Multi cpu что это: Single Core и Multi Core — что это?

Что такое «Dual Core» и «Quad Core»?

Раньше, наши компьютеры имели центральный процессор (CPU) с одним ядром. В наши дни, большинство процессоров являются двухъядерными, четырехъядерными или даже восьмиядерными. Мы постараемся вам объяснить, что такое ядро, чем отличаются двухъядерные от четырехядерных процессоров, и как это все влияет на ваше реальное использование компьютера.Ответы на эти вопросы помогут не только узнать больше о вашем компьютере, но и, возможно, пригодятся, когда вам придется выбирать между более дешевым процессором с меньшим числом ядер и более дорогим процессором с большим числом ядер, при покупке нового ноутбука, планшета или даже смартфона.

Зная разницу между двухъядерными и четырехядерными процессорами, вы сможете принять более взвешенное решение о приобретении нового компьютерного оборудования.

Что такое ядро?

Каждое ядро процессора фактически – отдельный центральный процессор, выполняющий работу и являющийся составной частью всего процессора (CPU).

Например, двухъядерный чип может быть похож на одноядерный чип, но на самом деле он имеет два физических центральных процессора на чипе.

Дополнительные центральные процессоры позволяют компьютеру делать несколько задач одновременно. Если вы когда-либо использовали одноядерный процессор и после этого сделали апгрейд до двухъядерного процессора, то вы должны были заметить значительную разницу в производительности вашего компьютера и его реакции на поставленные задачи.

См. также >> Современные процессоры Intel и AMD

Давайте предположим, что вы извлекаете из архива файлы и занимаетесь просмотром веб-страниц в браузере одновременно. Если у вас на компьютере одноядерный процессор, то просмотр веб-страниц будет не очень комфортным. Одноядерному процессору придется разделить свое время между веб-страницами и извлечением файлов из архива.

Если у вас двухъядерный процессор с двумя ядрами, то одно ядро будет работать на извлечении файлов, а второе – будет обеспечивать беспроблемный просмотр страниц в веб-баузере

.

Не важно, делаете ли вы несколько дел одновременно или нет, ваш компьютер часто выполняет некоторые системные задачи в фоновом режиме, и благодаря дополнительным ядрам, вы можете сделать вашу систему более отзывчивой. К примеру, Google Chrome выделяет для каждого открытого веб-сайта отдельный процесс. Это позволяет Google Chrome использовать различные процессоры для различных сайтов, а не использовать отдельный процессор (CPU) для обработки всех задач связанных с браузером.

Тактовая частота и ядра

Процессоры имеют тактовую частоту, показывающую то, как быстро работают процессоры (на самом деле все, конечно, намного сложнее, но давайте на данный момент согласимся с этим утверждением).

Например, процессор Core i5-3330 от компании Intel имеет тактовую частоту 3 ГГц и четырехъядерный процессор, а это значит, что у него четыре ядра. Все четыре ядра в этом процессоре Intel i5 работают на частоте 3 ГГц.

Удвоение ядер не удваивает скорость

Многие компьютерные программы являются однопоточными, это означает, что их работа не может быть разделена между несколькими процессорами (CPU). Каждая из них должна работать с одним процессором (CPU). Это значит, что увеличение ядер не удвоит их эффективность. Если у вас есть однопоточное приложение, запущенное на четырехъядерном процессоре, то оно будет использовать только одно ядро, а остальные ядра в это время будут находиться в процессе ожидания, и только когда будут запущены другие приложения, они начнут действовать.

Правильное написание многопоточных приложений, которые можно масштабировать на нескольких процессорах одновременно, на самом деле является довольно сложной сферой компьютерной науки. Это становится все более актуальной проблемой, так как в будущем, скорее всего, будут появляться процессоры с большим количеством ядер, а не процессоры с меньшим числом ядер, рассчитанные на высокую скорость.

Некоторые приложения могут использовать преимущества нескольких ядер. Многопроцессорная архитектура Google Chrome позволяет ему выполнять действия с несколькими ядрами одновременно. Некоторые компьютерные игры также могут распределять расчеты на несколько ядер.

