Ядра или потоки: что важнее для процессора?

В спецификации каждого процессора обязательно присутствует информация о количестве ядер и потоков. Правила «чем больше, тем лучше», в этой ситуации никто не отменял, но давайте выясним, в каких задачах виртуальные ядра способны дать ощутимый прирост производительности, а в каких останутся бесполезными.

Зачем процессору несколько ядер?

Процессоры (CPU) – это вычислительный центр любого сервера, компьютера, планшета, смартфона и даже игровой консоли. Именно он принимает команды пользователя, вводимые в различных приложениях и программах, обрабатывает их и распределяет задачи между другими узлами системы – видеокартой, оперативной памятью, жестким или твердотельным диском.

Вот поэтому процессор – это мозговой центр любого сервера и платформы, отвечающий за его вычислительные способности и скорость работы.

Первые CPU были едиными устройствами, которые принимали команды и выполняли их в строгой очередности. Одно ядро позволяло выбирать процессор при покупке только по показателям частоты. А недостаток производительности на первых порах компенсировали созданием двух- и многопроцессорных конфигураций.

В таких сборках команды пользователя на ввод обрабатывал первый процессор, а остальные операции по возможности равномерно распределялись между остальными. Для сборки таких систем использовались материнские платы на 2 CPU или двухпроцессорные платы (конфигурации на несколько сокетов).

Следующим шагом производители создали многоядерную архитектуру, позволяющую на площади, казалось бы, небольшого микрочипа размещать несколько вычислительных центров, которые по сути являлись самостоятельными процессорами. Так в продаже появились двух-, четырех- и восьмиядерные устройства, которые обрабатывали сразу несколько потоков информации.

Позже американская корпорация Intel в линейке CPU Pentium внедрила техническую возможность выполнения одним ядром двух команд за такт, что стало началом новой эпохи в компьютерных технологиях – гиперпоточности процессоров. А сейчас специалисты компании активно работают над новой технологией реализации четырех потоков на одном ядре, и уже в ближайшее время подобные процессоры будут представлены публике.

Чем отличаются ядра и потоки

Ядро – это самостоятельный вычислительный блок в архитектуре процессора, способный выполнять линейную последовательность задач за определенный период времени. Если нагрузить одно ядро несколькими последовательностями задач, то оно будет попеременно переключаться между ними, обрабатывая по одной задаче из каждого потока. В масштабах системы это приводит к замедлению работы программ и сервисов.

Поток – это программно выделенная область в физическом ядре процессора. Такая виртуальная реализация позволяет разделять ресурсы ядра и работать параллельно с двумя разными последовательностями команд. Таким образом операционная система воспринимает поток, как отдельный вычислительный центр, следовательно, ресурс ядра используется более рационально, и скорость вычислений увеличивается.

Стоит ли ожидать удвоения производительности?

Виртуальное разделение вычислительной мощности процессора на потоки называется гиперпоточностью. На практике это не физическое увеличение количества ядер, следовательно, и вычислительный потенциал процессора остается постоянным.

Гиперпоточность – это инструмент, позволяющий процессору более оперативно выполнять команды операционной системы компьютера и распределять вычислительный ресурс.

Таким образом, удвоенное количество потоков по отношению к ядрам способно повысить эффективность процессора за счет одновременного выполнения нескольких задач каждым ядром. Но прирост, даже по заверениям одного из лидеров рынка в производстве процессоров Intel будет находиться в пределах 30%.

А вот об увеличении энергопотребления и чрезмерном нагреве волноваться не стоит. Так как виртуальное разделение выполнено на производстве, то компанией просчитаны все рабочие параметры, такие как мощность и TDP, указанные в спецификации.

Что выбирать: ядра или потоки?

Поскольку ядра – это физические «мозговые центры», занимающиеся вычислениями, то за общую производительность центрального процессора (ЦП) отвечают именно они. Поэтому количеством ядер, ну и еще частотой ЦП определяется его производительность.

