Но с покорением новых вершин показателей частоты, наращивать её стало тяжелее, так как это сказывалось на увеличении TDP процессоров. Поэтому разработчики стали растить процессоры в ширину, а именно добавлять ядра, так и возникло понятие многоядерности.
Ещё буквально 6-7 лет назад, о многоядерности процессоров практически не было слышно. Нет, многоядерные процессоры от той же компании IBM существовали и ранее, но появление первого двухъядерного процессора для настольных компьютеров , состоялось лишь в 2005 году, и назывался данный процессор Pentium D. Также, в 2005 году был выпущен двухъядерник Opteron от AMD, но для серверных систем.
В данной статье, мы не будем подробно вникать в исторические факты, а будем обсуждать современные многоядерные процессоры как одну из характеристик CPU. А главное – нам нужно разобраться с тем, что же даёт эта многоядерность в плане производительности для процессора и для нас с вами.
Принцип увеличения производительности процессора за счёт нескольких ядер, заключается в разбиении выполнения потоков (различных задач) на несколько ядер. Обобщая, можно сказать, что практически каждый процесс, запущенный у вас в системе, имеет несколько потоков.
Сразу оговорюсь, что операционная система может виртуально создать для себя множество потоков и выполнять это все как бы одновременно, пусть даже физически процессор и одноядерный. Этот принцип реализует ту самую многозадачность Windows (к примеру, одновременное прослушивание музыки и набор текста).
Возьмём для примера антивирусную программу. Один поток у нас будет сканирование компьютера, другой – обновление антивирусной базы (мы всё очень упростили, дабы понять общую концепцию).
а) Процессор одноядерный. Так как два потока выполняются у нас одновременно, то нужно создать для пользователя (визуально) эту самую одновременность выполнения. Операционная система, делает хитро: происходит переключение между выполнением этих двух потоков (эти переключения мгновенны и время идет в миллисекундах). То есть, система немного «повыполняла» обновление, потом резко переключилась на сканирование, потом назад на обновление. Таким образом, для нас с вами создается впечатление одновременного выполнения этих двух задач. Но что же теряется? Конечно же, производительность. Поэтому давайте рассмотрим второй вариант.
б) Процессор многоядерный. В данном случае этого переключения не будет. Система четко будет посылать каждый поток на отдельное ядро, что в результате позволит нам избавиться от губительного для производительности переключения с потока на поток (идеализируем ситуацию). Два потока выполняются одновременно, в этом и заключается принцип многоядерности и многопоточности. В конечном итоге, мы намного быстрее выполним сканирование и обновление на многоядерном процессоре, нежели на одноядерном. Но тут есть загвоздочка – не все программы поддерживают многоядерность. Не каждая программа может быть оптимизирована таким образом. И все происходит далеко не так идеально, насколько мы описали. Но с каждым днём разработчики создают всё больше и больше программ, у которых прекрасно оптимизирован код, под выполнение на многоядерных процессорах.
При выборе процессора для компьютера (а именно при размышлении о количестве ядер), следует определить основные виды задач, которые он будет выполнять.
Для улучшения знаний в сфере компьютерного железа, можете ознакомится с материалом про сокеты процессоров .
Точкой старта можно назвать двухъядерные процессоры, так как нет смысла возвращаться к одноядерным решениям. Но и двухъядерные процессоры бывают разные. Это может быть не «самый» свежий Celeron, а может быть Core i3 на Ivy Bridge, точно так же и у АМД – Sempron или Phenom II. Естественно, за счёт других показателей производительность у них будет очень отличаться, поэтому нужно смотреть на всё комплексно и сопоставлять многоядерность с другими характеристиками процессоров .
К примеру, у Core i3 на Ivy Bridge, в наличии имеется технология Hyper-Treading, что позволяет обрабатывать 4 потока одновременно (операционная система видит 4 логических ядра, вместо 2-ух физических). А тот же Celeron таким не похвастается.
Но вернемся непосредственно к размышлениям относительно требуемых задач. Если компьютер необходим для офисной работы и серфинга в интернете, то ему с головой хватит двухъядерного процессора.
Когда речь заходит об игровой производительности, то здесь, чтобы комфортно чувствовать себя в большинстве игр необходимо 4 ядра и более. Но тут всплывает та самая загвоздочка: далеко не все игры обладают оптимизированным кодом под 4-ех ядерные процессоры, а если и оптимизированы, то не так эффективно, как бы этого хотелось. Но, в принципе, для игр сейчас оптимальным решением является именно 4-ых ядерный процессор.
