На что влияет многоядерность процессора
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.
Ядра или тактовая частота процессора: выясняем, что важнее для работы и игр
реклама
Процессоры будут являться «синтетическими», «созданными» на основе многоядерного процессора Ryzen 7 2700. В связи с тем, что данный процессор отказывается запускаться на частоте в 2 GHz (но данное сравнение не имело бы никакого отношения с действительностью), удалось создать лишь два «типовых» процессора.
реклама
Даже простым перемножением ядер на частоты, не сложно догадаться, что конфигурация с шестью ядрами, работающими на частоте в 3 GHz будет немного сильнее конфигурации с четырьмя ядрами, работающими на частоте 4 GHz. В условном «математическом бенчмарке» (данный «бенчмарк» справедлив только для «синтетических процессоров», различающихся лишь количеством и частотой ядер), суммарная производительность данных CPU будет сопоставима, как «18» и «16» в пользу процессора с большим количеством ядер, так как для большей справедливости данного тестирования, ему следовало «привязать» частоту в 2.66 GHz.
Но данное действие было невозможно по той же причине, по которой в тестировании отсутствует «синтетический Ryzen 7 / Xeon» с частотой в 2 GHz. Материнская плата ASUS TUF B450M-PRO GAMING не может запустить процессор Ryzen 7 2700 с частотой ниже 2.8 GHz: во-первых, это не подразумевается, так как минимальный множитель для данного процессора равен 28; во-вторых, при попытке «взятия» необходимой частоты посредством комбинации множитель/делитель (формула следующая: Ratio=2*FID/DID), система отказывается запускаться с любым напряжением, даже в значении «авто».
И кто-то заметит, что данное сравнение двух математически не равных процессоров якобы теряет смысл, так как «итак понятно, что процессор с шестью ядрами окажется чуть сильней». Но в данном случае частоты процессоров приближены к реальным, а сравнить процессоры на 2 GHz, 2,66GHz и 4 GHz, было бы как минимум нелепо, так как процессоров Ryzen с такими низкими частотами попросту нет. И опять же, это ни в коем случае не «симуляция известных процессоров», это всего лишь попытка сравнения высокой частоты и большого количества ядер, что важнее сейчас.
В общем, далее нет смысла вдаваться в нюансы данного эксперимента, предлагаем же перейти к реальному исследованию.
реклама
Но для начала осмотр тестовой конфигурации.
«Синтетические» процессоры тестировались на следующей конфигурации:
Вольтаж для процессора с шестью ядрами был подобран 0.8125 вольта, вольтаж же для процессора с четырьмя разогнанными ядрами составил 1.25 вольта. LLC был отрегулирован так, что напряжение при возрастании нагрузки оставалось стабильным.
Тестирование энергопотребления / уровня шума / температурных показателей
Тестирование процессоров проводилось посредством 10-минутного теста OCCT версии 5.5.7 с использованием AVX2 инструкций.
реклама
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
Таким образом, в тестировании OCCT процессор с шестью медленными ядрами оказался более «прохладным», чем процессор с разогнанными четырьмя ядрами. Но результаты данного тестирования нельзя интерпретировать на якобы Ryzen 5 3500X и Ryzen 3 3100/3300X. Все процессоры уникальны и данный тест лишь показывает серьезно возросшие показатели тепловыделения при небольшом разгоне, что характерно для всех процессоров Ryzen.
Тестирование в синтетических программах: CPU-Z
Теперь, когда мы разобрались с поведением двух экземпляров в стресс-тесте, предлагаю сравнить производительность процессоров в CPU-Z.
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
Результаты «математического бенчмарка» подтвердились. Четыре разогнанных ядра хоть и обошли шесть маломощных ядер в однопоточной производительности, но серьезно уступили во многоядерной производительности. Медленные шесть ядер обходят четыре быстрых на 12.5%, данная разница была известна еще заранее из «математического бенчмарка»: разница между 18 и 16 составляет 12.5%.