Тем не менее, большинство используемых приложений – однопоточные. Четырехъядерный процессор по сравнению с двухъядерным не будет работать с Microsoft Office вдвое быстрее. Если вы запустите Microsoft Office на разных процессорах, то увидите – производительность очень похожа.

Большое количество ядер может вам помочь, если вы хотите делать несколько задач одновременно или, если у вас есть многозадачные приложения, которые могут работать с многоядерными процессорами. Например, если вы запускаете несколько виртуальных машин во время кодирования видео, извлечения файлов, и некоторых других требовательных к процессору вещей, то восьмиядерный процессор может вам в этом помочь, в то время как даже четырехъядерный процессор начнет тормозить от таких нагрузок.

Dual Core, Quad Core и…

Такие фразы как «dual core», «quad core» и «octa core» довольно часто встречаются в зарубежной компьютерной прессе, давайте разберемся с их значениями:

• Dual Core: два ядра.
• Quad Core: четыре ядра.
• Hexa Core: шесть ядер.
• Octa Core: восемь ядер.
• Deca Core: десять ядер.

Управление и мониторинг ядер

Из диспетчера задач Windows вы можете контролировать, какие программы используют ядра процессора. Щелкните правой кнопкой мыши на панели процессов и выберите пункт «Задать соответствие».

Здесь вы сможете выбрать какие из физических процессоров (ядер) будет использовать приложение. Большую часть времени вам не понадобится данная возможность, но если вы хотите ограничить доступ к определенным ядрам для избегания ошибок, например в старых компьютерных играх, то эта возможность будет очень полезной.

С помощью диспетчера задач вы можете использовать вкладку «Быстродействие» для просмотра использования каждого ядра вашего процессора.

Hyper-Threading (гиперпараллельность)

Процессоры Intel используют технологию, называемую: hyper-threading. С технологией «hyper-threading» каждое физическое ядро видится системе, как два отдельных логических ядра. На скриншоте выше, мы не используем четырехядерный процессор, это всего лишь двухядерный процессор с технологией «hyper-threading».

Она в некоторой степени повышает производительность, но все же двухядерный процессор с технологией «hyper-threading» далеко не так хорош, как настоящий четырехядерный процессор. Ведь в нем по-прежнему только два физических ядра, хотя этот трюк и позволяет им делать одновременно немного больше работы.

Источник: www.makeuseof.com. Автор: Chris Hoffman

Процессоры, ядра и потоки. Топология систем / Хабр

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.

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).

Предупреждение о знаках ®, ™, © в статье

Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.

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

Ядро

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

.

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:

Скрытый текст

ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep 'processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid'
processor       : 0
physical id     : 0
siblings        : 4
core id         : 0
cpu cores       : 2
apicid          : 0
initial apicid  : 0
processor       : 1
physical id     : 0
siblings        : 4
core id         : 0
cpu cores       : 2
apicid          : 1
initial apicid  : 1
processor       : 2
physical id     : 0
siblings        : 4
core id         : 1
cpu cores       : 2
apicid          : 2
initial apicid  : 2
processor       : 3
physical id     : 0
siblings        : 4
core id         : 1
cpu cores       : 2
apicid          : 3
initial apicid  : 3

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

Скрытый текст

user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec
kern.sched.topology_spec: <groups>
 <group level="1" cache-level="0">
  <cpu count="8" mask="0xff">0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7</cpu>
  <children>
   <group level="2" cache-level="2">
    <cpu count="8" mask="0xff">0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7</cpu>
    <children>
     <group level="3" cache-level="1">
      <cpu count="2" mask="0x3">0, 1</cpu>
      <flags><flag name="THREAD">THREAD group</flag><flag name="SMT">SMT group</flag></flags>
     </group>
     <group level="3" cache-level="1">
      <cpu count="2" mask="0xc">2, 3</cpu>
      <flags><flag name="THREAD">THREAD group</flag><flag name="SMT">SMT group</flag></flags>
     </group>
     <group level="3" cache-level="1">
      <cpu count="2" mask="0x30">4, 5</cpu>
      <flags><flag name="THREAD">THREAD group</flag><flag name="SMT">SMT group</flag></flags>
     </group>
     <group level="3" cache-level="1">
      <cpu count="2" mask="0xc0">6, 7</cpu>
      <flags><flag name="THREAD">THREAD group</flag><flag name="SMT">SMT group</flag></flags>
     </group>
    </children>
   </group>
  </children>
 </group>
</groups>

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

Скрытый текст

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.