На сегодняшний день, те же 8-ми ядерные процессоры AMD , для игр избыточны, избыточно именно количество ядер, а вот производительность не дотягивает, но у них есть другие преимущества. Эти самые 8 ядер, очень сильно помогут в задачах, где необходима мощная работа с качественной многопоточной нагрузкой. К таковой можно отнести, например рендеринг (просчёт) видео, или же серверные вычисления. Поэтому для таких задач необходимы 6, 8 и более ядер. Да и в скором времени игры смогут качественно грузить 8 и больше ядер, так что в перспективе, всё очень радужно.
Не стоит забывать о том, что остается масса задач, создающих однопоточную нагрузку. И стоит задать себе вопрос: нужен мне этот 8-ми ядерник или нет?
Подводя небольшие итоги, еще раз отмечу, что преимущества многоядерности проявляются при «увесистой» вычислительной многопоточной работе. И если вы не играете в игры с заоблачными требованиями и не занимаетесь специфическими видами работ требующих хорошей вычислительной мощи, то тратиться на дорогие многоядерные процессоры, просто нет смысла (
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 обращенная 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.
Что такое многоядерный процессор
Многоядерный процессор – это центральный микропроцессор, содержащий 2 и более вычислительных ядра на одном процессорном кристалле или в одном корпусе.
Для чего нужна многоядерность
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 ПК, 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 большую производительность, поскольку параллельно (одновременно!) выполняются два независимых потока инструкций.
Архитектура многоядерных систем
Многоядерные процессоры можно подразделить по наличию поддержки когерентности (общей) кеш-памяти между ядрами. Бывают процессоры с такой поддержкой и без неё.
Способ связи между ядрами: разделяемая шина сеть (Mesh) на каналах точка-точка сеть с коммутатором общая Кеш-память
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 многоядерных 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 нечетное (для процессоров с нечетным количеством ядер) количество потоков;
Преимущества многоядерных процессоров
Возможность распределять работу программ, например, основных задач приложений и фоновых задач операционной системы, по нескольким ядрам;
Увеличение скорости работы программ;
Процессы, требующие интенсивных вычислений, протекают намного быстрее;
Более эффективное использование требовательных к вычислительным ресурсам мультимедийных приложений (например, видеоредакторов);
Снижение энергопотребления;
Работа пользователя ПК становится более комфортной;
Недостатки многоядерных процессоров
Возросшая себестоимость производства многоядерных процессоров (по сравнению с одноядерными) заставляет чипмейкеров увеличивать их стоимость, а это отчасти сдерживает спрос;
Так как с оперативной памятью одновременно работают сразу два и более ядра, необходимо «научить» их работать без конфликтов;
Возросшее энергопотребление требует применения мощных схем питания;
Требуется более мощная система охлаждения;
Количество оптимизированного под многоядерность программного обеспечения ничтожно мало (большинство программ рассчитаны на работу в классическом одноядерном режиме, поэтому они просто не могут задействовать вычислительную мощь дополнительных ядер);
Операционные системы, поддерживающие многоядерные процессоры (например, Windows XP SP2 и выше) используют вычислительные ресурсы дополнительных ядер для собственных системных нужд;
Следует признать, что в настоящее время многоядерные процессоры используются крайне неэффективно. Кроме того, на практике n-ядерные процессоры не производят вычисления в n раз быстрее одноядерных: хотя прирост быстродействия и оказывается значительным, но при этом он во многом зависит от типа приложения. У программ, которые не рассчитаны на работу с многоядерными процессорами, быстродействие увеличивается всего на 5%. А вот оптимизированные под многоядерные процессоры программы работают быстрее уже на 50%.
…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.
Обнаружили неприятную проблему предела тактовой частоты. Достигнув порога в 3 ГГц, разработчики столкнулись с значительным ростом энергопотребления и тепловыделения своих продуктов. Уровень технологий 2004 года не позволял существенно уменьшить размеры транзисторов в кремниевом кристалле и выходом из сложившейся ситуации стала попытка не наращивать частоты, а увеличить количество операций, выполняемых за один такт. Переняв опыт серверных платформ, где многопроцессорная компоновка уже была испытана, было решено объединить два процессора на одном кристалле.
С тех пор прошло немало времени, в широком доступе появились ЦП с двумя, тремя, четырьмя, шестью и даже восемью ядрами. Но основную долю на рынке до сих пор занимают 2 и 4-ядерные модели. Изменить ситуацию пытаются в AMD, но их архитектура Bulldozer не оправдала надежд и бюджетные восьмиядерники все еще не очень популярны в мире. Поэтому вопрос, что лучше: 2 или 4-ядерный процессор , до сих пор остается актуальным.
