Модуль поиска не установлен.

Одноядерный или двухъядерный?

Виктор Куц

Самым значимым событием последнего времени в области микропроцессоров стало появление в широком доступе CPU, оснащенных двумя вычислительными ядрами. Переход на двухъядерную архитектуру обусловлен тем, что традиционные методы по увеличению производительности процессоров полностью исчерпали себя - процесс наращивания их тактовых частот в последнее время застопорился.

К примеру, в последний год перед появлением двухъядерных процессоров компания Intel смогла увеличить частоты своих CPU на 400 МГц, а AMD и того меньше - всего лишь на 200 МГц. Другие же методы повышения производительности, такие как увеличение скорости шины и размера кэш-памяти, также утратили былую эффективность. Таким образом, внедрение двухъядерных процессоров, обладающих двумя процессорными ядрами в одном чипе и разделяющими между собой нагрузку, в настоящее время оказалось наиболее логичным шагом на сложном и тернистом пути наращивания производительности современных компьютеров.

Что же представляет собой двухъядерный процессор? В принципе, двухъядерный процессор представляет собой SMP-систему (Symmetric MultiProcessing - симметричная многопроцессорная обработка; термин, обозначающий систему с несколькими равноправными процессорами) и по сути своей не отличается от обыкновенной двухпроцессорной системы, состоящей из двух независимых процессоров. Таким образом, мы получаем все преимущества двухпроцессорных систем без необходимости использования сложных и очень дорогих двухпроцессорных материнских плат.

До этого компанией Intel уже была произведена попытка распараллелить выполняемые инструкции - речь идет о технологии HyperThreading, обеспечивающей разделение ресурсов одного "физического" процессора (кэш, конвейер, исполнительные устройства) между двумя "виртуальными" процессорами. Прирост производительности (в отдельных, оптимизированных для HyperThreading приложениях) при этом составлял примерно 10-20%. Тогда как полноценный двухъядерный процессор, включающий в себя два "честных" физических ядра, обеспечивает прирост производительности системы на все 80-90% и даже больше (естественно, при полном задействовании возможностей обоих его ядер).

Главным инициатором в продвижении двухъядерных процессоров выступила компания AMD, которая в начале 2005 года выпустила первый серверный двухъядерный процессор Opteron. Что касается настольных процессоров, то здесь инициативу перехватила компания Intel, примерно в это же время анонсировавшая процессоры Intel Pentium D и Intel Extreme Edition. Правда, анонс аналогичной линейки процессоров Athlon64 X2 производства AMD запоздал всего лишь на считанные дни.

Двухъядерные процессоры Intel

Первые двухъядерные процессоры Intel Pentium D семейства 8хх были основаны на ядре Smithfield, которое является ничем иным, как двумя ядрами Prescott, объединенными на одном полупроводниковом кристалле. Там же размещается и арбитр, который следит за состоянием системной шины и помогает разделять доступ к ней между ядрами, каждое из которых имеет собственную кэш-память второго уровня объемом по 1 Мбайт. Размер такого кристалла, выполненного по 90-нм техпроцессу, достиг 206 кв. мм, а количество транзисторов приближается к 230 миллионам.

Для продвинутых пользователей и энтузиастов компания Intel предлагает процессоры Pentium Extreme Edition, отличающиеся от Pentium D поддержкой технологии HyperThreading (и разблокированным множителем), благодаря чему они определяются операционной системой как четыре логических процессора. Все остальные функции и технологии обоих процессоров полностью одинаковы. Среди них можно выделить поддержку 64-битного набора команд EM64T (x86-64), технологии энергосбережения EIST (Enhanced Intel SpeedStep), C1E (Enhanced Halt State) и TM2 (Thermal Monitor 2), а также функцию защиты информации NX-bit. Таким образом, немалая ценовая разница между процессорами Pentium D и Pentium EE является по большей части искусственной.

Что касается совместимости, то процессоры на ядре Smithfield потенциально могут быть установлены в любую LGA775 материнскую плату, лишь бы она соответствовала требованиям Intel к модулю питания платы.

