Что такое количество ядер процессора в телефоне, за что оно отвечает, какую функцию выполняет? На что влияет количество ядер в смартфоне? Какое самое большое количество ядер в смартфоне?

Короткое повествование на простом языке о ядрах мобильных процессоров, их функциях и необходимом количестве.

Для любого человека, который решается обзавестись новеньким смартфоном, основным критерием выбора является не только цена, но и мощность гаджета. Если перейти на сайт какого-нибудь интернет магазина и открыть технические характеристики смартфонов, то среди них можно увидеть такое определение, как «процессор».

Многим, даже технически неграмотным пользователям, данная деталь знакома и они имеют представление о том, какую функцию он выполняет. Однако стоящие рядом с ним слова «двухъядерный» или «четырехъядерный» вызывают у многих недоумение.

В нашей статье мы поговорим о том, что такое ядро процессора в смартфоне, за что оно отвечает и правдиво ли мнение, что чем больше ядер в процессоре, тем мощнее телефон.

Изображение 1. Что такое ядро центрального процессора в телефоне, за что оно отвечает и какую функцию выполняет?

Изображение 1. Что такое ядро центрального процессора в телефоне, за что оно отвечает и какую функцию выполняет?

Сколько ядер процессора нужно для современного смартфона?

Вопрос очень похожый на тот, что звучал в нашей предыдущей статье: “Сколько оперативной памяти нужно для современного смартфона?”. Можно ли считать, что смартфон, который имеет 10-ядер, а такие уже давно есть на рынке, гораздо более мощный 8-ядерного или 4-ядерного?

Пример:

  • Apple iPhone XS Max — 6-ядерный процессор;
  • Xiaomi Redmi Note 4X — 10-ядерный процессор.

В iPhone XS Max процессор имеет 6 ядер и это один из самых крутых смартфонов на рынке, а Redmi Note 4X имеет версию с 10-ядерным процессором и это средненький бюджетник. Видим, что мериться ядрами можно, но далеко не всегда дело в их количестве.

Почему в процессорах смартфонов больше ядер, чем у ПК и ноутбуков?

Мы можем наблюдать, что даже в мощных ПК процессоры в основном 4-ядерные, а в смартфонах 4-мя ядрами уже давно никого не удивишь. Почему так? В ПК мощность процессора можно увеличить, если повысить тактовую частоту, но это реально потому, что в корпусе ПК легко реализовать активное охлаждение. В смартфонах с охлаждением не все так просто, поэтому увеличивать тактовую частоту не вариант.

Если например взять смартфон Huawei P Smart Plus, то в нем процессор 8-ядерный, но в то же время ядра делятся на два типа:

  • 4 ядра — энергоэффективные (с частотой 1,7 ГГц);
  • 4 ядра — мощные (с частотой 2,2 ГГц).

Фактически смартфон имеет два 4-ядерных процессора, но не вникая в детали такие смартфоны называют 8-ядерными (например, новый Гугл пиксель три а). Для серфинга в интернете, пользования “легкими” системными приложениями, пролистывания меню вполне достаточно будет первых 4-х ядер. В это время 4 высокочастотные ядра в режиме “сна”. Когда вы запускаете тяжелые приложения или игры, то включаются мощные ядра. Такой алгоритм работы многоядерных процессоров называется big.LITTLE.

Для чего ядра делить на мощные и энергоэффективные?

Можно сделать вывод, что для смартфона вполне хватило бы и четырех ядер (высокочастотных). В общем так и есть, но здесь мы встречаемся еще с одной проблемой современных смартфонов, а именно автономность. Если на все задачи простые и сложные задействовать более мощные ядра, то это существенно будет влиять на автономность устройства.

Выводы

iPhone 7 и 7 Plus имеют 4-ядерный процессор и на момент выхода они были одними из самых мощных на рынке, опережая целый ряд смартфонов с 8-ядерным чипом. Они и сегодня вполне актуальны и легко справляются с любыми задачами. Поэтому, как вывод можем сказать, что выбирая смартфон гораздо важнее обратить внимание на емкость батареи, возможности камеры, экран, оперативную и постоянную память и только после этого обращать внимание на количество ядер процессора.