На аппаратном уровне основное отличие 2-ядерного процессора от 4-ядерного – количество функциональных блоков. Каждое ядро, по сути, представляет собой отдельный ЦП, оснащенный своими вычислительными узлами. 2 или 4 таких ЦП объединены между собой внутренней скоростной шиной и общим контроллером памяти для взаимодействия с ОЗУ. Другие функциональные узлы тоже могут быть общими: у большинства современных ЦП индивидуальной является кэш-память первого (L1) и второго (L2) уровня, блоки целочисленных вычислений и операций с плавающей запятой. Кэш L3, отличающийся относительно большим объемом, один и доступен всем ядрам. Отдельно можно отметить уже упомянутые AMD FX (а также ЦП Athlon и APU серии A): у них общими являются не только кэш-память и контроллер, но и блоки вычислений с плавающей запятой: каждый такой модуль одновременно принадлежит двум ядрам.
Схема четырехъядерного процессора AMD Athlon
С пользовательской точки зрения разница между 2 и 4-ядерным процессором заключается в количестве задач, которые ЦП может обработать за один такт. При одинаковой архитектуре, теоретическая разница будет составлять 2 раза для 2 и 4 ядер или 4 раза для 2 и 8 ядер, соответственно. Таким образом, при одновременной работе нескольких процессов, увеличение количества должно повлечь за собой рост быстродействия системы. Ведь вместо 2 операций четырехъядерный ЦП за один момент времени сможет выполнять сразу четыре.
Казалось бы, если увеличение числа ядер влечет за собой рост производительности, то на фоне моделей с четырьмя, шестью или восемью ядрами у двухядерников нет никаких шансов. Тем не менее, мировой лидер на рынке ЦП, компания Intel, ежегодно обновляет ассортимент своей продукции и выпускает новые модели всего с парой ядер (Core i3, Celeron, Pentium). И это на фоне того, что даже в смартфонах и планшетах на такие ЦП пользователи смотрят с недоверием или презрением. Чтобы понять, почему самые популярные модели – именно процессоры с двумя ядрами, следует учесть несколько основных факторов.
Intel Core i3 — самые популярные 2-ядерные процессоры для домашнего ПК
Проблема совместимости . При создании программного обеспечения разработчики стремятся сделать так, чтобы оно могло функционировать как на новых компьютерах, так и уже существующих моделях ЦП и ГП. Учитывая ассортимент на рынке, важно обеспечить, чтобы игра нормально работала и на двух ядрах, и на восьми. Большинство всех существующих домашних ПК оснащены двухъядерным процессором, поэтому поддержке таких компьютеров уделяется больше всего внимания.
Сложность распараллеливания задач . Чтобы обеспечить эффективное задействование всех ядер, вычисления, производимые в процессе работы программы, следует разделить на равные потоки. Например, задача, которая может оптимально задействовать все ядра, выделив каждому из них по одному или два процесса — одновременная компрессия нескольких видеороликов. С играми – сложнее, так как все выполняемые в них операции взаимосвязаны. Несмотря на то, что основную работу выполняет графический процессор видеокарты, информацию для формирования 3d-картинки подготавливает именно ЦП. Сделать так, чтобы каждое ядро обрабатывало свою порцию данных, а затем подавало ее ГП синхронно с другими, достаточно сложно. Чем больше одновременных потоков вычислений нужно обрабатывать – тем тяжелее реализация задачи.
Преемственность технологий . Разработчики программного обеспечения используют для своих новых проектов уже существующие наработки, подвергающиеся неоднократной модернизации. В отдельных случаях доходит до того, что такие технологии уходят корнями в прошлое на 10-15 лет. Разработка, основанная на проекте десятилетней давности, кардинальной переработке для идеальной оптимизации поддается очень неохотно, если не совсем никак. Как следствие, наблюдается неспособность софта рационально использовать аппаратные возможности ПК. Игра S.T.A.L.K.E.R. Зов Припяти, вышедшая в 2009 году (в эпоху расцвета многоядерных ЦП) построена на движке 2001 года, поэтому не умеет нагружать более, чем одно ядро.
S.T.A.L.K.E.R. полноценно задействует только одно ядоро 4-ядерного ЦП
Такая же ситуация и с популярной онлайн-РПГ World of Tanks: движок Big World, на котором она базируется, создан в 2005 году, когда многоядерные ЦП еще не воспринимались, как единственно возможный путь развития.