Кэши

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.

Спасибо за внимание!

Литература

1. Intel Corporation. Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual. Volumes 1–3, 2014. www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html
2. Shih Kuo. Intel® 64 Architecture Processor Topology Enumeration, 2012 — software. intel.com/en-us/articles/intel-64-architecture-processor-topology-enumeration
3. OSDevWiki. MADT. wiki.osdev.org/MADT
4. OSDevWiki. Detecting CPU Topology. wiki.osdev.org/Detecting_CPU_Topology_%2880×86%29

Что такое многоядерный процессор и как он работает?

Дата центр

К

• Стивен Дж. Бигелоу, Старший редактор технологий

Что такое многоядерный процессор?

Многоядерный процессор — это интегральная схема с двумя или более процессорными ядрами, подключенными для повышения производительности и снижения энергопотребления. Эти процессоры также обеспечивают более эффективную одновременную обработку нескольких задач, например параллельную обработку и многопоточность. Двухъядерная установка аналогична установке нескольких отдельных процессоров на компьютере. Однако, поскольку два процессора подключены к одному и тому же разъему, соединение между ними происходит быстрее.

Использование многоядерных процессоров или микропроцессоров — это один из подходов к повышению производительности процессоров без превышения практических ограничений проектирования и изготовления полупроводников. Использование многоядерных кабелей также обеспечивает безопасную работу в таких областях, как выработка тепла.

Как работают многоядерные процессоры?

Сердцем каждого процессора является исполнительный механизм, также известный как ядро. Ядро предназначено для обработки инструкций и данных в соответствии с направлением программ в памяти компьютера. С годами дизайнеры обнаружили, что каждая новая конструкция процессора имеет ограничения. Для повышения производительности были разработаны многочисленные технологии, в том числе следующие:

• Тактовая частота. Один из подходов заключался в ускорении тактовой частоты процессора. Часы — это «барабанная дробь», используемая для синхронизации обработки инструкций и данных посредством механизма обработки. Сегодня тактовые частоты выросли с нескольких мегагерц до нескольких гигагерц (ГГц). Однако транзисторы расходуют энергию с каждым тактом. В результате тактовые частоты почти достигли своего предела, учитывая современные методы изготовления полупроводников и управления теплом.
• Гиперпоточность. Другой подход связан с обработкой нескольких потоков команд. Intel называет это гиперпоточностью. Благодаря технологии Hyper-Threading ядра процессора предназначены для одновременной обработки двух отдельных потоков команд. При правильном включении и поддержке микропрограммой компьютера и операционной системой (ОС) методы гиперпоточности позволяют одному физическому ядру функционировать как два логических ядра. Тем не менее, процессор имеет только одно физическое ядро. Логическая абстракция физического процессора практически не добавляла реальной производительности процессору, за исключением того, что помогала оптимизировать поведение нескольких одновременных приложений, работающих на компьютере.
• Еще чипсы. Следующим шагом было добавление чипов процессора — или кристаллов — в корпус процессора, который представляет собой физическое устройство, подключаемое к материнской плате. Двухъядерный процессор включает в себя два отдельных процессорных ядра. Четырехъядерный процессор включает в себя четыре отдельных ядра. Современные многоядерные процессоры могут легко включать 12, 24 или даже больше процессорных ядер. Многоядерный подход почти идентичен использованию многопроцессорных материнских плат, которые имеют два или четыре отдельных процессорных сокета. Эффект тот же. Сегодняшняя огромная производительность процессоров связана с использованием процессорных продуктов, которые сочетают в себе высокую тактовую частоту и несколько ядер с поддержкой Hyper-Threading.

В многоядерные процессоры встроено несколько процессорных блоков. Они подключаются напрямую к своему внутреннему кешу, а также к системной шине и памяти.