Мобильный процессор, но правильнее — SoC

В отличие от домашнего компьютера, смартфон использует несколько иную логику: в случае с умными мобильниками процессором часто называют всю «систему на чипе» — SoC (System-on-a-Chip), или «систему на кристалле». Это набор компонентов, которые выполняют основные функции смартфона — от обработки данных, поступающих из всех источников, до подключения к беспроводным сетям и вывода картинки на экран.

То есть SoC — это собственно вычислительный процессор (CPU), «видеокарта» (GPU), модемы (3G, 5G и тому подобные), модули беспроводной связи (Wi-Fi, Bluetooth) и что угодно еще, но мы будем говорить именно о «процессоре», то есть об основном вычислительном компоненте. Отметим, что существуют и раздельные решения, когда тот или иной компонент не интегрирован, однако основной путь — «все вместе».

Какие мобильные процессоры самые-самые? Сейчас к актуальным и топовым относятся: Apple A13 Bionic для iPhone, Snapdragon 855 и 855 Plus для большинства Android-смартфонов, Helio G90, Exynos 990 для смартфонов Samsung, Kirin 990 для Huawei и Honor. Хотя те, что постарше на год-два, не особенно хуже, и средний юзер не ощутит разницы в производительности от слова «вообще».

Так сколько ядер выбирать?

Прежде чем покупать процессор с 16 ядрами, подумайте, потребуется ли такое количество потоков для выполнения задач, которые вы будете ставить перед компьютером.

  • Если компьютер приобретается для работы с документами, серфинга в интернете, прослушивания музыки, просмотра фильмов, то хватит двух ядер. Если взять процессор с двумя ядрами из верхнего ценового сегмента с хорошей частотой и поддержкой многопоточности, то не будет проблем при работе с графическими редакторами.
  • Если вы покупаете машину с расчетом на мощную игровую производительность, то сразу ставьте фильтр на 4 ядра минимум. 8 ядер с поддержкой многопоточности – самый топ с запасом на несколько лет. 16 ядер – перспективно, но велика вероятность, что пока вы раскроете потенциал такого чипа, он устареет.

Как я уже говорил, разработчики игр и программ стараются не отставать от прогресса процессоров, но пока огромные мощности просто не нужны. 16 ядер подойдут пользователям, которые занимаются рендерингом видео или серверными вычислениями. Да, в магазинах такие процессоры называют игровыми, но это только для того, чтобы они продавались – геймеров вокруг точно больше, чем тех, кто рендерит видео.

Преимущества многоядерности можно заметить только при очень серьезной вычислительной работе в несколько потоков. Если, условно, игра или программа оптимизирована только под четыре потока, то даже ваши восемь ядер будут бессмысленной мощностью, которая никак не повлияет на производительность.

Это как перевозить стул на огромной грузовой машине – задача от этого не выполняется быстрее. Но если правильно использовать имеющиеся возможности (например, загрузить кузов полностью другой мебелью), то производительность труда увеличится. Помните об этом и не ведитесь на маркетинговые штучки с добавлением слова «игровой» к процессорам, которые даже на самых последних играх не раскроют весь свой потенциал.

Почему 2‑ядерные процессоры все еще популярны?

Если взглянуть на мобильный сегмент электроники, то можно заметить засилье 6–8 ядерных чипов, которые выглядят максимально органично и нагружаются параллельно при выполнении всех задач. Почему так? ОС Android и iOS – довольно молодые системы с высоким уровнем конкуренции, а потому оптимизация каждого приложения – залог успеха продаж девайсов.

С индустрией ПК ситуация иная и вот почему:

Совместимость. При разработке любого ПО разработчики стремятся угодить как новой, так и старой аудитории со слабым железом. На 2‑ядерных процессорах делается больший акцент в ущерб поддержки 8‑ядерных.

Распараллеливание задач. Несмотря на засилье технологий в 2018 году, заставить программу работать с несколькими ядрами и потоками ЦП параллельно все еще не просто. Если речь заходит за просчет нескольких совершенно разных приложений, то вопросов нет, но когда дело касается вычислений внутри одной программы – тут уже хуже: приходится регулярно просчитывать абсолютно разную информацию, при этом не забывая об успехе задач и отсутствии ошибок при вычислениях.