World of Tanks тоже не умеет распределять нагрузку на ядра равномерно
Финансовые сложности . Следствием этой проблемы является предыдущий пункт. Если создавать каждое приложение с нуля, не используя имеющиеся технологии, его реализация обойдется в баснословные суммы. К примеру, стоимость разработки GTA V составила более 200 млн долларов. При этом, некоторые технологии все равно не были созданы «из чистого листа», а позаимствованы из предыдущих проектов, так как игра писалась под 5 платформ сразу (Sony PS3, PS4, Xbox 360 и One, а также ПК).
GTA V оптимизирована под многоядерность и умеет равномерно загружать процессор
Все эти нюансы не позволяют в полной мере использовать потенциал многоядерных процессоров на практике. Взаимозависимость производителей аппаратного обеспечения и разработчиков софта порождает замкнутый круг.
Очевидно, что при всех преимуществах потенциал многоядерных процессоров до сих пор остается нереализованным до конца. Некоторые задачи вообще не умеют равномерно распределять нагрузку и работают в один поток, другие – делают это с посредственной эффективностью, и лишь малая доля ПО полноценно взаимодействуют со всеми ядрами. Поэтому вопрос, какой лучше процессор, 2 или 4 ядра , купить, требует внимательного изучения текущей ситуации.
На рынке представлены продукты двух производителей: Intel и AMD, отличающиеся особенностями реализации. Advanced Micro Devices традиционно делают упор на многоядерность, в то время как «Интел» неохотно идут на такой шаг и наращивают количество ядер только если это не приводит к снижению удельной производительности в расчете на ядро (избежать которого очень сложно).
Увеличение количества ядер снижает итоговую производительность каждого из них
Как правило, общая теоретическая и практическая производительность многоядерного ЦП ниже, чем аналогичного (построенного на такой же микроархитектуре, с тем же техпроцессорм) с одним ядром. Вызвано это тем, что ядра используют общие ресурсы, и это не лучшим образом сказывается на быстродействии. Таким образом, нельзя просто приобрести мощный четырех- или шестиъядерный процессор с расчетом на то, что он точно не будет слабее двухъядерника из той же серии. В некоторых ситуациях – будет, при том ощутимо. В качестве примера можно привести запуск старых игр на компьютере с восьмиядерным процессором AMD FX : FPS при этом порой ниже, чем на аналогичном ПК, но с четырехъядерным ЦП.
Значит ли это, что много ядер не нужно? Несмотря на то, что вывод кажется закономерным — нет. Легкие повседневные задачи (такие как веб-серфинг или работа с несколькими программами одновременно) положительно реагируют на увеличение числа ядер процессора. Именно по этой причине производители смартфонов делают упор на количество, опуская на второй план удельную производительность. Opera (и другие браузеры на движке Chromium), Firefox запускают каждую открытую вкладку в виде отдельного процесса, соответственно, чем больше ядер – тем быстрее переход между вкладками. Файловые менеджеры, офисные программы, проигрыватели – сами по себе не являются ресурсоемкими. Но при потребности часто переключаться между ними многоядерный процессор позволит повысить производительность системы.
Браузер Opera каждой вкладке присваивает отдельный процесс
В компании Intel осознают это, потому технология HuperThreading, позволяющая ядру обрабатывать второй поток силами неиспользуемых ресурсов, появилась еще во времена Pentium 4. Но она не позволяет в полной мере компенсировать недостаток производительности.
В «Диспетчере задач» 2-ядерный процессор с Huper Threading отображается, как 4-ядерный
Создатели игр, тем временем, постепенно наверстывают упущенное. Появление новых поколений консолей Sony Play Station и Microsoft Xbox простимулировало разработчиков уделять больше внимания многоядерности. Обе приставки созданы на базе восьмиядерных чипов AMD, поэтому теперь программистам не нужно тратить уйму сил на оптимизацию при портировании игры на ПК. С ростом популярности этих консолей — с облегчением смогли вздохнуть и те, кто разочаровался в приобретении AMD FX 8xxx. Многоядерники усиленно отвоевывают позиции на рынке, о чем можно убедиться на примере обзоров.
В первые годы нового тысячелетия, когда частоты CPU, наконец, прошли отметку 1 ГГц, некоторые компании (не будем показывать пальцем на Intel) предсказывали, что новая архитектура NetBurst сможет в будущем достичь частот порядка 10 ГГц. Энтузиасты ожидали наступление новой эры, когда тактовые частоты CPU будут расти подобно грибам после дождя. Нужно больше производительности? Просто перейдите на процессор с большей тактовой частотой.
Яблоко Ньютона громко упало на головы мечтателей, которые рассматривали мегагерцы как самый лёгкий способ продолжения роста производительности ПК. Физические ограничения не позволили экспоненциально увеличивать тактовую частоту без соответствующего роста тепловыделения, да и другие проблемы, связанные с технологиями производства, тоже стали возникать. Действительно, последние годы самые быстрые процессоры работают на частотах от 3 до 4 ГГц.