Но первый блин, как обычно, вышел комом - во многих приложениях (большинство из которых не оптимизированы под многопоточность) двухъядерные процессоры Pentium D не только не превосходили одноядерные Prescott, работающие на той же тактовой частоте, но иногда и проигрывали им. Очевидно, проблема кроется во взаимодействии ядер через процессорную шину Quad Pumped Bus (при разработке ядра Prescott не было предусмотрено масштабирование его производительности путем увеличения количества ядер).

Устранить недостатки первого поколения двухъядерных процессоров Intel были призваны процессоры на 65-нм ядре Presler (два отдельные ядра Cedar Mill, размещенные на одной подложке), появившиеся в самом начале нынешнего года. Более "тонкий" техпроцесс позволил уменьшить площадь ядер и их энергопотребление, а также повысить тактовые частоты. Двухъядерные процессоры на ядре Presler получили наименование Pentium D с индексами 9хх. Если сравнивать процессоры Pentium D 800-й и 900-й серий, то кроме ощутимого снижения энергопотребления новые процессоры получили удвоение кэш-памяти второго уровня (по 2 Мбайт на ядро вместо 1 Мбайт) и поддержку перспективной технологии виртуализации Vanderpool (Intel Virtualization Technology). Кроме того, был выпущен процессор Pentium Extreme Edition 955 с включенной технологией HyperThreading и работающий на частоте системной шины 1066 МГц.

Официально процессоры на ядре Presler с частотой шины 1066 МГц совместимы только с материнскими платами на чипсетах серии i965 и i975X, тогда как 800-мегагерцевые Pentium D в большинстве случаев заработают на всех системных платах, поддерживающих эту шину. Но, опять же, встает вопрос о питании этих процессоров: термопакет Pentium EE и Pentium D, за исключением младшей модели, составляет 130 Вт, что почти на треть больше, чем у Pentium 4. Согласно заявлениям самой Intel, стабильная работа двухъядерной системы возможна лишь при использовании блоков питания мощностью не менее 400 Вт.

Наиболее эффективными современными десктопными двухъядерными процессорами Intel, без сомнения, являются Intel Core 2 Duo и Core 2 eXtreme (ядро Conroe). Их архитектура развивает базовые принципы архитектуры семейства P6, тем не менее, количество принципиальных нововведений столь велико, что впору говорить о новом, 8-м поколении процессорной архитектуры (P8) компании Intel. Несмотря на более низкую тактовую частоту, они заметно превосходят процессоры семейства Р7 (NetBurst) по производительности в подавляющем большинстве применений - в первую очередь за счет увеличения числа операций, выполняемых в каждом такте, а также за счет снижения потерь, обусловленных большой длиной конвейера P7.

Десктопные процессоры линейки Core 2 Duo выпускаются в нескольких вариантах:
- серия E4xxx - FSB 800 МГц, общий для обоих ядер L2-кэш 2 Мбайт;
- серия E6ххх - FSB 1066 МГц, размер кэша 2 или 4 Мбайт;
- серия X6ххх (eXtreme Edition) - FSB 1066 МГц, размер кэша 4 Мбайт.

Буквенный шифр "E" обозначает диапазон энергопотребления от 55 до 75 ватт, "X" - выше 75 ватт. Core 2 eXtreme отличается от Core 2 Duo лишь только повышенной тактовой частотой.

Все процессоры Conroe используют хорошо отработанные процессорную шину Quad Pumped Bus и разъем LGA775. Что, однако, совсем не означает совместимости со старыми материнскими платами. Помимо поддержки тактовой частоты 1067 МГц, материнские платы для новых процессоров должны содержать новый модуль регулирования напряжения (VRM 11). Этим требованиям соответствуют в основном обновленные версии материнских плат, выполненных на базе чипсетов Intel 975 и 965 серий, а также NVIDIA nForce 5xx Intel Edition и ATI Xpress 3200 Intel Edition.

В ближайшие два года процессоры Intel всех классов (мобильные, десктопные и серверные) будут базироваться на архитектуре Intel Core, а основное развитие будет идти в направлении увеличения числа ядер на кристалле и усовершенствования их внешних интерфейсов. В частности, для рынка настольных ПК таким процессором станет Kentsfield - первый четырехъядерный процессор Intel для сегмента высокопроизводительных настольных ПК.