В играх ситуация еще более интересная, поскольку объемы информации разделить на равные «доли» практически нереально. В итоге получаем следующую картину: один вычислительный блок маслает на 100%, остальные 3 – ждут своей очереди.

Преемственность. Каждое новое решение основывается на предыдущих наработках. Писать код с нуля не только дорого, но и зачастую невыгодно центру разработки, поскольку «людям и этого хватит, а пользователей 2‑ядерных чипов все еще львиная доля».

Взять к примеру многие культовые проекты вроде Lineage 2, AION, World of Tanks. Все они создавались на базе древних движков, которые способны адекватно нагрузить лишь одно физическое ядро, а потому здесь основную роль при вычислениях играет только частота чипа.

Финансирование. Далеко не все могут позволить себе создать совершенно новый продукт, рассчитанный не 4,8, 16 потоков. Это слишком дорого, да и в большинстве случаев неоправданно. Взять к примеру ту же культовую GTA V, которая без проблем «съест» и 12 и 16 потоков, не говоря уже о ядрах.

Стоимость ее разработки перевалила за добрые 200 млн долларов, что само по себе уже очень дорого. Да, игра оказалась успешной, поскольку кредит доверия Rockstar в среде игроков был огромен. А если бы это был молодой стартап? Тут уже сами все понимаете.

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.

Читайте также:  Что значит ограниченный доступ Wifi

2020 MacBook Air

Помимо процессоров – и соответствующего повышения цен – между моделями MacBook Air 2020 года нет никаких отличий.

По всей плате новые машины теперь могут быть сконфигурированы с внутренним хранилищем до 2 ТБ, начать с более 256 ГБ базового хранилища, использовать процессоры Intel 10-го поколения, теперь использовать Magic Keyboard и иметь более мощную Intel Iris. Плюс графика, которая может обеспечить 6K дисплей.

Пользователи могут настраивать SSD и RAM при выборе машины, но это даст меньшую разницу в производительности, чем выбор процессора.

Почему так много похожих процессоров

Рационально использовать ресурсы можно только с помощью маркетинга. А это заставляет производителей идти на хитрость и делить процессоры на архитектуры, архитектуры на подархитектуры, и далее, пока одно устройство не превратится в дюжину с похожими характеристиками, но непохожих в стоимости. Классификацией таких множеств мы и займемся.

Для этого рассмотрим деление процессоров по семействам. И, если AMD выделяет их последовательно, по мощностным качествам, то Intel предпочитает в порядке более сложную иерархию. Хотя, с появлением Ryzen концепция начинает меняться.

AMD Ryzen 3 1200 OEM

Ryzen 3 1200 — финалист нашего обзора и примечателен в первую очередь ценой. Он позволяет собрать ультрадешевую систему на AM4. Но не стоит забывать об отсутствии встроенного видеоядра. Но, в случае с Ryzen 3 1200 это не так критично, как с Core i3-9100F, а первую очередь из-за низкой цены, здесь это простительно.

И в случае с этим процессором тоже есть перспективный вариант апгрейда, например, купив материнскую плату на чипсете B450 и добавив видеокарту даже уровня GeForce GTX 1660 SUPER, можно какое-то время переждать до покупки мощного процессора. Игровой процесс будет не очень плавный, а может быть даже сопровождаться фризами, но такой вариант имеет право на существование, особенно, если видеокарта у вас уже есть.

И конечно же, Ryzen 3 1200 — отличнейший выбор для экономных опытных пользователей, которые не боятся б/У рынка. Добавив, например, AMD Radeon RX 580 или GeForce GTX 1060, которых очень много на б/у рынке после майнинга, можно получить игровой компьютер за совсем смешные деньги.

Я и сам сейчас играю и работаю на почти аналогичном компьютере с Core i5-3570 и GeForce GTX 1060 и не испытываю особого дискомфорта.

