуация называется кэш-промах. Это происходит, когда в кэше ядра не была найдена запрошенная информация и приходится обращаться к более медленной памяти. Также существуют и другие причины, заставляющие прерывать выполнение операции ядром, что негативно сказывается на производительности.
Данный конвейер можно представить, как настоящую сборочную линию на заводе — рабочий (ядро) выполняет работу, поступающую к нему на ленту. И если необходимо взять нужный инструмент, работник отходит, оставляя конвейер простаивать без работы. То есть, исполняемая задача прерывается. Инструментом, за которым пошел рабочий, в данном случае является информация из оперативной памяти или же L3 кэша. Поскольку L1 и L2 кэш намного быстрее, чем любая другая память в компьютере, работа с вычислениями теряет в скорости.
На конвейере с одним потоком не могут выполняться одновременно несколько процессов. Ядро постоянно прерывает выполнение одной операции для другой, более приоритетной. Если появятся две одинаково приоритетные задачи, одна из них обязательно будет остановлена, ведь ядро не сможет работать над ними одновременно. И чем больше поступает задач одновременно, тем больше прерываний происходит.
Способы увеличения производительности процессоров
Разгон
При увеличении частоты ядра повышается количество исполняемых операций за секунду. Казалось бы, с возрастанием производительности процессора проблемы должны исчезнуть. Но все не так просто, как хотелось бы думать. Прирост от увеличения частоты ЦП нелинейный. Множество процессов все еще делят одно ядро между собой и обращаются к памяти. Кроме того, не решается проблема с кэш-промахами и прерываниями операций, поскольку объем кэша от разгона не изменяется. Разгон — не самый лучший способ решения проблемы нехватки потоков. В пример можно привести всю ту же сборочную линию: рабочий увеличивает темп работы, но по-прежнему не умеет собирать два и более заказа одновременно.
Увеличение количества потоков на ядро
В процессорах Intel данная технология носит название Hyper-Threading, а в процессорах от Amd — SMT. Производители добавляют еще один регистр для работы со вторым конвейером. Пока один поток простаивает, ожидая нужные данные, свободная вычислительная мощность может быть использована вторым потоком. На кристалл же добавлен еще один контроллер прерываний и набор регистров.
Появляется возможность избавиться от последствий прерывания операций и сокращения времени простоя процессорной мощности. Благодаря чему ядро с двумя потоками выполняет больше работы за одинаковый отрезок времени, нежели в случае с однопотоком. На примере с рабочим: у конвейера появляется вторая сборочная линия, на которую выкладываются заказы. Пока производство на первой ленте простаивает в ожидании нужных инструментов, рабочий приступает к работе на второй ленте, сокращая время перерыва.
Стоит учитывать, что логический поток это не второе ядро, как может показаться с первого взгляда. Это лишь дополнительная «линия производства», чтобы более эффективно использовать доступную мощность. Из минусов технологии Hyper-Threading или SMT можно выделить увеличение тепловыделения, недостаток кэша (кэш на два потока по-прежнему общий), и проблемы с оптимизацией некоторых программ или игр, не способных отличать настоящее ядро от логического потока.
Именно по этой причине процессоры серии i7 «горячее» и имеют больше кэша по сравнению с i5. Использование технологии многопоточности может принести примерно до 30 % прироста производительности. Все это применимо как к Intel Hyper-Threading, так и к AMD SMT, поскольку технологии во многом схожи. Может возникнуть вопрос: «Если можно добавить второй поток, то почему бы не добавить третий и четвертый?» Это реализуемо, но не имеет смысла, поскольку кэш одного ядра достаточно мал для большего количества потоков и прироста производительности практически не будет.
Увеличение количества ядер
Это самый действенный способ решения проблемы, поскольку каждый конвейер теперь располагает своим FPU, ALU и кэшем, который не придется делить с другим потоком. Разные процессы используют разные ядра, из-за чего реже происходят кэш-промахи и конфликты приоритетных задач. Способ, разумеется, несет в себе некоторые издержки для производителей: дороговизна разработки и производства, увеличение тепловыделения и размера кристалла, и, как результат, повышается итоговая стоимость процессора.
Сферы применения многопоточных процессоров
С развитием компьютерных технологий перечень программ, использующих многопоточность, неуклонно растет. Это дает огромный простор разработчикам для создания нового софта и игр. Например, сейчас каждый современный triple-A проект оптимизирован для многопоточных процессоров, что позволяет наслаждаться игрой, получая высокий уровень fps на многоядерном CPU.