Двухъядерные процессоры AMD

В линейке двухъядерных процессоров AMD Athlon 64 X2 используются два ядра (Toledo и Manchester) внутри одного кристалла, произведенные по 90-нм техпроцессу с использованием технологии SOI. Каждое из ядер Athlon 64 X2 обладает собственным набором исполнительных устройств и выделенной кэш-памятью второго уровня, контроллер памяти и контроллер шины HyperTransport у них общие. Различия между ядрами - в размере кэша второго уровня: у Toledo кэш L2 имеет объем 1 Мбайт на каждое ядро, а у Manchester этот показатель вдвое меньше (по 512 Кбайт). Все процессоры имеют кэш-память первого уровня 128 Кбайт, их максимальное тепловыделение не превышает 110 Вт. Ядро Toledo состоит примерно из 233,2 млн. транзисторов и имеет площадь около 199 кв. мм. Площадь ядра Manchester заметно меньше - 147 кв. мм., количество транзисторов составляет 157 млн.

Двухъядерные процессоры Athlon64 X2 унаследовали от Athlon64 поддержку технологии энергосбережения Cool`n`Quiet, набор 64-битных расширений AMD64, SSE - SSE3, функцию защиты информации NX-bit.

В отличие от двухъядерных процессоров Intel, работающих только с памятью DDR2, Athlon64 Х2 способны работать как с памятью типа DDR400 (Socket 939), обеспечивающей предельную пропускную способность в 6,4 Гбайт/с, так и с DDR2-800 (Socket AM2), пиковая пропускная способность которой составляет 12,8 Гбайт/с.

На всех достаточно современных материнских платах процессоры Athlon64 X2 работают без каких-либо проблем - в отличие от Intel Pentium D они не предъявляют каких-либо специфических требований к дизайну модуля питания материнской платы.

До самого последнего времени наиболее производительными среди десктопных процессоров считались AMD Athlon64 X2, однако с выходом Intel Core 2 Duo ситуация в корне изменилась - последние стали безусловными лидерами, особенно в игровых и мультимедийных применениях. Кроме того, новые процессоры Intel имеют пониженное энергопотребление и гораздо более эффективные механизмы управления питанием.

Такое положение дел компанию AMD не устроило, и в качестве ответного хода она анонсировала выпуск в середине 2007 года нового 4-ядерного процессора с улучшенной микроархитектурой, известного под названием K8L. Все его ядра будут иметь раздельные L2-кэши по 512 Кбайт и один общий кэш 3-го уровня размером 2 Мбайта (в последующих версиях процессора L3-кэш может быть увеличен). Более подробно перспективная архитектура AMD K8L будет рассмотрена в одном из ближайших номеров нашего журнала.

Одно ядро или два?

Даже беглый взгляд на сегодняшнее состояние рынка десктопных процессоров свидетельствует о том, что эпоха одноядерных процессоров постепенно уходит в прошлое - оба ведущих мировых производителя перешли на выпуск в основном мультиядерных процессоров. Однако программное обеспечение, как это не раз случалось и раньше, пока что отстает от уровня развития "железа". Ведь для того чтобы полностью задействовать возможности несколько процессорных ядер, программное обеспечение должно уметь "разбиваться" на несколько параллельных потоков, обрабатываемых одновременно. Только при таком подходе появляется возможность распределить нагрузки по всем доступным вычислительным ядрам, снижая время вычислений сильнее, чем это можно было сделать путем повышения тактовой частоты. Тогда как подавляющее большинство современных программ не способны использовать все возможности, предоставляемые двухъядерными или, тем более, многоядерными процессорами.

Какие же типы пользовательских приложений наиболее эффективно поддаются распараллеливанию, то есть без особой переработки кода программ позволяют выделить несколько задач (программных потоков), способных исполняться параллельно и, таким образом, загрузить работой сразу несколько процессорных ядер? Ведь только такие приложения обеспечивают сколь-нибудь заметное увеличение производительности от внедрения многоядерных процессоров.

Наибольший выигрыш от мультипроцессорности получают приложения, изначально допускающие естественную паралеллизацию вычислений с разделением данных, например, пакеты реалистичного компьютерного рендеринга - 3DMax и ему подобные. Также можно ожидать хорошего прироста производительности от многопроцессорности в приложениях по кодированию мультимедийных файлов (аудио и видео) из одного формата в другой. Кроме того, хорошо поддаются распараллеливанию задачи редактирования двумерных изображений в графических редакторах вроде популярного Photoshop"а.