Неудача ценовой политики AMD в 2021 году на примере четырех и шестиядерных процессоров

Если поглядеть на историю ценовых войн производителей процессоров за последние 30 лет, то мы увидим, как компания AMD часто демпинговала, делая свои процессоры особенно привлекательными для экономных пользователей и оверклокеров, получающих способность увеличить производительность процессора и даже догнать более старшую модель. Начало этой ценовой борьбы, которой не видно конца, было положено еще в 1990-е годы, когда процессоры Am486DX соперничали с Intel 80486. А процессоры K5 и K6 противопоставлялись знаменитому Pentium.

реклама

Противостояние корпораций особенно обострилось к началу 2000-х годов, когда AMD выпустила относительно недорогой процессор K6-III для борьбы с Pentium III. А с выпуском успешных процессоров серии K7, Athlon и Athlon XP, компания AMD окончательно заявила о себе как силе, которая будет диктовать цены на рынке процессоров.

Одним из первых моих процессоров стал недорогой Athlon XP, который после разгона показывал лучшие результаты в играх, чем более дорогие Pentium 4. С тех пор я понял, что в мире компьютерных комплектующих есть возможность получить что-то дешевле, если не гнаться за разрекламированными моделями и не слишком доверять маркетингу.

реклама

Первый звоночек о том, что в капиталистическом мире никто не будет продавать нам лучший товар дешевле, чем у конкурентов, прозвенел в 2003 году, с приходом архитектуры K8. Процессоры Athlon 64 в пух и прах разгромили конкурентов от Intel с архитектурой Northwood и Prescott, и на несколько лет стали доминировать на рынке. Надо признать, Athlon 64 были хороши во всем: быстрые, экономичные, со встроенными системами энергосбережения, редкими в то время.

AMD закрепляла успех, улучшая и быстро меняя архитектуру Athlon 64: Clawhammer, Newcastle, Winchester, San Diego, Venice. Быстро менялись и сокеты: 940, 754 949. В те годы это был выбор компьютерных энтузиастов, оверклокеров и геймеров, но цены на старшие модели кусались. В 2005 году AMD нанесла еще один удар по конкуренту, выпустив двухъядерные процессоры Athlon 64 X2. Они опередили свое время и дали старт тенденции постоянного роста многоядерности процессоров, которая продолжается с тех пор.

реклама

Intel ответила процессорами Pentium D, ставящими антирекорды в нагреве и энергопотреблении, ведь ничего хорошего из идеи поместить два прожорливых кристалла Prescott под одну крышку получиться не могло. Праздник на улице AMD закончился в 2006 году, с выходом у конкурента линейки процессоров Intel Core 2 на ядре Conroe. Насколько Athlon 64 превосходили Pentium 4 в свое время, настолько Intel Core 2 превзошли Athlon 64 X2, и дали потрясающий прирост производительности на ядро, энергоэффективности и сумасшедший разгонный потенциал.

Я до сих пор помню дикие эмоции, когда свежекупленный недорогой Core 2 Duo E4600 на бюджетной материнской плате прибавил более гигагерца частоты, выдавая результаты производительности, сопоставимые с топовыми моделями процессоров. Про Athlon 64 X2 энтузиасты стали быстро забывать и AMD стала срочно снижать цены, переводя их на уровень бюджетных моделей для экономных пользователей.

Далее последовал затяжной период отставания AMD, когда низкую производительность продуктов она компенсировала ценами: Athlon X2, Phenom, Phenom II, FX, все эти модели позиционировались как догоняющие Intel, но более дешевые и имеющие возможность разгона. Этот период затянулся на 10 лет, за которые у нас окончательно сформировался образ «корпорации добра», а неприятный «инцидент» с ценами на Athlon 64 и Athlon 64 X2 успел позабыться.

реклама

Апогеем демпинговой компании стал выпуск процессоров Ryzen в 2017 году, пусть производительность на ядро отставала от решений конкурента, но возможность купить шесть и восемь ядер по низкой цене перевешивала все. Процессоры Ryzen стали мегапопулярны и их первые поколения продаются даже сейчас. Смена их архитектуры на Zen+, а затем Zen 2, где наконец-то подтянули производительность в играх, сделала Ryzen 5 3600 самым популярным процессором.