Конечно, прогресс не остановить, когда за него готовы платить деньги - есть довольно много пользователей, кто готов выложить немалую сумму за более мощный компьютер. Поэтому инженеры стали искать другие способы увеличения производительности, в частности, повышая эффективность выполнения команд, а не только надеясь на тактовую частоту. Параллелизм тоже оказался решением - если вы не можете сделать CPU быстрее, то почему не добавить второй такой же процессор, чтобы увеличить вычислительные ресурсы?
Pentium EE 840 - первый двуядерный CPU, появившийся в рознице.
Основная проблема с параллелизмом заключается в том, что программное обеспечение должно быть специально написано так, чтобы распределять нагрузку по нескольким потокам - то есть вы не получите немедленной отдачи от вложенных денег, в отличие от таковой частоты. В 2005 году, когда вышли первые двуядерные процессоры, они не обеспечивали серьёзного прироста производительности, поскольку на настольных ПК использовалось довольно мало программного обеспечения, которое бы их поддерживало. Фактически, большая часть двуядерных CPU была медленнее одноядерных процессоров в большинстве задач, поскольку одноядерные CPU работали на более высоких тактовых частотах.
Впрочем, прошло уже четыре года, и за них многое изменилось. Многие разработчики программного обеспечения оптимизировали свои продукты, чтобы получить преимущество от нескольких ядер. Одноядерные процессоры сегодня уже сложнее найти в продаже, и двух-, трёх- и четырёхъядерные CPU считаются вполне обыденными.
Но возникает вопрос: сколько ядер CPU нужно на самом деле? Достаточно ли для игр трёхъядерного процессора, или лучше доплатить и взять четырёхъядерный чип? Достаточно ли для обычного пользователя двуядерного процессора, или большее число ядер действительно даёт какую-либо разницу? Какие приложения оптимизированы под несколько ядер, а какие будут реагировать на изменение только таких спецификаций, как частота или размер кэша?
Мы посчитали, что настало хорошее время провести тесты приложений из обновлённого пакета (впрочем, обновление ещё не закончено) на одно-, двух-, трёх- и четырёхъядерных конфигурациях, чтобы понять, насколько ценными стали многоядерные процессоры в 2009 году.
Чтобы тесты были справедливыми, мы выбрали четырёхъядерный процессор - разогнанный до 2,7 ГГц Intel Core 2 Quad Q6600. После проведения тестов на нашей системе, мы затем отключили одно из ядер, перезагрузились, и повторили тесты. Мы последовательно отключали ядра и получили результаты для разного количества активных ядер (от одного до четырёх), при этом процессор и его частота не менялись.
Отключение ядер CPU под Windows выполнить очень легко. Если вы хотите узнать, как это сделать, то наберите "msconfig" в окне Windows Vista "Начать поиск/Start Search" и нажмите "Enter". Это откроет утилиту "Конфигурация системы".
В ней перейдите на закладку "Загрузка/Boot" и нажмите клавишу "Дополнительные параметры/Advanced options".
Это приведёт к появлению окна "Дополнительные параметры загрузки/BOOT Advanced Options". Выберите галочку "Число процессоров/Number of Processors" и укажите нужно число ядер процессора, которые будут активны в системе. Всё очень просто.
После подтверждения программа предложит перезагрузиться. После перезагрузки в "Диспетчере задач Windows" (Task Manager) можно увидеть число активных ядер. Вызов "Диспетчера задач" выполняется нажатием клавиш Crtl+Shift+Esc.
Выберите в "Диспетчере задач" вкладку "Быстродействие/Performance". В ней вы сможете увидеть графики нагрузки для каждого процессора/ядра (будь это отдельный процессор/ядро или виртуальный процессор, как мы получаем в случае Core i7 с активной поддержкой Hyper-Threading) в пункте "Хронология загрузки ЦП/CPU Usage History". Два графика означают два активных ядра, три - три активных ядра и т.д.
Теперь, когда вы ознакомились с методикой наших тестов, позвольте перейти к детальному рассмотрению конфигурации тестового компьютера и программ.