Недаром приложения всех перечисленных выше категорий широко используются в тестах, когда хотят показать преимущества виртуальной многопроцессорности Hyper-Threading. А уж о реальной многопроцессорности и говорить нечего.

А вот в современных трехмерных игровых приложениях какого-либо серьезного прироста скорости от нескольких процессоров ожидать не следует. Почему? Потому, что типичную компьютерную игру так просто не распараллелить на два или более процессов. Поэтому второй логический процессор в лучшем случае будет заниматься выполнением лишь вспомогательных задач, что не даст практически никакого прироста производительности. А разработка многопоточной версии игры с самого начала достаточно сложна и требует немалых трудозатрат - порой гораздо больших, чем для создания однопоточной версии. Трудозатраты эти, кстати, могут еще и не окупиться с экономической точки зрения. Ведь производители компьютерных игр традиционно ориентируются на наиболее массовую часть пользователей и начинают использовать новые возможности компьютерного "железа" только в случае его широкой распространенности. Это хорошо заметно на примере использования разработчиками игр возможностей видеокарт. Например, после того как появилась новые видеочипы с поддержкой шейдерных технологий, разработчики игр еще долгое время игнорировали их, ориентируясь на возможности урезанных массовых решений. Так что даже продвинутые игроки, купившие самые "навороченные" видеокарты тех лет, так и не дождались нормальных игр, использующих все их возможности. Примерно аналогичная ситуация с двухъядерными процессорами наблюдается сегодня. Сегодня не так много игр, толком задействующих даже технологию HyperThreading, несмотря на то, что уже не один год вовсю выпускаются массовые процессоры с ее поддержкой.

В офисных приложениях ситуация не столь однозначная. Прежде всего, программы такого класса редко работают в одиночку - гораздо чаще встречается ситуация, когда на компьютере запущено нескольких работающих параллельно офисных приложений. Например, пользователь работает с текстовым редактором, и одновременно происходит загрузка web-сайта в браузер, а также в фоновом режиме осуществляется сканирование на вирусы. Очевидно, что несколько работающих приложений позволяют без особого труда задействовать несколько процессоров и получить прирост производительности. Тем более что все версии Windows XP, включая Home Edition (которой изначально было отказано в поддержке мультиядерных процессоров), уже сейчас способны использовать преимущества двухъядерных процессоров, распределяя программные потоки между ними. Обеспечивая тем самым высокую эффективность исполнения многочисленных фоновых программ.

Таким образом, можно ожидать некоторого эффекта даже от неоптимизированных офисных приложений, если они запускаются параллельно, но вот стоит ли такой прирост производительности существенного увеличения стоимости двухъядерного процессора, понять сложно. Кроме того, определенным недостатком двухъядерных процессоров (особенно это касается процессоров Intel Pentium D) является то, что приложения, производительность которых ограничена не вычислительной способностью самого процессора, а скоростью доступа к памяти, могут не так сильно выиграть от наличия нескольких ядер.

Заключение

Несомненно, что будущее определенно за многоядерными процессорами, однако сегодня, когда большая часть существующего программного обеспечения не оптимизирована под новые процессоры, достоинства их не столь очевидны, как пытаются показать производители в своих рекламных материалах. Да, чуть позже, когда произойдет резкое увеличение количества приложений, поддерживающих многоядерные процессоры (в первую очередь это касается 3D-игр, в которых CPU нового поколения помогут существенно разгрузить графическую систему), приобретение их будет целесообразно, но сейчас... Давно известно, что покупка процессоров "на вырост" - далеко не самое эффективное вложение средств.

С другой стороны, прогресс стремителен, а для нормального человека ежегодная смена компьютера - это, пожалуй, перебор. Таким образом, всем обладателям достаточно современных систем на базе одноядерных процессоров в ближайшее время волноваться особо не стоит - ваши системы еще какое-то время будут "на уровне", тогда как тем, кто собирается приобрести новый компьютер, мы бы все-таки порекомендовали обратить свое внимание на относительно недорогие младшие модели двухъядерных процессоров.

…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше.

(Разработчики Intel )

Ещё core , да ещё core , да ещё много, много core !..