Но и количество потоков также заслуживает внимания. Разберем на примере:

Двухъядерный CPU с двумя потокам нагружается операционной системой четырьмя параллельными последовательностями команд, например, от запущенных игр и программ. Команды так и останутся в четырех «очередях», и ядра будут попеременно производить вычисления из каждой. При этом производительность ядра зачастую избыточна для обработки одной команды. Поэтому часть вычислительного потенциала ядра, а значит и процессора останется в резерве.

Если же взять аналогичный процессор с двумя ядрами, но уже на четыре потока, то все четыре очереди будут задействованы одновременно, по максимуму загружая ядра. Следовательно, задачи будут решены быстрее, а простоя вычислительных мощностей удастся избежать.

На практике это дает нам возможность одновременно запускать несколько программ: работать с документами, слушать музыку, общаться в мессенджерах и выполнять поиск в браузере. При этом программы будут работать эффективно, быстро, без торможений и зависаний.

В производственных масштабах для комплектации рабочих станций или серверов также следует отдать предпочтение большему количеству потоков при равных числах ядер. За исключением особых случаев, таких как работа с 1С, когда решающую роль играет тактовая частота, и ряда других приложений, активно использующих TCP/IP стек. В этих случаях распараллеливание вызывает существенную задержку при обработке пакетов.

Таким образом, чем больше ядер будет в процессоре, тем выше его производительность и скорость выполнения различных задач. А удвоенное количество потоков позволяет повысить эффективность процессора и задействовать его технический потенциал на полную.

Заключение

Производительность процессора — это комплексная характеристика, зависящая не только от количества ядер, но и от способности ЦП эффективно распределять и обрабатывать данные. Современные технологии, такие как технология hyper threading от Intel, позволяют процессорам с меньшим количеством физических ядер увеличивать свою эффективность за счет создания виртуальных потоков, что особенно важно в задачах, требующих одновременной обработки большого количества данных.

Важно понимать, что наряду с количеством ядер и потоков, высокая тактовая частота также играет ключевую роль в определении общей производительности CPU. Процессоры, которые предлагают высокую тактовую частоту в сочетании с продвинутыми многоядерными архитектурами, как правило, обеспечивают лучшую производительность в широком спектре задач, которые включают как однопоточные, так и многопоточные приложения.

Выбирая между ядрами и потоками, важно рассматривать характеристики ЦП в контексте конкретных задач, которые вы планируете на нем выполнять. Процессоры линейки Intel Core, например, предлагают широкий диапазон конфигураций, оптимизированных как для игр, так и для профессионального использования, благодаря сочетанию мощных многоядерных архитектур и технологий, таких как hyper threading.

В итоге, при выборе между многоядерным процессоре и процессора, которая поддерживает технологии виртуализации потоков, рекомендуется учитывать специфику ваших приложений и рабочих нагрузок. Обе технологии имеют свои преимущества, и оптимальный выбор зависит от требований к производительности и обработке данных в ваших конкретных задачах.

Вопросы и ответы

Сколько ядер нужно для современных игр?

Большинство современных игр оптимизированы для работы минимум на 4 ядра. Однако для игр последнего поколения и максимальных настроек графики рекомендуется иметь процессор с 6-8 ядрами.

Улучшит ли добавление потоков производительность всех приложений?

Добавление потоков улучшает производительность в многозадачных средах и приложениях, оптимизированных для работы с несколькими потоками. Однако для программ, не поддерживающих многопоточность, увеличение числа потоков не даст заметного прироста производительности.

В чем разница между физическими и виртуальными ядрами?

Физическое ядро — это реальный вычислительный блок процессора. Виртуальное ядро (или поток) создаётся за счёт технологии гиперпоточности, позволяя одному физическому ядру обрабатывать несколько потоков данных одновременно, что улучшает многозадачность.

Как количество ядер и потоков влияет на потребление энергии и тепловыделение?

Увеличение количества ядер и потоков может привести к повышению потребления энергии и тепловыделения, но современные технологии производства и управления энергопотреблением способны минимизировать эти эффекты.

Могу ли я увеличить количество потоков на своём процессоре?

Количество потоков определяется архитектурой процессора и не может быть изменено программно. Выбор процессора с большим количеством потоков — это вопрос покупки соответствующего оборудования.