Тестовая конфигурация
| Системное аппаратное обеспечение | |
| Процессор | Intel Core 2 Quad Q6600 (Kentsfield), 2,7 ГГц, FSB-1200, 8 Мбайт кэша L2 |
| Платформа | MSI P7N SLI Platinum, Nvidia nForce 750i, BIOS A2 |
| Память | A-Data EXTREME DDR2 800+, 2 x 2048 Мбайт, DDR2-800, CL 5-5-5-18 на 1,8 В |
| Жёсткий диск | Western Digital Caviar WD50 00AAJS-00YFA, 500 Гбайт, 7200 об/мин, кэш 8 Мбайт, SATA 3,0 Гбит/с |
| Сеть | Встроенный контроллер nForce 750i Gigabit Ethernet |
| Видеокарты | Gigabyte GV-N250ZL-1GI 1 GB DDR3 PCIe |
| Блок питания | Ultra HE1000X, ATX 2.2, 1000 Вт |
| Программное обеспечение и драйверы | |
| Операционная система | Microsoft Windows Vista Ultimate 64-bit 6.0.6001, SP1 |
| Версия DirectX | DirectX 10 |
| Драйвер платформы | nForce Driver Version 15.25 |
| Графический драйвер | Nvidia Forceware 182.50 |
Тесты и настройки
| 3D-игры | |
| Crysis | Quality settings set to lowest, Object Detail to High, Physics to Very High, version 1.2.1, 1024x768, Benchmark tool, 3-run average |
| Left 4 Dead | Quality settings set to lowest, 1024x768, version 1.0.1.1, timed demo. |
| World in Conflict | Quality settings set to lowest, 1024x768, Patch 1.009, Built-in benchmark. |
| iTunes | Version: 8.1.0.52, Audio CD ("Terminator II" SE), 53 min., Default format AAC |
| Lame MP3 | Version: 3.98 (64-bit), Audio CD ""Terminator II" SE, 53 min, wave to MP3, 160 Kb/s |
| TMPEG 4.6 | Version: 4.6.3.268, Import File: "Terminator II" SE DVD (5 Minutes), Resolution: 720x576 (PAL) 16:9 |
| DivX 6.8.5 | Encoding mode: Insane Quality, Enhanced Multi-Threading, Enabled using SSE4, Quarter-pixel search |
| XviD 1.2.1 | Display encoding status=off |
| MainConcept Reference 1.6.1 | MPEG2 to MPEG2 (H.264), MainConcept H.264/AVC Codec, 28 sec HDTV 1920x1080 (MPEG2), Audio: MPEG2 (44.1 KHz, 2 Channel, 16-Bit, 224 Kb/s), Mode: PAL (25 FPS), Profile: Tom"s Hardware Settings for Qct-Core |
| Autodesk 3D Studio Max 2009 (64-bit) | Version: 2009, Rendering Dragon Image at 1920x1080 (HDTV) |
| Adobe Photoshop CS3 | Version: 10.0x20070321, Filtering from a 69 MB TIF-Photo, Benchmark: Tomshardware-Benchmark V1.0.0.4, Filters: Crosshatch, Glass, Sumi-e, Accented Edges, Angled Strokes, Sprayed Strokes |
| Grisoft AVG Antivirus 8 | Version: 8.0.134, Virus base: 270.4.5/1533, Benchmark: Scan 334 MB Folder of ZIP/RAR compressed files |
| WinRAR 3.80 | Version 3.80, Benchmark: THG-Workload (334 MB) |
| WinZip 12 | Version 12, Compression=Best, Benchmark: THG-Workload (334 MB) |
| 3DMark Vantage | Version: 1.02, GPU and CPU scores |
| PCMark Vantage | Version: 1.00, System, Memory, Hard Disk Drive benchmarks, Windows Media Player 10.00.00.3646 |
| SiSoftware Sandra 2009 SP3 | CPU Test=CPU Arithmetic/MultiMedia, Memory Test=Bandwidth Benchmark |
Результаты тестов
Начнём с результатов синтетических тестов, чтобы потом оценить, насколько хорошо они соответствуют реальным тестам. Важно помнить, что синтетические тесты пишутся в расчёте на будущее, поэтому они должны сильнее реагировать на изменение в количестве ядер, чем реальные приложения.
Мы начнём с синтетического теста игровой производительности 3DMark Vantage. Мы выбрали прогон "Entry", который 3DMark выполняет на самом низком доступном разрешении, чтобы производительность CPU сильнее влияла на результат.
Почти линейный рост довольно интересен. Самый большой прирост наблюдается при переходе от одного ядра к двум, но и затем масштабируемость прослеживается довольно ощутимо. А теперь давайте перейдём к тесту PCMark Vantage, который призван отображать общую системную производительность.
Результаты PCMark заставляют предположить, что конечный пользователь выиграет от увеличения количества ядер CPU вплоть до трёх, а четвёртое ядро, наоборот, немного снизит производительность. Давайте посмотрим, с чем связан подобный результат.