Еще больше распространены многоядерные системы в среде разработчиков. Программы для 3D-моделирования, монтажа видео и создания музыки требуют параллельного выполнения большого количества задач, с чем хорошо справляются системы с Hyper-Threading или SMT. В операционных системах мощность одного потока может тратиться на фоновые задачи (Skype, браузер, мессенджер), в то время как остальные задействуются для тяжелой игры или программы.
Но далеко не всегда увеличение количества потоков означает увеличение общей производительности. Почему же SMT процессоры порой уступают немногопоточным собратьям? Дело в программной поддержке. Иногда плохо оптимизированные программы не могут отличать логический поток от настоящего ядра, из-за чего на одно ядро может попасть две тяжелых задачи и замедлить работу. Тем не менее, подобные технологии имеют огромный потенциал, главное — грамотно реализовать его на программном уровне.
Skol — мир электроники
Что такое Ядра и потоки в процессорах
Практически каждый в современном мире имеет дело с компьютерами и наверняка сталкивался с терминами ядра и потоки. Давайте разберемся что это и так ли хорошо иметь много ядер и потоков. На рынке компьютерных комплектующих присутствует немало процессоров, у которых число потоков больше числа физических ядер. В некоторых задачах эти «виртуальные ядра» могут дать существенный прирост в производительности, в других они практически бесполезны.
Что такое ядро и поток
Ядро – упрощенно это физическая единица процессора, способная в определенно взятый момент времени выполнять одну последовательность команд. Если ядро одно, а команд много, ядро переключается между ними, выполняя задачи поочередно в зависимости от приоритета.
Поток его еще называют иногда виртуальным ядром – результат работы современных технологий (в процессорах производства компании Intel – эта технология называется Hyper Threading, а у компании AMD – SMT технологией), когда ядро, с помощью специальных технологий, способно разделять свою производительность. Выражение одно ядро и два потока говорит о том, что физически одно ядро, но это ядро виртуально делится на два и позволяет распараллеливать задачи и решать их одновременно. То есть при наличии двух сравнительно «простых задач» процессор сможет выполнить их в два раза быстрее, чем обычный процессор с одним ядром. Примером таких задач могут быть скачивание фоном файлов, работа антивируса. Технология создания потоков позволяют делать несколько параллельных вычислительных каналов, что позволяет использовать способности компьютеров более эффективно, так как если одно из виртуальных ядер закончило свою работу, то может присоединиться к работе другого ядра. Производительность повыситься, но повышение будет ограниченно, так как используются ресурсы (тактовая частота измеряется в МГц– то есть вычислительная способность) физического ядра, которое у нас одно. Только используя специальные программы, работающие с гиперпотоком и при правильной оптимизации можно прочувствовать прирост в производительности.
Можно сделать вывод, что при работе с «простыми» задачами одноядерный процессор с двумя потоками по производительности сопоставим с «настоящими» двухъядерными процессорами, но если задачи будут «сложными» например архивация, рендеринг видео, то для увеличения производительности стоит задуматься о приобретении процессора с большим количеством ядер. Так как многоядерные процессоры более предпочтительны для серьезных задач чем многопоточные.
Какой процессор выбрать
При выборе процессора естественно, что встает вопрос как выбрать оптимальное количество ядер и потоков и не переплачивать. Очевидно, что с количеством ядер и потоков стоимость такого процессора будет значительно возрастать. При выборе оптимального процессора, чтобы не переплачивать и чтобы работало все быстро стоит обратить внимание на задачи стоящие перед вашим компьютером:
1) Если компьютер будет офисным для работы без использования серьезных программ, то достаточно 2 «настоящих» ядра. Данный процессор вполне справляется с большинством задач в современных условиях.
2) Если вы собираетесь играть в игры, то многие игры поддерживают 2-4 ядра. Наличие большего количества ядер, не будет ускорять процесс, так как они будут работать в холостую, а учитывая, что в многоядерных процессорах частота у ядер ниже, то вы столкнетесь с тем, что ваш компьютер стоил кучу денег, а в итоге игры тормозят.
