Мощность телефона зависит не от ядер процессора. Многоядерные процессоры: принципы работы

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

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

Разница между 2 и 4-ядерным процессором

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

Схема четырехъядерного процессора AMD Athlon

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

Чем обусловлена популярность двухъядерных ЦП

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

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

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

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

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

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

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

World of Tanks тоже не умеет распределять нагрузку на ядра равномерно

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

GTA V оптимизирована под многоядерность и умеет равномерно загружать процессор

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

Какой процессор лучше: 2 или 4-ядерный

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

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

Увеличение количества ядер снижает итоговую производительность каждого из них

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

Нужна ли сегодня многоядерность

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

Браузер Opera каждой вкладке присваивает отдельный процесс

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

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

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

Смартфон на 4 или 8 ядер – дают ли преимущества дополнительные ядра?

Вопрос: «Чем восемь ядер лучше, чем четыре?». Ответ: «Чем четыре». Несмотря на шуточность такого ответа, он достаточно точно отображает суть «гонки ядерных вооружений» в современных мобильных устройствах.

Иногда даже доходит до крайностей, когда покупателя не интересует, какой экран лучше для смартфона , сколько у него будет оперативной памяти или какова продолжительность автономной работы. Главное – количество ядер в процессоре!

Причем производители мобильных чипов уже давно обогнали стационарные компьютеры. В настоящее время процессор Intel в среднестатистическом домашнем ПК имеет всего два физических ядра (Celeron, Pentium, i3) и только высокопроизводительные модели i5/i7 – четырехъядерные. Лишь к концу 2017 года в массовом (не серверном) сегменте стали появляться процессоры с 6 (Intel Coffee Lake) и 8 ядрами (AMD Ryzen). В то время, как в мобильном секторе этим уже давно никого не удивишь – там уже и 10 давно есть.

Возникает вопрос – зачем смартфонам такое количество ядер, если даже в более мощных стационарных компьютерах столько не используется? На самом деле, тут все просто – в процессорах для десктопа можно увеличивать мощность путем повышения тактовой частоты вплоть до 5 Гц и выше, поскольку имеется активное охлаждение. В то же время, мобильные чипы частенько не дотягивают даже до 2 Гц, потому что охладить их невозможно в условиях компактного корпуса. Приходится выбирать другой путь.

4 или 8 ядер – больше, значит лучше?

Предположим, что вы в первый раз столкнулись с данной проблемой, и решаете, какой выбрать из топа лучших смартфонов . Стоит ли переплачивать за 8-ядерную модель или есть смысл сэкономить?

Чтобы сделать аргументированный выбор, ознакомьтесь с принципом, по которому работают мобильные 8 ядер. Дело в том, что они там неодинаковые! Чаще всего это два набора по 4 ядра. Один набор мощный и высокочастотный, для работы в требовательных приложениях и играх, а второй – экономичный, для решения повседневных несложных задач.

Зачем так сделали? В первую очередь, для энергоэффективности. Малая продолжительность автономной работы – это настоящий бич современных смартфонов, который сдерживает рост их производительности. При этом для большинства выполняемых задач (серфинг в Интернете, перемещение по домашним экранам и настройкам, чтение сообщений) мощный процессор не нужен, он будет только впустую разряжать аккумулятор. Поэтому для таких задач задействуется «экономный» набор ядер.

Если же пользователь запустил HD видео или 3D игру, сразу же «размораживается главный калибр», и пользователь получает в свое распоряжение все ресурсы устройства. Данный алгоритм, используемый в многоядерных мобильных процессорах ARM с 2011 года, получил название big.LITTLE. Одним из его первых представителей стал чип от компании Samsung под названием Exynos. Последнее поколение Exynos 9 (2017, Galaxy S8/S8+) использует два набора – 4 ядра с частотой 2,5 Гц и 4 ядра с частотой 1,7 Гц.

Так что, получается 8 ядер – это хорошо? На самом деле, однозначного ответа нет. Приведем простой пример. Смартфоны Apple только недавно обзавелись всего лишь 6 ядрами. Именно столько имеет процессор A11 Bionic, установленный в iPhone 8 и X, поступивших в продажу в конце 2017 года. В то же время, iPhone 7 вполне обходился четырьмя ядрами, что не мешало ему показывать рекордную производительность в тестах и высокий уровень энергоэффективности.