Но самый чувствительный удар по Intel нанесла архитектура Zen 3 и процессоры Ryzen 5000, где производительность на ядро впервые со времен Athlon 64 стала выше, чем у процессоров конкурента, а особенно это стало заметно в играх. Как вы догадались, никто не стал продавать Ryzen 5000 дешевле, чем процессоры конкурента, но к середине 2021 года мы подошли с парадоксальной ситуацией с ценами на процессоры AMD.

В рознице цена на четырехъядерный Ryzen 3 1200 на архитектуре Zen+, практически сравнялась с ценой на четырехъядерный, но восьмипоточный Core i3-10100F на архитектуре Comet Lake, которая заметно быстрее Zen+, особенно в играх. К примеру, в Ситилинке разница между этими процессорами в цене составляет всего 100 рублей.

А дальше начинается полная неразбериха с ценами на процессоры AMD. Ryzen 5 1600 стоит почти 10000 рублей.

Четырехъядерный восьмипоточный Ryzen 3 3100, которому бы следовало бороться с Core i3-10100F, стоит 10290 рублей и борется со своими партнерами по команде, создавая внутреннюю конкуренцию.

Следом идет Ryzen 5 2600 на архитектуре Zen+ за 11190 рублей.

Чуть дороже шестиядерный шестипоточный Ryzen 5 3500X за 11390 рублей.

И весь этот отряд шестиядерников от AMD, захватив за одно и Ryzen 3 3100, делает неактуальными Core i5-10400F всего за 11790 рублей. В начале 2020 года я купил Ryzen 5 1600 всего за 7000 рублей, но если бы в то время в продаже был Core i5-10400F за 11790 рублей, я бы, конечно, сделал выбор в его пользу.

Да, он не имеет возможности разгона, да она ему и не нужна, в играх он показывает отличные результаты, а если дополнить его материнской платой на чипсете B560 и оперативной памятью с частотой 3200 МГц и CL16, то Core i5-10400F практически во всех играх будет быстрее Ryzen 5 3600.

А где же Ryzen 5 3600, спросите вы? Он возвышается над этой схваткой с ценой, на 23% превышающей цену Core i5-10400F. Он стоит 14590 рублей, то есть на фоне удешевления процессоров от Intel он еще умудрился и подорожать!

Итого, на рынке бюджетных процессоров мы видим парадоксальную ситуацию, которой не было никогда, Intel продает свою продукцию дешевле, несмотря на то, что она производительнее решений от конкурента. Core i3-10100F и Core i5-10400F отлично «контрят» процессоры AMD, которые сбились в кучу около цены в 10000 рублей и конкурируют и с собой, и с процессорами конкурента.

На этом ценовые сюрпризы 2021 года не заканчиваются. Ryzen 5 5600X стал самым дорогим шестиядерником в рознице, а Core i7-10700F стал самым дешевым восьмиядерником и разница в их цене составляет всего 600 рублей! Непростая задача для выбора, если у вас чуть более 20000 рублей на процессор. Аналогичные цены и в других магазинах, так что эту неразбериху нельзя списать на конкретный магазин.

Создается ощущение, что AMD забыла, что такое демпинг и после выпуска успешных Ryzen 5000 собирается почивать на лаврах, а ее новый девиз — «AMD — это дорого!». Чем подобное поведение закончилось в прошлый раз мы прекрасно помним — более 10 лет отставания от Intel.

Удивила и компания Intel, выступая в роли догоняющего, она не только убирает искусственные ограничения, типа заблокированного разгона ОЗУ на чипсетах среднего уровня или отсутствия гипертрейдинга в серии Core i5, но и продает свои более производительные процессоры дешевле, чем конкурент.

Пишите в комментарии, что вы думаете по поводу цен на процессоры? И какой бы модели отдали предпочтение сейчас?

Процессоры, ядра и потоки. Топология систем

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.

Используемая далее терминология используется в документации процессорам Intel. Другие архитектуры могут иметь другие названия для похожих понятий. Там, где они мне известны, я буду их упоминать.

Читайте также:  Processor frequency multiplier что это

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).

Процессор

Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин — это «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.

К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS

Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.

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.

Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.

Гиперпоток

До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология — гипертреды или гиперпотоки, — Intel® HyperThreading (далее HT).