Однако у многоядерных чипов есть несколько проблем, которые следует учитывать. Во-первых, добавление большего количества процессорных ядер автоматически не повышает производительность компьютера. ОС и приложения должны направлять инструкции программного обеспечения для распознавания и использования нескольких ядер. Это нужно делать параллельно, используя разные потоки для разных ядер внутри процессорного пакета. Некоторые программные приложения могут нуждаться в рефакторинге для поддержки и использования многоядерных процессорных платформ. В противном случае используется только первое ядро ​​процессора по умолчанию, а все дополнительные ядра не используются или простаивают.

Во-вторых, выигрыш в производительности от дополнительных ядер не является прямым кратным. То есть добавление второго ядра не удваивает производительность процессора, а четырехъядерный процессор не увеличивает производительность процессора в четыре раза. Это происходит из-за общих элементов процессора, таких как доступ к внутренней памяти или кешам, внешним шинам и системной памяти компьютера.

Преимущество нескольких ядер может быть существенным, но есть практические ограничения. Тем не менее, ускорение обычно лучше, чем у традиционной многопроцессорной системы, потому что связь между ядрами в одном пакете более тесная, а расстояния между ядрами короче и меньше компонентов.

Возьмем аналогию с автомобилями на дороге. Каждая машина может быть процессором, но каждая машина должна иметь общие дороги и ограничения трафика. Больше автомобилей может перевозить больше людей и товаров за определенное время, но большее количество автомобилей также вызывает заторы и другие проблемы.

Для чего используются многоядерные процессоры? Многоядерные процессоры

работают на любой современной компьютерной аппаратной платформе. Практически все ПК и ноутбуки сегодня построены на базе какой-либо модели многоядерного процессора. Однако истинная мощь и преимущества этих процессоров зависят от программных приложений, разработанных с упором на параллелизм. Параллельный подход делит работу приложения на многочисленные потоки обработки, а затем распределяет и управляет этими потоками между двумя или более процессорными ядрами.

Существует несколько основных вариантов использования многоядерных процессоров, включая следующие пять:

1. Виртуализация.  Платформа виртуализации, такая как VMware, предназначена для отделения программной среды от базового оборудования. Виртуализация позволяет абстрагировать ядра физических процессоров в виртуальные процессоры или центральные процессоры (vCPU), которые затем назначаются виртуальным машинам (VM). Каждая виртуальная машина становится виртуальным сервером, способным запускать собственную ОС и приложение. Каждой виртуальной машине можно назначить более одного виртуального ЦП, что позволяет каждой виртуальной машине и ее приложению запускать программное обеспечение для параллельной обработки, если это необходимо.
2. Базы данных. База данных — это сложная программная платформа, которая часто требует выполнения множества одновременных задач, таких как запросы. В результате базы данных сильно зависят от многоядерных процессоров для распределения и обработки этих многочисленных потоков задач. Использование нескольких процессоров в базах данных часто связано с чрезвычайно большой емкостью памяти, которая может достигать 1 терабайта или более на физическом сервере.
3. Аналитика и HPC. Аналитика больших данных, например машинное обучение, и высокопроизводительные вычисления (HPC) требуют разбиения больших сложных задач на более мелкие и более управляемые части. Каждая часть вычислительных усилий затем может быть решена путем распределения каждой части задачи на другой процессор. Такой подход позволяет каждому процессору работать параллельно для решения общей задачи гораздо быстрее и эффективнее, чем при использовании одного процессора.
4. Облако. Организации, создающие облако, почти наверняка будут использовать многоядерные процессоры для поддержки всей виртуализации, необходимой для удовлетворения высоких масштабируемых и транзакционных требований облачных программных платформ, таких как OpenStack. Набор серверов с многоядерными процессорами может позволить облаку создавать и масштабировать больше экземпляров виртуальных машин по требованию.
5. Визуализация. Графические приложения, такие как игры и механизмы рендеринга данных, имеют те же требования к параллелизму, что и другие приложения для высокопроизводительных вычислений. Визуальный рендеринг требует интенсивных вычислений и задач, а приложения визуализации могут широко использовать несколько процессоров для распределения необходимых вычислений. Многие графические приложения полагаются на графические процессоры (GPU), а не на CPU. Графические процессоры предназначены для оптимизации задач, связанных с графикой. Пакеты графических процессоров часто содержат несколько ядер графических процессоров, по принципу действия похожих на многоядерные процессоры.