Восемь ядер в Android смартфонах появились из-за огромного парка устройств, работающих под данной операционной системой, и сложности оптимизации ее для баланса производительности и автономности. У Apple в этом плане все намного проще – ее iOS оттачивается исключительно для гаджетов собственного производства. Однако в последних версиях Android эти проблемы постепенно решаются, и преимущества 8-ядерных смартфонов перед 4-ядерными практически незаметны, в отличие от разницы в цене.

Резюмируя, можно сказать следующее – сегодня при покупке нового мобильного устройства намного важнее выбрать надежный смартфон с мощным аккумулятором , качественным экраном и большим объемом ОЗУ/ПЗУ. Это обеспечит гораздо больше удобства при эксплуатации, чем увеличение количества ядер в процессоре с четырех до восьми.

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

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

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

Увеличение производительности за счёт многоядерности

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

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

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

И рассмотрим, что же будет в двух разных случаях:

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

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

Нужны ли многоядерные процессоры? Повседневная резонность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Нельзя разобраться с этим вопросом, не зная, что собой представляет 4-х ядерный процессор. С одно-, двух- и трехъядерными процессорами все просто: они имеют одно, два или три ядра соответственно. А что касается 4-х ядерного, то тут не все так, как кажется на первый взгляд.

2-х или 4-х ядерный процессор?

Большинство людей ошибаются, думая, что частота каждого ядра складывается. Раз 2.5 Ггц частота ядер, а ядра 4, то значит 2.5*4= 10Ггц. Но это не так: частота всегда одна — 2.5 Ггц. Почему же частота не складывается? Потому, что с этой частотой параллельно работает каждый процессор.

Порция — это часть времени, на вычисление которой процессор выделяет ресурсы всем потокам, попавшим в процессор. Это как 4-ре магистрали с предельной скоростью 60 км/час (2.5 Ггц): у нас есть грузовики, которые должны доставить нам товары (это наши кусочки программы или порции программы), и чтобы нам повысить скорость доставки (повысить работоспособность системы), нам нужно использовать все 4-ре магистрали или повысить предельную скорость (3.0 Ггц). Но для большинства программ невозможно работать в несколько потоков, так как они работают в один поток и способны использовать лишь одну магистраль (а значит нашей программе будет выделено лишь 25% общей мощности процессора) потому, что в программе логика должна выполняться последовательно (поточно), и если нарушить последовательность, нарушится логика, а это приведет к сбоям. Новые программы стараются использовать мультипрограммирование — возможность работать в несколько потоков (наших магистралей), а не в одну, как большинство программ сейчас. Игры, по большей части тоже оптимизированы под многопоточность, но основной поток обычно работает в один. Хоть сейчас и пытаются разделить его на несколько, чтобы облегчить и ускорить. Поэтому для игр или приложений, которые обычно работают в один или два потока, лучше взять 2-ух ядерный процессор.

Если частота у двухъядерного такая же, как у четырехъядерного, то лучше конечно взять четырехъядерный, ведь у нас же одновременно работает огромное количество программ, пускай и слабых по нагрузке. Мы выиграем производительность системы за счет того, что все другие процессы могут быть вытеснены на другое ядро при полной загрузке одного из них. Но обычно частота у новых двухъядерных выше, чем у новых четырехъядерных. Именно поэтому при тестах в играх побеждают 2-ух ядерные с большей частотой, чем 4-ех ядерные с меньшей.

Теперь об очередях:

Теперь поймем, что при переходе от одноядерного к двуядерному, скорость возрастает быстрее не только за счет одновременной обработки ядрами, но и за счет ожидания и очереди на процессоре.

Частота у одноядерного процессора и двухъядерного одна и та же, но работает компьютер быстрее с 2-я ядрами. Дело в мультипрограммировании, когда осуществляется переход с одноядерного на двухъядерный, то скорость возрастает в разы. А мультипрограммирование — это работа с потоками. Представим себе 2 потока, например, работа Windows и запущенная компьютерная игра. Если у нас имеется одно ядро, то обрабатывается последовательно то игра (порция), то работа Windows (порция). Процессам приходиться ждать очереди, т. е. когда «кусочек» игры обрабатывается, то Windows приходится ждать конца обработки игры (порции игры). Когда мы перешли на 2 ядра, то даже с той же частотой, как у одноядерного, компьютер начинает более быструю обработку, так как очередь уменьшается в 2 раза.