…Ещё совсем недавно мы не слышали и не ведали о многоядерных процессорах, а сегодня они агрессивно вытесняют одноядерные. Начался бум многоядерных процессоров, который пока – слегка! – сдерживают их сравнительно высокие цены. Но никто уже не сомневается, что будущее – именно за многоядерными процессорами!..

Что такое ядро процессора

В центре современного центрального микропроцессора (CPU – сокр. от англ. central processing unit – центральное вычислительное устройство) находится ядро (core ) – кристалл кремния площадью примерно один квадратный сантиметр, на котором посредством микроскопических логических элементов реализована принципиальная схема процессора, так называемая архитектура (chip architecture ).

Ядро связано с остальной частью чипа (называемой «упаковка», CPU Package ) по технологии «флип-чип» (flip-chip , flip-chip bonding – перевернутое ядро, крепление методом перевернутого кристалла). Эта технология получила такое название, потому что обращённая наружу – видимая – часть ядра на самом деле является его «дном», – чтобы обеспечить прямой контакт с радиатором кулера для лучшей теплоотдачи. С обратной (невидимой) стороны находится сам «интерфейс» – соединение кристалла и упаковки. Соединение ядра процессора с упаковкой выполнено с помощью столбиковых выводов (Solder Bumps ).

Ядро расположено на текстолитовой основе, по которой проходят контактные дорожки к «ножкам» (контактным площадкам), залито термическим интерфейсом и закрыто защитной металлической крышкой.

Первый (естественно, одноядерный!) микропроцессор Intel 4004 был представлен 15 ноября 1971 г. корпорацией Intel. Он содержал 2300 транзисторов, работал на тактовой частоте 108 кГц и стоил $300.

Требования к вычислительной мощности центрального микропроцессора постоянно росли и продолжают расти. Но если раньше производителям процессоров приходилось постоянно подстраиваться под текущие насущные (вечно растущие!) запросы пользователей , то теперь чипмейкеры идут с бо-о-о-льшим опережением!

Долгое время повышение производительности традиционных одноядерных процессоров в основном происходило за счет последовательного увеличения тактовой частоты (около 80% производительности процессора определяла именно тактовая частота) с одновременным увеличением количества транзисторов на одном кристалле. Однако дальнейшее повышение тактовой частоты (при тактовой частоте более 3,8 ГГц чипы попросту перегреваются!) упирается в ряд фундаментальных физических барьеров (поскольку технологический процесс почти вплотную приблизился к размерам атома: сегодня процессоры выпускаются по 45-нм технологии, а размеры атома кремния – приблизительно 0,543 нм):

Во-первых, с уменьшением размеров кристалла и с повышением тактовой частоты возрастает ток утечки транзисторов. Это ведет к повышению потребляемой мощности и увеличению выброса тепла;

Во-вторых, преимущества более высокой тактовой частоты частично сводятся на нет из-за задержек при обращении к памяти, так как время доступа к памяти не соответствует возрастающим тактовым частотам;

В-третьих, для некоторых приложений традиционные последовательные архитектуры становятся неэффективными с возрастанием тактовой частоты из-за так называемого «фон-неймановского узкого места» – ограничения производительности в результате последовательного потока вычислений. При этом возрастают резистивно-емкостные задержки передачи сигналов, что является дополнительным узким местом, связанным с повышением тактовой частоты.

Применение многопроцессорных систем также не получило широкого распространения, так как требует сложных и дорогостоящих многопроцессорных материнских плат. Поэтому было решено добиваться дальнейшего повышения производительности микропроцессоров другими средствами. Самым эффективным направлением была признана концепция многопоточности , зародившаяся в мире суперкомпьютеров, – это одновременная параллельная обработка нескольких потоков команд.

Так в недрах компании Intel родилась Hyper-Threading Technology (HTT ) – технология сверхпоточной обработки данных, которая позволяет процессору выполнять в одноядерном процессоре параллельно до четырех программных потоков одновременно. Hyper-threading значительно повышает эффективность выполнения ресурсоемких приложений (например, связанных с аудио- и видеоредактированием, 3D -моделированием), а также работу ОС в многозадачном режиме.

Процессор Pentium 4 с включенным Hyper-threading имеет одно физическое ядро, которое разделено на два логических , поэтому операционная система определяет его, как два разных процессора (вместо одного).