Тестирование в синтетике: Cinebench R20, CPU Queen, CPU PhotoWorxx
Перед тем, как мы перейдем непосредственно к играм, предлагаю ознакомиться со сводным тестированием процессоров в популярной синтетике.
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
Как мы можем наблюдать, процессоры очень близки по своей производительности в синтетических тестах. Но у процессора с низкой частотой и шестью ядрами закономерный отрыв в Cinebench R20 и небольшое превосходство в CPU PhotoWorxx. По результатам «общей синтетики» трудно выявить явного фаворита, процессоры очень близки, но за счет чисто «математического превосходства», 6 ядер с частотой в 3 GHz становятся более предпочтительными.
«Игровая синтетика»: Ashes of the Singularity: Escalation
Тестирование производилось с акцентом именно на CPU.
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
Стоит отметить, что оба процессора посредственно справились с данной игрой, но визуально плавность картинки была все-таки за процессором с шестью ядрами.
Assassin’s Creed Odyssey
Дополнительные слабые ядра положительно сказались на производительности в игре Assassin’s Creed Odyssey.
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
Даже на минимальные настройки графики не смогли «спасти» четыре разогнанных ядра от проигрыша в Assassin’s Creed Odyssey. К сожалению, разница в гигагерц не дала фору четырем ядрам.
Far Cry New Dawn
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
В данной игре шесть низкочастотных ядер потерпели разгромное поражение по плавности, проиграв четырем быстрым ядрам.
Metro Exodus
Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.
И опять с крохотным отрывом победу одержали четыре быстрых ядра. Но не стоит забывать, что это самые минимальные настройки графики, если бы видеокарта позволяла выставить максимальные настройки графики без «бутылочного горлышка», то процессор с четырьмя ядрами, скорее всего, серьезно бы уступил более медленному процессору, но с большим количеством ядер.
Заключение
Четыре ядра, шесть ядер, низкая частота, высокая частота имеет ли это такое большое значение, если итоговая производительность «гуляет» от игры к игре, а в синтетических тестах разница между этими решениями настолько мала, что становится трудно «рассудить», какой типовой процессор действительно лучший? Все зависит от ваших конкретных задач.
На что влияет число ядер CPU? Объясняем по-простому
С числом, обозначающим количество ядер процессора, вы сталкиваетесь самое позднее при покупке компьютера. Но что же на самом деле дает большее количество ядер CPU, и есть ли смысл выбирать как можно более многоядерный процессор? В данной статье мы разъясняем, для чего нужно несколько ядер процессора, и всегда ли большее их количество — лучше.
Какой процессор лучше — с более высокой тактовой частотой или с большим количеством ядер? Не всегда все однозначно…
Вот почему появились многоядерные CPU: процессоры с несколькими ядрами были разработаны потому, что увеличение вычислительной производительности путем повышения тактовой частоты приносило большие технические проблемы. Кроме того, гораздо менее затратным оказался метод размещения нескольких ядер в одном процессоре, по сравнению с установкой нескольких процессоров на одной материнской плате. Вы и сами можете в этом легко убедиться: один процессор с несколькими ядрами в большинстве случаев стоит дешевле, чем 2 процессора с меньшим количеством ядер.
Так что же дает наличие нескольких ядер? Во-первых, вся основная нагрузка системы распределяется между несколькими «вычислительными центрами». Благодаря этому ваш ноутбук или ПК реже оказывается полностью перегруженным и не «замирает» так часто, как мог бы с одноядерным процессором. CPU с несколькими ядрами могут повышать тактовую частоту и, как следствие, производительность компьютера. Однако, на практике увеличение мощности сильно зависит от того, какая программа выполняется и какая при этом используется операционная система. Сам по себе принцип работает только в том случае, если вы используете ПО, поддерживающее многопоточность обработки данных, то есть особенно требовательное к ресурсам системы.