Объясню подробнее на примере 100 приложений, если у нас 1 ядро, то 1 приложение обрабатывается, остальные 99 ждут своей очереди. И чем длиннее очередь, тем дольше идет обновления, и тогда мы чувствуем, что у нас тормозит система. А когда у нас 2 ядра, то очередь делится наполовину, т. е. 50 приложений на одном и 50 на другом, следовательно, их проще и быстрее обновлять. Важно знать, что очередь становится меньше и наши приложения быстрее обновляются.

Для теста потока запустите winrar, чтобы сжимать большой файл, и посмотрите в диспетчере (он сжимает в один поток), сколько ресурсов процессора он будет использовать (25%- на 4-ех ядерном и 50% на 2-ух). Из этого следует, что нашей игре, если она работает в один поток в четырехъядерном процессоре, будет выделено 25 % мощности процессора, 50%, если в двухъядерном. В играх у нас многопоточность присутствует, но главный поток в игре все равно будет обрабатываться на четверть процессора (в четырехъядерном).

Все рассматривалось упрощенно, 2-х ядерный с большей частотой подходит лучше для игр, так как больше частоты выделяется одному потоку, а 4-х ядерный подходит для много-поточных данных, например, множество запущенных одновременно приложений.

У 2-ух ядерного процессора i5 есть технология позволяющая имитировать работу системы, как с 4-х ядерным процессором. Фактически есть только 2 ядра, но для Windows имитируется работа 4-х ядер. 4 очереди (потока) по 2 очереди (потока) на ядро обрабатываются по очереди. Каждое ядро берет по порции каждого из потоков, то есть он способен быть четырехъядерным.

Я рассказал, почему рост частоты процессоров застопорился на нескольких гигагерцах. Теперь же поговорим о том, почему развитие числа ядер в пользовательских процессорах также идет крайне медленно: так, первый честный двухядерный процессор (где оба ядра были в одном кристалле), построенный на архитектуре x86, появился аж в 2006 году, 12 лет назад - это была линейка Intel Core Duo. И с тех пор 2-ядерные процессоры с арены не уходят, более того - активно развиваются: так, буквально на днях вышел ноутбук Lenovo с процессором, построенном на новейшем (для архитектуры x86) 10 нм техпроцессе. И да, как вы уже догадались, этот процессор имеет ровно 2 ядра.

Для пользовательских процессоров число ядер застопорилось на 6 еще с 2010 года, с выходом линейки AMD Phenom X6 - да, AMD FX не были честными 8-ядерными процессорами (там было 4 APU), равно как и Ryzen 7 представляет собой два блока по 4 ядра, расположенные бок о бок на кристалле. И тут, разумеется, возникает вопрос - а почему так? Ведь те же видеокарты, будучи в 1995-6 годах по сути «одноголовыми» (то есть имевшими 1 шейдер), сумели к текущему времени нарастить их число до нескольких тысяч - так, в Nvidia Titan V их аж 5120! При этом за гораздо больший срок развития архитектуры x86 пользовательские процессоры остановились на честных 6 ядрах на кристалле, а CPU для высокопроизводительных ПК - на 18, то есть на пару порядков меньше, чем у видеокарт. Почему? Об этом и поговорим ниже.

Архитектура CPU

Изначально все процессоры Intel x86 строились на архитектуре CISC (Complex Instruction Set Computing, процессоры с полным набором инструкций) - то есть в них реализовано максимальное число инструкций «на все случаи жизни». С одной стороны, это здорово: так, в 90-ые годы CPU отвечал и за рендеринг картинки, и даже за звук (был такой лайфхак - если игра тормозит, то может помочь отключение в ней звука). И даже сейчас процессор является эдаким комбайном, который может все - и это же является и проблемой: распараллелить случайную задачу на несколько ядер - задача не тривиальная. Допустим, с двумя ядрами можно сделать просто: на одно ядро «вешаем» систему и все фоновые задачи, на другое - только приложение. Это сработает всегда, но вот прирост производительности будет далеко не двукратным, так как обычно фоновые процессы требуют существенно меньше ресурсов, чем текущая тяжелая задача.