3) Если вы используете компьютер в проектировании и обработке видео в своей профессиональной деятельности, то от количества ядер напрямую будет зависеть производительность этого процесса и здесь лучше иметь не меньше 4 ядер. Большее количество ядер будет только преимуществом и если бюджет позволяет, то возьмите хотя бы 8 ядер.
Рекомендации на конкретные модели в зависимости от стоящих перед ним задач:
1. Офисные: Процессоры Intel: Pentium Dual-Core, Core i3 любого поколения; процессоры AMD: A-серии, Ryzen 3 1200.
2. Игровые: Процессоры Intel: Core i3/i5/i7 6-го и выше поколения; процессоры AMD: Ryzen-5/ Ryzen 7.
3. Профессиональные: Процессоры Intel: Core i7 6950X, Core i9 9980XE; процессоры AMD: Threadripper 2920X, Threadripper 2970WX.
Узнать, сколько у вас физических ядер можно, через встроенную утилиту msinfo32.exe
Как включить виртуальные ядра читайте в этой статье
Что такое потоки в процессоре и в чём различие с ядрами?
Доброго времени суток.
Вы в курсе, что центральные процессоры для компьютера с большим количеством ядер могут уступать в производительности тем, у которых их меньше? Если вы хотите взять мощный CPU, следует учитывать и число потоков в нем. Не знаете, что такое потоки в процессоре? В этой статье вы получите информацию, которая поможет вам в выборе ЦП.
Разберемся в терминологии
Чтобы ни у кого не возникало путаницы в голове, предлагаю разобраться с ключевыми терминами, играющими роль в нашей теме.
Ядро процессора — часть микросхемы, отвечающая за выполнение одного потока команд.
В современных процах, как правило, несколько ядер, каждое из которых имеет собственный кэш первого уровня и общий — второго и третьего. Такое решение позволяет данным быстрее перемещаться между ядрами, когда они работают над одним процессом.
Не путайте с ядром операционной системы, которое координирует доступ программ к ресурсам компьютера.
Поток выполнения — самая малая единица обработки, назначенная ядром ОС, которая разделяет код и контекст процесса. В одном процессе могут действовать сразу несколько потоков и совместно использовать ресурсы CPU.
Технология Hyper-threading
Вы наверняка слышали или догадались из вышесказанного, что чем больше в процессоре ядер и гигагерц, тем он быстрее обрабатывает задачи, которые вы ему даете. Это правда. Но не только ядра влияют на производительность, если речь идет о продуктах бренда Intel.
Компания изобрела технологию под названием «Hyper-threading» (полное — hyper-threading technology, HT либо HTT), которое переводится на русский язык как гиперточность. Она разработана для процев, основанных на микроархитектуре NetBurst.
HT отсутствует в устройствах линейки Core 2, в том числе «Duo» и «Quad». Схожая технология с таким же наименованием внедрена в продуктах Core i3, «i7» и нескольких «i5», а также в некоторые модели серий Itanium и Atom.
Суть «Hyper-threading» заключается в том, что при выполнении задач операционная система определяет одно физическое ядро CPU как два логических. Как вы понимаете, HTT позволяет увеличить скорость работы устройства. И ему можно задавать больше команд одновременно. Более того, если одному логическому ядру дана задача, но он с ней не справляется, а второе при этом бездействует, то последнее помогает первому.
Сколько потоков имеет CPU?
Самый быстрый способ вычислить, сколько потоков содержится в том или ином процессоре — умножить количество ядер надвое (это только если ваш проц поддерживает гипер трэйдинг).
Но если вы не знаете число ядер и хотите определить, сколько потоков имеется в вашем ЦП прямо сейчас, вызовите Диспетчер задач путем зажатия клавиш Ctrl+Alt+Del. Дальнейшие действия зависят от версии операционки, которая у вас установлена.
На случай, если у вас вдруг что-то не получилось с Диспетчером задач, есть еще один способ:
Но тут будут показаны только сами ядра.
В принципе это всё, что я хотел, спасибо за внимание.
Ядра или потоки: выясняем что важнее для процессора
В спецификации каждого процессора обязательно присутствует информация о количестве ядер и потоков. Правила «чем больше, тем лучше», в этой ситуации никто не отменял, но давайте выясним, в каких задачах виртуальные ядра способны дать ощутимый прирост производительности, а в каких останутся бесполезными.
Зачем процессору несколько ядер?