Плюсы и минусы многоядерных процессоров Технология многоядерных процессоров

является зрелой и четко определенной. Однако эта технология имеет свои плюсы и минусы, которые следует учитывать при покупке и развертывании новых серверов.

Многоядерные преимущества

Повышение производительности приложений. Основным преимуществом многоядерных процессоров является более высокая потенциальная вычислительная мощность. Каждое ядро ​​процессора фактически является отдельным процессором, который могут использовать операционные системы и приложения. На виртуализированном сервере каждая виртуальная машина может использовать одно или несколько виртуализированных процессорных ядер, что позволяет нескольким виртуальным машинам сосуществовать и работать одновременно на физическом сервере. Точно так же приложение, предназначенное для высокого уровня параллелизма, может использовать любое количество ядер для обеспечения высокой производительности приложения, которая была бы невозможна в однокристальных системах.

Повышение производительности оборудования. Размещая два или более процессорных ядра на одном устройстве, можно более эффективно использовать общие компоненты, такие как общие внутренние шины и кэш-память процессора. Он также выигрывает от превосходной производительности по сравнению с многопроцессорными системами, имеющими отдельные процессорные блоки на одной материнской плате.

Многоядерные недостатки

Зависит от программного обеспечения. Приложение использует процессоры, а не наоборот. Операционные системы и приложения всегда будут по умолчанию использовать первое ядро ​​процессора, получившее название 9.0108 ядро ​​0 . Любые дополнительные ядра в процессорном пакете останутся неиспользованными или бездействующими до тех пор, пока программным приложениям не будет разрешено использовать их. К таким приложениям относятся приложения баз данных и средства обработки больших данных, такие как Hadoop. Прежде чем инвестировать в многоядерную систему, бизнесу следует подумать о том, для чего будет использоваться сервер и какие приложения он планирует использовать, чтобы убедиться, что система реализует свой оптимальный вычислительный потенциал.

Увеличение производительности ограничено. Несколько процессоров в пакете процессоров должны совместно использовать общие системные шины и процессорные кэши. Чем больше процессорных ядер совместно используется в пакете, тем больше общего должно происходить через общие процессорные интерфейсы и ресурсы. Это приводит к уменьшению отдачи от производительности по мере добавления ядер. В большинстве случаев выигрыш в производительности от наличия нескольких ядер намного перевешивает потерю производительности из-за такого совместного использования, но это фактор, который следует учитывать при тестировании производительности приложения.

Ограничения по мощности, нагреву и часам. Компьютер может быть не в состоянии управлять многоядерным процессором так же сильно, как процессор с меньшим количеством ядер или одноядерный процессор. Ядро современного процессора может содержать более 500 миллионов транзисторов. Каждый транзистор выделяет тепло при переключении, и это тепло увеличивается по мере увеличения тактовой частоты. Все это тепловыделение должно безопасно отводиться от ядра через корпус процессора. Когда работает больше ядер, это тепло может увеличиваться и быстро превышать охлаждающую способность процессорного пакета. Таким образом, некоторые многоядерные процессоры могут фактически снижать тактовую частоту, например, с 3,5 ГГц до 3,0 ГГц, чтобы уменьшить тепловыделение. Это снижает производительность всех ядер процессора в пакете. Высокопроизводительные многоядерные процессоры требуют сложных систем охлаждения и тщательного развертывания и мониторинга для обеспечения долговременной надежности системы.

Архитектура многоядерных процессоров

Для целей данного определения каждый многоядерный процессор состоит из двух или более ядер, а также ряда кэш-памяти.