Например, Intel Core i5-4570S имеет в целом 4 физических CPU-ядра и может работать на тактовой частоте до 3,6 ГГц. Другая модель этого же производителя, Intel Core i3-7350K располагает всего двумя физическими ядрами, но тактовая частота у него достигает отметки в 4,2 ГГц. Расчеты вида 4 (ядра) * 3,6 ГГц = 14,4 ГГц здесь не подходят: i5-4570S по результатам наших тестовых испытаний оказался значительно хуже и менее эффективным, чем i3-7350K. Несмотря ни на что вы должны покупать только те процессоры, которые имеют минимум 2 ядра или больше. Делать ли выбор в пользу большего количества ядер или подыскивать процессор с более высокой тактовой частотой, зависит от того, как вы собираетесь использовать свой компьютер.
При всем этом сравнивать напрямую вы можете процессоры только одного производителя и одного типа. Все потому, что более старый CPU с 8 ядрами может оказаться хуже, чем новый процессор с 4 ядрами от другого производителя.
Компьютерный ликбез – Нужна ли нам многоядерность, и вреден ли разгон процессора?
Многоядерность
История развития центральных процессоров довольно интересна. Если проследить за ней с появления первых настольных компьютеров, то становится очевидно, что основным двигателем производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким значениям. Не помогает даже использование более тонких технических процессов при создании транзисторов.
Выход нашли в использовании нескольких ядер в одном кристалле, такой процессор «2 в 1». Их появление на рынке десктопов вызвало большие споры. Нужны ли нам многоядерные процессоры? Сейчас уже можно ответить с уверенностью: нужны. В ближайшие годы просто невозможно представить прогрессивного пути развития этой отрасли без использования нескольких ядер.
Так чем же лучше многоядерные процессоры? Многоядерность сродни использованию нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся они в одном кристалле и не полностью независимы (например, использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром, это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных программ одновременно.
На изображении процессора видны парные структуры – свидетельство наличия двух ядер
На изображении процессора видны парные структуры – свидетельство наличия двух ядер
Выход из данной ситуации очевиден – разработка нового поколения ПО, способного задействовать несколько ядер одновременно. Этот процесс можно назвать распараллеливанием процессов. На деле всё оказалось довольно сложно.
Некоторые задачи довольно легко распараллелить. К ним, например, относится кодирование аудио и видео. В его основе лежит набор однотипных потоков, так что заставить их выполняться одновременно – довольно простая задача. Выигрыш многоядерных процессоров в задачах кодирования перед одноядерными аналогами пропорционален количеству этих самых ядер: два ядра – вдвое быстрее, четыре – в четыре раза и так далее. Но подавляющую часть задач распараллелить намного сложнее. В большинстве случаев требуется кардинальная переработка программного кода.
Несколько раз из уст представителей довольно серьёзных компьютерных компаний звучали радостные слова об удачной разработке многоядерных процессоров нового поколения, способных самостоятельно раскладывать один поток на несколько независимых. Но до сих пор не было продемонстрировано ни одного рабочего образца подобного чуда.
А пока действительные шаги на пути к повсеместному использованию многоядерных процессоров довольно незамысловаты и очевидны. Первым является само создание и совершенствование этих процессоров, снижение ценовых рамок. Так, в среднем сегменте обоих мировых компьютерных гигантов – Intel и AMD – можно найти достаточно широкое разнообразие двухъядерных процессоров. Уже в следующем году в класс mainstream переберутся решения с четырьмя ядрами. А вот второй шаг на пути к пользователю делают сами разработчики программного обеспечения. Многие современные игры уже обзавелись поддержкой двух ядер. Самым требовательным из них практически необходим двухъядерный процессор для обеспечения оптимальной производительности.
Если окинуть взглядом прилавки компьютерных магазинов и немного проанализировать, то общая картина отнюдь не столь плоха. Производителям процессоров удалось достичь довольно высокого уровня выхода годных кристаллов. На ценообразовании это отражается следующим образом: увеличение числа ядер вдвое зачастую не ведёт к двойному повышению стоимости. Хотя это вполне логично: производительность в среднем возрастает тоже далеко не в два раза.