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

В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это — частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение — здесь нужны «честные» ядра.

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

Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?

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

Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.

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 [2]:

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 [2], 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

Local APIC (advanced programmable interrupt controller) — это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) — для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .

Читайте также:  Увеличение скорости скачивания в Steam

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[31:0] возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.

Выяснение родственных связей

Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два — внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX[5:0] (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня — гиперпоток, ядро или процессор, — в ECX[15:8].

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 [3, 4].

Операционные системы и топология

Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.

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:

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

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

Также их предоставляет консольная утилита Sysinternals Coreinfo и API вызов GetLogicalProcessorInformation.

Полная картина

Проиллюстрирую ещё раз отношения между понятиями «процессор», «ядро», «гиперпоток» и «логический процессор» на нескольких примерах.

Система (2, 2, 2)

Система (2, 4, 1)

Система (4, 1, 1)

Прочие вопросы

В этот раздел я вынес некоторые курьёзы, возникающие из-за многоуровневой организации логических процессоров.

Как я уже упоминал, кэши в процессоре тоже образуют иерархию, и она довольно сильно связано с топологией ядер, однако не определяется ей однозначно. Для определения того, какие кэши для каких логических процессоров общие, а какие нет, используется вывод CPUID.4 и её подлистов.

Лицензирование

Некоторые программные продукты поставляются числом лицензий, определяемых количеством процессоров в системе, на которой они будут использоваться. Другие — числом ядер в системе. Наконец, для определения числа лицензий число процессоров может умножаться на дробный «core factor», зависящий от типа процессора!

Виртуализация

Системы виртуализации, способные моделировать многоядерные системы, могут назначить виртуальным процессорам внутри машины произвольную топологию, не совпадающую с конфигурацией реальной аппаратуры. Так, внутри хозяйской системы (1, 2, 2) некоторые известные системы виртуализации по умолчанию выносят все логические процессоры на верхний уровень, т.е. создают конфигурацию (4, 1, 1). В сочетании с особенностями лицензирования, зависящими от топологии, это может порождать забавные эффекты.

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.

4 ядра
6 ядер

Сколько тебе нужно ядер для игр?

Проблема XXI века — выбор количества ядер в процессоре. Производительность моделей от Intel и AMD отличается по многим параметрам и в разных задачах. Где-то в приоритете большее количество ядер, где-то производительность на ядро и высокая частота. Мы народ простой — играем в игры. Сколько же ядер выбрать нам?

реклама

Про ядра.

Простым языком, количество ядер решает, как много задач процессор сможет обрабатывать одновременно. Когда-то все процессоры были одноядерными и не поддерживали многозадачность. Они умели только быстро переключаться между приоритетными задачами. С выходом процессоров Athlon и Pentium, на потребительский рынок поступили первые многоядерные «камни». Произошла так называемая «ядерная революция», их количество росло не по дням, а по часам. На текущий момент среди пользовательского сегмента есть 4, 8, 16 и даже 32-х ядерные модели. Серия AMD Ryzen на количестве ядер «собаку съела».

Совсем недавно, все компьютерные игры могли пользоваться только одним физическим ядром, установка двухъядерного процессора во многом ничего не давала. С течением времени, производители игр научились использовать большое количество ядер, что положительно сказалась на игровой производительности.

реклама

Вскоре после выхода многоядерных процессоров появилась технология многопоточности — Hyper-threading от Intel и SMT от AMD.
Технология позволяет разделить физическое ядро на два логических потока. Обработка происходит в режиме последовательности и гораздо быстрее обычного ядра. Заменяют ли логические ядра полноценные физические – да! Взгляните на статистический бенчмарк.

Из таблицы следует, что производительность многопоточного двухъядерного процессора практически сопоставима с полноценным четырехъядерным. Так процессор i3 седьмого поколения с 4-мя логическими потоками в играх оказался быстрее, чем i5 шестого поколения с полноценными 4-мя ядрами. Дальнейший же рост количества ядер и потоков не приносит каких-либо существенных результатов.