• Ядра — это центральные компоненты или многоядерные процессоры. Ядра содержат все регистры и схемы — иногда сотни миллионов отдельных транзисторов — необходимые для выполнения точно синхронизированных задач приема данных и инструкций, обработки этого содержимого и вывода логических решений или результатов.
• Поддержка процессора Схема включает набор схем управления вводом/выводом, таких как часы, согласованность кэш-памяти, управление питанием и температурой, а также доступ к внешней шине.
• Кэши — это относительно небольшие области очень быстрой памяти. Кэш сохраняет часто используемые инструкции или данные, что делает этот контент легко доступным для ядра без необходимости доступа к системной памяти. Процессор сначала проверяет кэш. Если необходимый контент присутствует, ядро ​​берет этот контент из кэша, повышая производительность. Если контент отсутствует, ядро ​​будет обращаться к системной памяти за требуемым контентом. Кэш уровня 1 или L1 — это самый маленький и быстрый кэш, уникальный для каждого ядра. Кэш-память уровня 2 или L2 — это большее пространство для хранения, совместно используемое ядрами. Некоторые архитектуры многоядерных процессоров могут выделять кэши L1 и L2.

Гомогенные и гетерогенные многоядерные процессоры

Ядра в многоядерном процессоре могут быть однородными или разнородными. Массовые многоядерные процессоры Intel и AMD для компьютерных архитектур x86 однородны и содержат идентичные ядра. Следовательно, большинство дискуссий о многоядерных процессорах касаются однородных процессоров.

Однако использование сложного устройства для выполнения простой работы или для достижения наибольшей эффективности часто оказывается расточительным. Рынок гетерогенных многоядерных процессоров использует процессоры с разными ядрами для разных целей. Гетерогенные ядра обычно встречаются во встроенных процессорах или процессорах Arm, которые могут смешивать ядра микропроцессора и микроконтроллера в одном корпусе.

Существуют три основные цели для гетерогенных многоядерных процессоров:

1. Оптимизированная производительность. Хотя однородные многоядерные процессоры обычно предназначены для предоставления обычных или универсальных возможностей обработки, многие процессоры не предназначены для таких типовых вариантов использования системы. Вместо этого они разрабатываются и продаются для использования во встроенных — специализированных или специализированных — системах, которые могут извлечь выгоду из уникальных преимуществ различных процессоров. Например, процессор, предназначенный для устройства обработки сигналов, может использовать процессор Arm, который содержит процессор общего назначения Cortex-A с ядром Cortex-M для специальных задач обработки сигналов.
2. Оптимизированная мощность. Упрощенные процессорные ядра уменьшают количество транзисторов и снижают энергопотребление. Это делает корпус процессора и систему в целом более прохладной и энергоэффективной.
3. Оптимизированная безопасность. Задания или процессы могут быть разделены между различными типами ядер, что позволяет разработчикам преднамеренно создавать высокие уровни изоляции, которые жестко контролируют доступ между различными ядрами процессора. Этот больший контроль и изоляция обеспечивают лучшую стабильность и безопасность для всей системы, хотя и за счет общей гибкости.

Примеры многоядерных процессоров

Большинство современных процессоров, разработанных и проданных для вычислений x86 общего назначения, включают несколько процессорных ядер. Примеры новейших многоядерных процессоров Intel 12-го поколения включают следующее:

• Семейство Intel Core i9 12900 обеспечивает 8 ядер и 24 потока.
Семейство
• Intel Core i7 12700 обеспечивает 8 ядер и 20 потоков.
• Топовые процессоры Intel Core i5 12600K предлагают 6 ядер и 16 потоков.

Примеры новейших многоядерных процессоров AMD Zen:

• Семейство AMD Zen 3 имеет от 4 до 16 ядер.
Семейство
• AMD Zen 2 обеспечивает до 64 ядер.
Семейство
• AMD Zen+ содержит от 4 до 32 ядер.

Последнее обновление: март 2022 г.

Продолжить чтение О многоядерном процессоре

• Выберите лучший ЦП для виртуализации

• Блоки обработки данных повышают производительность инфраструктуры

• Сравнение GPU и CPU для задач анализа данных

• Чем CPU, GPU и DPU отличаются друг от друга?

• ЦП и ГП для рабочих нагрузок ИИ

Подробное изучение оборудования и стратегии центра обработки данных

• Пентиум

  Автор: Рахул Авати

• тактовая частота

  Автор: Гэвин Райт

• многопроцессорность

  Автор: Кинза Ясар

• Обзор аппаратной поддержки виртуализации

  Автор: Стивен Бигелоу

SearchWindowsServer

• Разверните WebJEA, чтобы расширить возможности своих пользователей с помощью PowerShell

  Предоставьте своим сценариям автоматизации графический интерфейс, который упростит конечным пользователям получение необходимой им информации с помощью более оптимизированного . ..