Вот поэтому процессор – это мозговой центр каждого компьютера, отвечающий за его вычислительные способности и скорость работы.
Первые процессоры были едиными устройствами, которые принимали команды и выполняли их в строгой очередности. Одно ядро позволяло выбирать процессор при покупке только по показателям частоты. А недостаток производительности на первых порах компенсировали созданием двух- и многопроцессорных конфигураций. В таких сборках команды пользователя на ввод обрабатывал первый процессор, а остальные операции по возможности равномерно распределялись между остальными. Для сборки таких систем использовались двухпроцессорные платы или конфигурации на несколько сокетов.
Следующим шагом производители создали многоядерную архитектуру, позволяющую на площади, казалось бы, небольшого микрочипа размещать несколько вычислительных центров, которые по сути являлись самостоятельными процессорами. Так в продаже появились двух-, четырех- и восьмиядерные устройства, которые обрабатывали сразу несколько потоков информации.
Позже корпорация Intel в линейке процессоров Pentium внедрила техническую возможность выполнения одним ядром двух команд за такт, что стало началом новой эпохи в компьютерных технологиях – гиперпоточности процессоров. А сейчас специалисты компании активно работают над новой технологией реализации четырех потоков на одном ядре, и уже в ближайшее время подобные процессоры будут представлены публике.
Чем отличаются ядра и потоки
Ядро – это самостоятельный вычислительный блок в архитектуре процессора, способный выполнять линейную последовательность задач за определенный период времени. Если нагрузить одно ядро несколькими последовательностями задач, то оно будет попеременно переключаться между ними, обрабатывая по одной задаче из каждого потока. В масштабах системы это приводит к замедлению работы программ и сервисов.
Поток – это программно выделенная область в физическом ядре процессора. Такая виртуальная реализация позволяет разделять ресурсы ядра и работать параллельно с двумя разными последовательностями команд. Таким образом операционная система воспринимает поток, как отдельный вычислительный центр, следовательно, ресурс ядра используется более рационально, и скорость вычислений увеличивается.
Стоит ли ожидать удвоения производительности?
Виртуальное разделение вычислительной мощности процессора на потоки называется гиперпоточностью. На практике это не физическое увеличение количества ядер, следовательно, и вычислительный потенциал процессора остается постоянным.
Гиперпоточность – это инструмент, позволяющий процессору более оперативно выполнять команды операционной системы и распределять вычислительный ресурс.
Таким образом, удвоенное количество потоков по отношению к ядрам способно повысить эффективность процессора за счет одновременного выполнения нескольких задач каждым ядром. Но прирост, даже по заверениям лидера рынка в производстве процессоров Intel будет находиться в пределах 30%.
А вот об увеличении энергопотребления и чрезмерном нагреве волноваться не стоит. Так как виртуальное разделение выполнено на производстве, то компанией просчитаны все рабочие параметры, такие как мощность и TDP, указанные в спецификации.
Что выбирать: ядра или потоки?
Поскольку ядра – это физические «мозговые центры», занимающиеся вычислениями, то за общую производительность центрального процессора отвечают именно они. Поэтому количеством ядер, ну и еще частотой процессора определяется его производительность.
Но и количество потоков также заслуживает внимания. Разберем на примере:
Двухъядерный процессор с двумя потокам нагружается операционной системой четырьмя параллельными последовательностями команд, например, от открытых игр и программ. Команды так и останутся в четырех «очередях», и ядра будут попеременно производить вычисления из каждой. При этом производительность ядра зачастую избыточна для обработки одной команды. Поэтому часть вычислительного потенциала ядра, а значит и процессора останется в резерве.
Если же взять аналогичный процессор с двумя ядрами, но уже на четыре потока, то все четыре очереди будут задействованы одновременно, по максимуму загружая ядра. Следовательно, задачи будут решены быстрее, а простоя вычислительных мощностей удастся избежать.
На практике это дает нам возможность одновременно запускать несколько программ: работать с документами, слушать музыку, общаться в мессенджерах и выполнять поиск в браузере. При этом программы будут работать эффективно, быстро, без торможений и зависаний.
Таким образом, чем больше ядер будет в процессоре, тем выше его производительность и скорость выполнения различных задач. А удвоенное количество потоков позволяет повысить эффективность процессора и задействовать его технический потенциал на полную.
В заключении интересное видео от компании Intel о том, как они создают микрочипы.