Слева - схема GPU Nvidia GTX 980 Ti, где видно 2816 CUDA-ядер, объединенных в кластеры. Справа - фотография кристалла процессора AMD Ryzen, где видно 4 больших ядра.

А теперь представим, что у нас не два, а 4 или вообще 8 ядер. Да, в задачах по архивации и другим расчетам распараллеливание работает хорошо (и именно поэтому те же серверные процессоры могут иметь и несколько десятков ядер). Но что если у нас задача со случайным исходом (которых, увы, большинство) - допустим, игра? Ведь тут каждое новое действие зависит всецело от игрока, поэтому «раскидывание» такой нагрузки на несколько ядер - задача не из простых, из-за чего разработчики зачастую «руками» прописывают, чем занимаются ядра: так, к примеру, одно может быть занято только обработкой действий искусственного интеллекта, другое отвечать только за объемный звук, и так далее. Нагрузить таким способом даже 8-ядерный процессор - практически невозможно, что мы и видим на практике.

С видеокартами же все проще: GPU, по сути, занимается расчетами и только ими, причем число разновидностей расчетов ограничено и невелико. Поэтому, во-первых, можно оптимизировать сами вычислительные ядра (у Nvidia они называются CUDA) именно под нужные задачи, а, во-вторых - раз все возможные задачи известны, то процесс их распараллеливания трудностей не вызывает. И в-третьих, управление идет не отдельными шейдерами, а вычислительными модулями, которые включают в себя 64-192 шейдера, поэтому большое число шейдеров проблемой не является.

Энергопотребление

Одной из причин отказа от дальнейшей гонки частот - резкое увеличение энергопотребления. Как я уже объяснял в статье с замедлением роста частоты CPU, тепловыделение процессора пропорционально кубу частоты. Иными словами, если на частоте в 2 ГГц процессор выделяет 100 Вт тепла, что в принципе можно без проблем отвести воздушным кулером, то на 4 ГГц получится уже 800 Вт, что возможно отвести в лучшем случае испарительной камерой с жидким азотом (хотя тут следует учитывать, что формула все же приблизительная, да и в процессоре есть не только вычислительные ядра, но получить порядок цифр с ее помощью вполне можно).

Поэтому рост вширь был отличным выходом: так, грубо говоря, двухядерный 2 ГГц процессор будет потреблять 200 Вт, а вот одноядерный 3 ГГц - почти 340, то есть выигрыш по тепловыделению больше чем на 50%, при этом в задачах с хорошей оптимизацией под многопоточность низкочастотный двухядерный CPU будет все же быстрее высокочастотного одноядерного.

Пример испарительной камеры с жидким азотом для охлаждения экстремально разогнанных CPU.

Казалось бы - это золотое дно, быстро делаем 10-ядерный процессор с частотой в 1 ГГц, который будет выделять лишь на 25% больше тепла, чем одноядерный CPU с 2 ГГц (если 2 ГГц процессор выделяет 100 Вт тепла, то 1 ГГц - всего 12.5 Вт, 10 ядер - около 125 Вт). Но тут мы быстро упираемся в то, что далеко не все задачи хорошо распараллеливаются, поэтому на практике зачастую будет получаться так, что гораздо более дешевый в производстве одноядерный CPU с 2 ГГц будет существенно быстрее гораздо более дорогого 10-ядерного, но с 1 ГГц. Но все же такие процессоры есть - в серверном сегменте, где проблем с распараллеливанием задач нет, и 40-60 ядерный CPU с частотами в 1.5 ГГц зачастую оказывается в разы быстрее 8-10 ядерных процессоров с частотами под 4 ГГц, выделяя при этом сравнимое количество тепла.

Поэтому производителям CPU приходится следить за тем, чтобы при росте ядер не страдала однопоточная производительность, а с учетом того, что предел отвода тепла в обычном домашнем ПК был «нащупан» уже достаточно давно (это около 60-100 Вт) - способов увеличения числа ядер при такой же одноядерной производительности и таком же тепловыделении всего два: это или оптимизировать саму архитектуру процессора, увеличивая его производительность за такт, или же уменьшать техпроцесс. Но, увы, и то и другое идет все медленнее: за более чем 30 лет существования x86 процессоров «отполировано» уже почти все, что можно, поэтому прирост идет в лучшем случае 5% за поколение, а уменьшение техпроцесса дается все труднее из-за фундаментальных проблем создания корректно функционирующих транзисторов (при размерах в десяток нанометров уже начинают сказываться квантовые эффекты, трудно изготовить подходящий лазер, и т.д.) - поэтому, увы, увеличивать число ядер все сложнее.