• Повысьте эффективность ИТ с помощью портала самообслуживания PowerShell

  Вы можете преодолеть технические барьеры, мешающие усилиям по автоматизации в вашей организации, изучив, как развернуть …

• Как подготовиться к следующей версии Exchange Server

  Дорожная карта Exchange Server показывает несколько поворотов, которые показывают, что Microsoft отклоняется от своего типичного курса с …

Облачные вычисления

• Как работает маршрутизация на основе задержки в Amazon Route 53

  Если вы рассматриваете Amazon Route 53 как способ уменьшить задержку, вот как работает этот сервис.

• 4 рекомендации, чтобы избежать привязки к поставщику облачных услуг

  Без надлежащего планирования организация может оказаться в ловушке отношений с облачным провайдером. Следуйте этим …

• Подходит ли вам облачная стратегия?

  Стратегия, ориентированная на облачные технологии, имеет свои преимущества и недостатки. Узнайте, как избежать рисков и построить стратегию, которая …

Хранение

• Масштабное погружение в HPE GreenLake с новой службой хранения файлов

  HPE заручается поддержкой Vast Data для предоставления новой услуги хранения файлов в предложениях компании GreenLake SaaS, области хранения, которую …

• Краткое руководство по ценам на Azure Data Lake Storage

  Azure Data Lake Storage предлагает цены, конкурентоспособные по сравнению с аналогичными платформами. Однако многие элементы защищены, большие …

• Новый генеральный директор Ctera видит будущее в озерах данных и защите данных

  Новый генеральный директор Ctera, Одед Нагель, сосредоточен на формировании партнерских отношений и предоставлении возможностей для устойчивости данных, взаимосвязи…

нескольких процессоров против. Многоядерный | Малый бизнес

Автор John Papiewski

С 2005 года производители процессорных микросхем все чаще используют многоядерные процессоры для повышения производительности. Каждое ядро ​​выполняет отдельную вычислительную задачу, поэтому компьютер выполняет больше работы. Прежде чем перейти к многоядерным ЦП, разработчики компьютеров иногда помещали в систему два, четыре или более одноядерных ЦП. По состоянию на октябрь 2011 года серверные компьютеры имеют два или более многоядерных процессорных чипа на одном компьютере.

Программное обеспечение

1. Как для нескольких ЦП, так и для нескольких ядер требуется программное обеспечение, запрограммированное для их распознавания. Операционные системы, такие как Linux или Microsoft Windows, начинались на одноядерных компьютерах с одним процессором. Версии, которые распознают многоядерные компьютеры, требуют дополнительных усилий по программированию. Если программное обеспечение не знает разницы между одним и несколькими ЦП, оно будет действовать так, как если бы компьютер имел один ЦП, а другие вычислительные ресурсы оставались бездействующими. То же самое касается прикладного программного обеспечения. Например, программа трехмерного графического моделирования может работать на одноядерном компьютере не быстрее, чем на многоядерном. Если программа может разделить задачи, интенсивно использующие ЦП, и назначить их разным ядрам, программа выполняет эти задачи быстрее.

Энергоэффективность

1. Энергоэффективность многоядерного компьютера выше, чем у компьютера с несколькими процессорами. Несколько процессоров означают, что несколько копий одной и той же интегральной схемы размещены на печатной плате с соответствующей проводкой между ними и другими чипами. Объединение ядер в один чип снижает потребление энергии для передачи сигналов от чипа к чипу. Это также устраняет некоторые дополнительные микросхемы, необходимые для управления сигналами между ЦП. Если компьютер переходит с двух ЦП на один многоядерный ЦП, это также уменьшает количество вентиляторов охлаждения ЦП с двух до одного, экономя дополнительную энергию.

Пространство и стоимость

1. Многоядерные микросхемы экономят место на печатной плате и в упаковке по сравнению с конструкциями с несколькими ЦП.