В тесте подсистемы памяти мы вновь наблюдаем самый большой прирост производительности при переходе от одного ядра CPU к двум.
Тест продуктивности, как нам кажется, сильнее всего влияет на общий результат теста PCMark, поскольку в данном случае рост производительности заканчивается на трёх ядрах. Давайте посмотрим, будут ли аналогичны результаты другого синтетического теста SiSoft Sandra.
Мы начнём с арифметических и мультимедийных тестов SiSoft Sandra.
Синтетические тесты демонстрируют довольно линейный прирост производительности при переходе от одного ядра CPU к четырём. Данный тест написан специально, чтобы эффективно использовать четыре ядра, но мы сомневаемся, что в реальных приложениях будет такой же линейный прогресс.
Тест памяти Sandra тоже предполагает, что три ядра дадут больше пропускной способности памяти в целочисленных буферизованных операциях iSSE2.
После синтетических тестов настало время посмотреть, что мы получим в тестах приложений.
Кодирование аудио традиционно являлось сегментом, приложения в котором не очень сильно выигрывали от нескольких ядер, либо они не были оптимизированы разработчиками. Ниже приведены результаты Lame и iTunes.
Lame не демонстрирует особого преимущества при использовании нескольких ядер. Что интересно, мы наблюдаем небольшой прирост производительности с чётным количеством ядер, что довольно странно. Однако разница невелика, поэтому она просто может находиться в пределах погрешности.
Что касается iTunes, то мы видим небольшой прирост производительности после активации двух ядер, но большее число ядер ничего не дают.
Получается, ни Lame, ни iTunes не оптимизированы под несколько ядер CPU для кодирования аудио. С другой стороны, насколько мы знаем, программы кодирования видео часто очень сильно оптимизируют под несколько ядер из-за их изначально параллельной природы. Давайте посмотрим на результаты кодирования видео.
Мы начнём тесты кодирования видео с MainConcept Reference.
Обратите внимание, насколько сильно на результат влияет увеличение числа ядер: время кодирования уменьшается с девяти минут на одноядерном 2,7-ГГц процессоре Core 2 до всего двух минут и 30 секунд, когда активны все четыре ядра. Вполне понятно, что если вы часто перекодируете видео, то лучше брать процессор с четырьмя ядрами.
Получим ли мы схожие преимущества в тестах TMPGEnc?
Здесь можно видеть влияние на результат кодера. Если кодер DivX высоко оптимизирован под несколько ядер CPU, то Xvid не демонстрирует такого заметного преимущества. Впрочем, даже Xvid даёт снижение времени кодирования на 25% при переходе от одного ядра к двум.
Начнём графические тесты с Adobe Photoshop.
Как видим, версия CS3 не замечает добавление ядер. Странный результат для столь популярной программы, хотя мы признаём, что не использовали последнюю версию Photoshop CS4. Результаты CS3 всё равно не вдохновляют.
Давайте посмотрим на результаты 3D-рендеринга в Autodesk 3ds Max.
Вполне очевидно, что Autodesk 3ds Max "любит" дополнительные ядра. Данная особенность присутствовала в 3ds Max ещё во время работы этой программы в DOS-окружении, поскольку задача 3D-рендеринга выполнялась столь долго, что было необходимо распределять её по нескольким компьютерам в сети. Опять же, для подобных программ весьма желательно использовать четырёхъядерные процессоры.
Тест антивирусного сканирования очень близок к реальным жизненным условиям, поскольку почти все используют антивирусы.
Антивирус AVG демонстрирует чудесный прирост производительности при увеличении ядер CPU. Во время антивирусного сканирования производительность компьютера может очень сильно падать, и результаты наглядно показывают, что несколько ядер существенно сокращают время сканирования.
WinZip и WinRAR не дают заметного прироста на нескольких ядрах. WinRAR демонстрирует прирост производительности на двух ядрах, но не более того. Интересно будет посмотреть, как себя покажет только что вышедшая версия 3.90.
В 2005 году, когда стали появляться настольные компьютеры с двумя ядрами, просто не существовало игр, которые демонстрировали бы прирост производительности при переходе от одноядерных CPU на многоядерные процессоры. Но времена изменились. Как сказываются несколько ядер CPU на современных играх? Давайте запустим несколько популярных игр и посмотрим. Мы проводили игровые тесты в низком разрешении 1024x768 и с низким уровнем графических деталей, чтобы минимизировать влияние видеокарты и определить, насколько сильно данные игры упираются в производительность CPU.