Размер кристалла

Если мы посмотрим на площадь кристаллов процессоров лет 15 назад, то увидим, что она составляет всего около 100-150 квадратных миллиметров. Около 5-7 лет назад чипы «доросли» до 300-400 кв мм и... процесс практически остановился. Почему? Все просто - во-первых, производить гигантские кристаллы очень сложно, из-за чего резко возрастает количество брака, а, значит, и конечная стоимость CPU.

Во-вторых, возрастает хрупкость: большой кристалл может очень легко расколоть, к тому же разные его края могут греться по-разному, из-за чего опять же может произойти его физическое повреждение.

Сравнение кристаллов Intel Pentium 3 и Core i9.

Ну и в-третьих - скорость света также вносит свое ограничение: да, она хоть и велика, но не бесконечна, и с большими кристаллами это может вносить задержку, а то и вовсе сделать работу процессора невозможной.

В итоге максимальный размер кристалла остановился где-то на 500 кв мм, и вряд ли уже будет расти - поэтому чтобы увеличивать число ядер, нужно уменьшать их размеры. Казалось бы - та же Nvidia или AMD смогли это сделать, и их GPU имеют тысячи шейдеров. Но тут следует понимать, что шейдеры полноценными ядрами не являются - к примеру, они не имеют собственного кэша, а только общий, плюс «заточка» под определенные задачи позволила «выкинуть» из них все лишнее, что опять же сказалось на их размере. А CPU же не только имеет полноценные ядра с собственным кэшем, но зачастую на этом же кристалле расположена и графика, и различные контроллеры - так что в итоге опять же чуть ли не единственные способы увеличения числа ядер при том же размере кристалла - это все та же оптимизация и все то же уменьшение техпроцесса, а они, как я уже писал, идут медленно.

Оптимизация работы

Представим, что у нас есть коллектив людей, выполняющих различные задачи, некоторые из которых требуют работы нескольких человек одновременно. Если людей в нем двое - они смогут договориться и эффективно работать. Четверо - уже сложнее, но тоже работа будет достаточно эффективной. А если людей 10, а то и 20? Тут уже нужно какое-то средство связи между ними, в противном случае в работе будут встречаться «перекосы», когда кто-то будет ничем не занят. В процессорах от Intel таким средством связи является кольцевая шина, которая связывает все ядра и позволяет им обмениваться информацией между собой.

Но даже и это не помогает: так, при одинаковых частотах 10-ядерный и 18-ядерный процессоры от Intel поколения Skylake-X различаются по производительности всего на 25-30%, хотя должны в теории аж на 80%. Причина как раз в шине - какой бы хорошей она не была, все равно будут возникать задержки и простои, и чем больше ядер - тем хуже будет ситуация. Но почему тогда таких проблем нет в видеокартах? Все просто - если ядра процессора можно представить людьми, которые могут выполнять различные задачи, то вычислительные блоки видеокарт - это скорее роботы на конвейере, которые могут выполнять только определенные инструкции. Им по сути «договариваться» не нужно - поэтому при росте их количества эффективность падает медленнее: так, разница в CUDA между 1080 (2560 штук) и 1080 Ti (3584 штуки) - 40%, на практике же около 25-35%, то есть потери существенно меньше.

Чем больше ядер, тем хуже они работают вместе, вплоть до нулевого прироста производительности при увеличении числа ядер.

Поэтому число ядер особого смысла наращивать нет - прирост от каждого нового ядра будет все ниже. Причем решить эту проблему достаточно трудно - нужно разработать такую шину, которая позволяла бы передавать данные между любыми двумя ядрами с одинаковой задержкой. Лучше всего в таком случае подходит топология звезда - когда все ядра должны быть соединены с концентратором, но на деле такой реализации еще никто не сделал.

Так что в итоге, как видим, что наращивание частоты, что наращивание числа ядер - задача достаточно сложная, а игра при этом зачастую не стоит свеч. И в ближайшем будущем вряд ли что-то серьезно изменится, так как ничего лучше кремниевых кристаллов пока еще не придумали.