Hyper-threading фактически стала трамплином к созданию процессоров с двумя физическими ядрами на одном кристалле. В 2-ядерном чипе параллельно работают два ядра (два процессора!), которые при меньшей тактовой частоте обеспечивают бо льшую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций.

Способность процессора выполнять одновременно несколько программных потоков называется параллелизмом на уровне потоков (TLP – thread-level parallelism ). Необходимость в TLP зависит от конкретной ситуации (в некоторых случаях она просто бесполезна!).

Основные проблемы создания процессоров

Каждое ядро процессора должно быть независимым, – с независимым энергопотреблением и управляемой мощностью;

Рынок программного обеспечения должен быть обеспечен программами, способными эффективно разбивать алгоритм ветвления команд на четное (для процессоров с четным количеством ядер) или на нечётное (для процессоров с нечётным количеством ядер) количество потоков;

…

По сообщению пресс-службы AMD , на сегодня рынок 4-ядерных процессоров составляет не более 2% от общего объема. Очевидно, что для современного покупателя приобретение 4-ядерного процессора для домашних нужд пока почти не имеет смысла по многим причинам. Во-первых, на сегодня практически нет программ, способных эффективно использовать преимущества 4-х одновременно работающих потоков; во-вторых, производители позиционируют 4-ядерные процессоры, как Hi-End -решения, добавляя к оснастке самые современные видеокарты и объемные жесткие диски, – а это в конечном счете ещё больше увеличивает стоимость и без того недешёвых …

Разработчики Intel говорят: «…в процессе развития количество ядер будет становиться всё больше и больше…».

Что ждёт нас в будущем

В корпорации Intel уже говорят не о «Мультиядерности» (Multi-Core ) процессоров, как это делается в отношении 2-, 4-, 8-, 16- или даже 32-ядерных решений, а о «Многоядерности» (Many-Core ), подразумевая совершенно новую архитектурную макроструктуру чипа, сравнимую (но не схожую) с архитектурой процессора Cell .

Структура такого Many-Core -чипа подразумевает работу с тем же набором инструкций, но с помощью мощного центрального ядра или нескольких мощных CPU , «окруженных» множеством вспомогательных ядер, что поможет более эффективно обрабатывать сложные мультимедийные приложения в многопоточном режиме. Кроме ядер «общего назначения», процессоры Intel будут обладать также специализированными ядрами для выполнения различных классов задач – таких, как графика, алгоритмы распознавания речи, обработка коммуникационных протоколов.

Именно такую архитектуру представил Джастин Раттнер (Justin R. Rattner ), руководитель сектора Corporate Technology Group Intel , на пресс-конференции в Токио. По его словам, таких вспомогательных ядер в новом многоядерном процессоре может насчитываться несколько дюжин. В отличие от ориентации на большие, энергоемкие вычислительные ядра с большой теплоотдачей, многоядерные кристаллы Intel будут активизировать только те ядра, которые необходимы для выполнения текущей задачи, тогда как остальные ядра будут отключены. Это позволит кристаллу потреблять ровно столько электроэнергии, сколько нужно в данный момент времени.

В июле 2008 г. корпорация Intel сообщила, что рассматривает возможность интеграции в один процессор нескольких десятков и даже тысяч вычислительных ядер. Ведущий инженер компании Энвар Галум (Anwar Ghuloum ) написал в своем блоге: «В конечном счете, я рекомендую воспользоваться следующим моим советом… разработчики уже сейчас должны начать думать о десятках, сотнях и тысячах ядер». По его словам, в настоящий момент Intel изучает технологии, которые смогли бы масштабировать вычисления «на то количество ядер, которые мы пока не продаём».

По мнению Галума, в конечном счете успех многоядерных систем будет зависеть от разработчиков, которым, вероятно, придется изменить языки программирования и переписать все существующие библиотеки.

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.

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

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

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

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

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

Одно ядро

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Современная компьютерная индустрия не стоит на месте. Уже практически каждый компьютер укомплектован многоядерными процессорами. Но ведь еще не каждый знает, в чем отличие их от одноядерных аналогов, которые остаются в прошлом. Иногда при покупке человек стремится купить новинку, при этом он не осознает ее значимость и тратит деньги на вещь, которая ему не принесет существенной пользы.
Чтобы понять необходимость покупки процессора с одним или двумя ядрами необходимо осознавать разницу двух вариантов, в каких случаях каждый из них лучше.