В играх важно не количество ядер, а их эффективность. Яркий тому пример процессоры AMD серии FX. Они были выпущены в 2011 и 2012 годах, опирались исключительно на максимальное число ядер. В свое время они сделали прорыв в многоядерности, что послужило хорошим толчком для компании. Шли годы, серия FX стагнировала, а Intel продолжала развивать свои ядра. В конечном итоге, двухъядерный многопоточный Intel Pentium 4560 оказался быстрее в игровых проектах, чем 8-ми ядерный «камень» от AMD.

Еще один пример «плохих» ядер — это старые серверные процессоры серии Xeon. В последнее время на них увеличился спрос из-за моды на количество потоков, а также снижение стоимости на б.у. рынке. По цене «гипер пня» можно приобрести двадцатипоточный процессор с неплохой производительностью. Только существует одна загвоздка. Этот процессор, отлично выполняющий задачи в технических областях, совершенно не приспособлен для игр. Если вы на пороге покупки Xeon, то лучшим выбором будет процессор с максимальным количеством ядер и максимально возможной частотой. Производительность на ядро у них далека от современной и напоминает серию FX. Но в отличие от последних у Xeon’a гораздо больше ядер, что и компенсирует их низкую производительность. В конечном итоге получается, что старые 20-ти поточные серверные процессоры дотягивают по игровой производительности только до i5 серии Intel последних поколений.

реклама

Про производительность.

Для того, чтобы проверить игровую производительность в различных вариациях ядер и потоков, возьмем десятиядерный двадцатипоточный Intel Core i9 7900X. Будем делать из него различные комбинации и смотреть на разницу игровой производительности. Также в тест будет добавлен AMD Ryzen 7 2700X на базовых частотах и с использованием всех ядер.

Тестовый стенд:

  • Процессор — Intel Core i9 7900X Skylake-X 10-core CPU @ 4.5 ГГц.
  • Материнская плата — ASUS Strix X299-XE Gaming.
  • Память — G.Skill Trident Z 32 ГБ DDR4-3200 CL14.
  • Видеокарта — NVidia GeForce GTX 1080 Ti.
  • Накопитель — 2x SSD Samsung 840 Evo 1ТБ.
  • ОС — Windows 10 64-bit.

реклама

Двухъядерный процессор хоть и выдает играбельный фпс, сильно тормозит карту. Правильным выбором будет процессор 4 — 6 ядерный с поддержкой Hyper-threading или без нее. С ростом разрешения, производительность упирается в видеокарту, тут двухъядерный процессор выдает сопоставимый результат.

Эта игра видимо не знает, что такое потоки и ядра. Результат в пределах погрешности одинаков.

Здесь мы так же удостоверились, что 4 ядра вполне хватает для «раскрытия» видеокарты.

Так же как и Call of Duty, данный проект либо не умеет использовать больше чем 4 потока, либо настолько хорошо оптимизирован, что ему вполне хватает и двухъядерного процессора для максимальной производительности.

С 4-х поточными Pentium и i3 к этой игре лучше не подходить. Начиная с четырех ядер, роста производительности практически нет.

Про выбор.

Все вы слышали своих друзей о том, что у них с покупкой новой видеокарты процессор перестал ее «раскрывать». Так сколько ядер нужно на «раскрытие»? Современные ядра, начиная с 6-ой генерации Intel и линейки Ryzen от AMD, имеют отличные показатели производительности на ядро. Согласно таблице выше, нет никакой нужды на сегодняшний день использовать для игр современный процессор с числом ядер больше четырех. Он может быть как многопоточным, так и с физическими ядрами. По результатам игрового тестирования видно, что в некоторых проектах есть небольшой отрыв восьмипоточного процессора от четырехъядерного процессора без Hyper-threading. Шестиядерные Coffee Lake последнего поколения отлично прикроют этот малый недочет. Получается лучший выбор на текущий момент — это процессоры серии i5 и Ryzen 5. Их производительности будет достаточно, чтобы «раскрыть» видеокарту высокого класса в FullHD. Все, что имеет большее количество ядер и потоков, это пустая трата денег. Единственная оправданная покупка таких процессоров кроется в использовании двух и более видеокарт для игр в 4-8к разрешениях.

Ссылка на основную публикацию