Подводя первую часть статьи к завершению, стоит отметить, что сколь бы ни был тернист путь к многоядерности, альтернативы ему в обозримом будущем попросту нет. Нам, как обычным потребителям, остаётся только своевременно апгрейдить свой компьютер, из раза в раз увеличивая число встроенных процессорных ядер, выводя тем самым общую производительность на новый уровень.
Вреден ли разгон компьютера?
Скептики уверяют, что оверклокинг ужасно опасен. Компьютерные энтузиасты уверены в обратном. Кто из них ближе к истине, мы и попытаемся сегодня понять.
Разгон процессора как явление существует уже не один десяток лет. Первопроходцами были по-настоящему увлечённые энтузиасты. В уже далёкие и забытые времена разогнать процессор можно было только впаиванием в электрическую схему материнских плат дополнительных компонентов, например, транзисторов с определённым значением активного сопротивления. Позже вся эта процедура упростилась до замыкания джамперами специальных контактов. Ну а сегодня всё стало и того проще: сиди себе спокойно в удобном кресле и меняй значения в BIOS, а зачастую прямо в операционной среде.
Но всё отнюдь не столь радостно, как может показаться на первый взгляд. Ведь с популяризацией любой отрасли средняя квалификация работника неизбежно снижается. Так и в оверклокинге. Если поначалу необходимо было иметь достаточно много знаний, чтобы разогнать, то теперь эта функция доступна даже детям дошкольного возраста. Так что об опасностях разгона многие даже и не слышали. А ведь на самом деле это далеко не миф.
Начнём, пожалуй, с самого очевидного. Как известно, разгон – повышение заводских характеристик какого-либо компонента компьютера с целью получения увеличенной производительности. Главной характеристикой процессора является его частота. Для её увеличения зачастую повышают и рабочее напряжение процессора. Эти два фактора в сумме очень негативно сказываются на микроэлектронике, уменьшая срок жизни устройства.
Всем, конечно, интересно услышать точные цифры. Но ими, пожалуй, никто не владеет. В Глобальной сети гуляют призрачные цифры: при повышении температуры процессора на 10 градусов его срок жизни уменьшается на 10 лет. Но если учесть достаточно серьёзные технологические различия в поколениях микрочипов, то эти данные нельзя считать даже приближенно верными.
Если посмотреть на более правдоподобные числа, то всё не так уж плачевно. Современные центральные процессоры рассчитаны на 15-20 лет беспрерывной работы. Компьютер самого заядлого геймера очень редко бывает включён более 12 часов в сутки. Так что средний процессор в номинальном режиме работы протянет около 30 лет. В самых неблагоприятных условиях экстремального разгона этот срок может уменьшиться вдвое – до 15. А уже через 5-10 лет производительность даже самого мощного процессора станет попросту смешной. Таким образом, процессор морально и технически устареет гораздо раньше, чем закончится его работоспособность из-за разгона.
Другая причина более обширна. Разгон процессора в любом случае сказывается на других компонентах системы, в первую очередь – на материнской плате. Вследствие повышения частоты и рабочего напряжения увеличивается и энергопотребление. Это, в свою очередь, создаёт дополнительную нагрузку на элементы питания процессора, расположенные на материнской плате. Многие производители для удешевления своей продукции устанавливают дешёвые и порой некачественные силовые элементы, например, сглаживающие или фильтрующие электрические конденсаторы. Выход из строя таких компонентов может навсегда забрать с собой на тот свет не только процессор, но ещё и саму материнскую плату вместе с целым набором комплектующих. Схожая картина и с блоком питания. Но за несколько лет силовые элементы материнских плат даже нижнего ценового сегмента прибавили в надёжности, что делает эту проблему не столь актуальной.