Особенности строения одноядерных процессоров

Всем известно, что мощность и скорость работы всего персонального компьютера в первую очередь зависит именно от центрального процессора. Поэтому, чем частота работы процессора выше, тем быстрее происходит выполнение команд пользователя. Операции над данными производит именно ядро в процессоре.

При высокой частоте скорость выполнения одной команды существенная, поэтому пользователю даже при одноядерном процессоре кажется, что программы выполняются параллельно. В действительности все программы встают в очередь, которая движется с очень высокой скоростью.

Особенностью одноядерных процессоров по архитектуре можно считать:

• Структуру с полным разделением команд и данных.
• Скалярная архитектура, которая позволяет выполнять параллельно несколько команд в различных устройствах.
• Изменение последовательности команд динамического типа, когда работает принцип опережения.
• Использование команд происходит по типу конвейера.
• Направление ветвей выполнения предсказуемо.

Хочется отметить, несмотря на то, что все больше появляется двухъядерных процессоров, одноядерные варианты постоянно дорабатываются и усовершенствуются. Поэтому некоторые модели процессоров с одним ядром по своей производительности не всегда уступают двухъядерному последователю.

Особенности работы двухъядерных процессоров

Если, в общем, рассказывать о работе процессора с двумя ядрами в сравнении с одноядерным собратом, то можно пояснить все простым примером. Например, пользователь копирует файлы, а при этом решил посмотреть фильм. Ему кажется, что обе операции проводятся одновременно, но при работе одноядерного процессора эти действия идут последовательно, так как частота выполнения команд очень высокая, то и создается такое ощущение. Но при наличии двухъядерного процесса эти операции действительно выполняются одновременно.

Стоит отметить, что по своей архитектуре двухъядерный процессор схож со строением симметричных мультипроцессоров, когда на одной плате используется два процессора. Существуют, конечно, определенные отличия, но принцип работы схож.

Наиболее эффективно двухъядерные процессоры показывают себя при работе с многопоточными приложениями, именно здесь получается наивысшая производительность. Так как многочисленные задачи распределяются между двумя ядрами для выполнения. Такое распределение позволяет снизить потребление электроэнергии. Ведь именно этот фактор тормозит развитие одноядерных процессоров.

В чем отличия двухъядерного процессора

При изучении архитектуры строения как одноядерных, так и двухъядерных процессоров можно выделить большой список различий:

• Если не запускать сложных многопоточных приложений или несколько одновременно, то различия в работе процессора с одним ядром или двумя, будут не так ощутимы и заметны.
• В процессоре с двумя ядрами присутствует также разделенная кэш память.
• При наличии двухъядерного процессора существует ощутимый плюс, так как при отказе одного ядра, второе ядро будет забирать всю нагрузку только на себя.
• Двухъядерный процессор имеет большую кэш память и частоту.

Стоит заметить, что не всегда двухъядерный процессор в домашних условиях может показать себя в полном объеме, так как многие созданные приложения не адаптированы к такому центральному процессору. Следует заметить, что из-за наличия двух ядер процессор имеет 64-битную структуру. А многие современные программы рассчитаны на 32-битную структуру, и повышения скорости работы от них не стоит ожидать.

Преимущества использования двухъядерных процессоров

Зная особенности структуры и существенные отличия процессоров с одним и двумя ядрами можно выделить основные преимущества использования двухъядерных процессоров:

1. Быстрая работа браузера при загрузке и отображении.
2. Высокая производительность в игровых приложениях.
3. При работе в многозначном режиме увеличивается скорость работы нескольких потоков.
4. Высокое быстродействие и плавность работы.
5. Снижение энергопотребления при увеличении производительности.

В заключение можно сделать вывод, что процессор с одним ядром или двумя имеет существенные различия, как в результате работы, так и в своей архитектуре.

Конечно, понятно, что процессор с двумя ядрами и более будет более производительным. Для домашнего пользования в принципе не критически приобретать компьютер и с одним процессором. Но если есть финансовые возможности приобрести компьютер, в конфигурации которого два процессора, то стоит покупать. Ведь информационный мир не стоит на месте. Программы дорабатываются, техника усовершенствуется. С каждым днем все большее число программных продуктов ориентировано на работу с 64-битными системами.