Начнём с Crysis. Мы снизили до минимума все опции за исключением детализации объектов, которую мы выставили в "High", а также Physics, которую мы установили в "Very High". В итоге производительность игры должна сильнее зависеть от CPU.
Игра Crysis показала впечатляющую зависимость от количества ядер CPU, что весьма удивляет, поскольку мы считали, что она больше реагирует на производительность видеокарты. В любом случае, можно видеть, что в Crysis одноядерные CPU дают частоту кадров в два раза меньше, чем с четырьмя ядрами (впрочем, помните, что если игра будет больше зависеть от производительности видеокарты, то разброс результатов при разном числе ядер CPU будет меньше). Интересно также отметить, что игра Crysis может использовать только три ядра, поскольку добавление четвёртого не даёт заметной разницы.
Но мы знаем, что Crysis серьёзно использует расчёты физики, поэтому давайте посмотрим, каковая будет ситуация в игре не с такой продвинутой физикой. Например, в Left 4 Dead.
Что интересно, игра Left 4 Dead демонстрирует схожий результат, хотя львиная доля прироста производительности появляется после добавления второго ядра. Есть небольшой прирост при переходе на три ядра, но вот четвёртое ядро этой игре не требуется. Интересная тенденция. Посмотрим, насколько она будет характерна для стратегии реального времени World in Conflict.
Результаты вновь схожие, но мы видим удивительную особенность - три ядра CPU дают чуть лучшую производительность, чем четыре. Разница близка к пределу погрешности, но это вновь подтверждает, что четвёртое ядро в играх не используется.
Настало время делать выводы. Поскольку данных мы получили немало, давайте упростим ситуацию, рассчитав средний прирост производительности.
Сначала хотелось бы сказать о том, что результаты синтетических тестов слишком оптимистичны, если сравнивать использование нескольких ядер с реальными приложениями. Прирост производительности синтетических тестов при переходе от одного ядра к нескольким выглядит почти линейным, каждое новое ядро добавляет 50% производительности.
В приложениях мы наблюдаем более реалистичный прогресс - около 35% прироста от второго ядра CPU, 15% прирост от третьего и 32% прирост от четвёртого. Странно, что при добавлении третьего ядра мы получаем только половину преимущества, которое даёт четвёртое ядро.
В приложениях, впрочем, лучше смотреть на отдельные программы, а не на общий результат. Действительно, приложения кодирования аудио, например, вообще не выигрывают от увеличения числа ядер. С другой стороны, приложения кодирования видео дают серьёзные преимущества от большего числа ядер CPU, хотя всё довольно сильно зависит от используемого кодера. В случае программы 3D-рендеринга 3ds Max мы видим, что она серьёзно оптимизирована под многоядерные окружения, а приложения редактирования 2D-фотографий, подобные Photoshop, не реагируют на количество ядер. Антивирус AVG показал серьёзное увеличение производительности на нескольких ядрах, а на утилитах сжатия файлов выигрыш не такой большой.
Что же касается игр, то при переходе от одного ядра на два производительность увеличивается на 60%, а после добавления в систему третьего ядра мы получаем ещё 25% отрыв. Четвёртое ядро в выбранных нами играх не даёт преимуществ. Конечно, если бы мы взяли больше игр, то ситуация могла бы измениться, но, в любом случае, трёхъядерные процессоры Phenom II X3 кажутся весьма привлекательным и недорогим выбором для геймера. Важно отметить, что при переходе на более высокие разрешения и добавлении визуальных деталей, разница из-за количества ядер будет меньшей, поскольку видеокарта станет решающим фактором, влияющим на частоту кадров.
Четыре ядра.
С учётом всего сказанного и сделанного, можно подвести ряд итогов. В целом, вам не нужно быть каким-либо профессиональным пользователем, чтобы выиграть от установки многоядерного CPU. Ситуация существенно изменилась по сравнению с тем, что было четыре года назад. Конечно, разница кажется не такой существенной на первый взгляд, но довольно интересно отметить, насколько сильно приложения стали оптимизироваться под многопоточность в последние несколько лет, особенно те программы, которые от этой оптимизации могут дать существенный прирост производительности. Фактически, можно сказать, что сегодня уже нет смысла рекомендовать одноядерные CPU (если вы такие ещё найдёте), за исключением решений с низким энергопотреблением.
Кроме того, есть приложения, для которых пользователям рекомендуется покупать процессоры с как можно большим числом ядер. Среди них отметим программы кодирования видео, 3D-рендеринга и оптимизированные рабочие приложения, включая антивирусное ПО. Что касается геймеров, то прошли дни, когда одноядерного процессора с мощной видеокартой было достаточно.
