Багатоядерний процесор — це інтегральна схема з двома чи більше процесорами, підключеними до неї для швидшої одночасної обробки кількох завдань, зниження енергоспоживання та підвищення продуктивності. Як правило, він складається з двох або більше процесорів, які читають і виконують інструкції програми.

Іншими словами, на одному чіпі багатоядерний процесор містить численні процесорні блоки, або «ядра», кожне з яких має потенціал для виконання окремих завдань. Наприклад, якщо ви виконуєте багато завдань одночасно, як-от перегляд фільму та використання WhatsApp, одне ядро ​​виконуватиме такі дії, як перегляд фільму, а інше — інші обов’язки, наприклад WhatsApp.

Конфігурацію з двома ядрами можна порівняти з кількома різними процесорами, встановленими на одному комп’ютері, але з’єднання між ними відбувається швидше, оскільки два ЦП підключені до одного роз’єму. Кілька інструкцій можуть виконуватися окремими ядрами паралельно, підвищуючи швидкість програмного забезпечення, створеного для використання унікальних функцій архітектури.

У порівнянні з одноядерним процесором, двоядерний процесор зазвичай вдвічі потужніший за ідеальних обставин. Насправді очікується збільшення продуктивності приблизно на 50%: двоядерний ЦП приблизно в 1,5 рази потужніший за одноядерний процесор.

Оскільки одноядерні процесори досягають своїх фізичних меж складності та швидкості, багатоядерні обчислення стають все більш популярними. У наш час більшість систем є багатоядерними. Багатоядерні або багатоядерні системи відносяться до систем з величезною кількістю ядер ЦП, наприклад десятками або сотнями.

На початку 2000-х Intel і AMD випустили перші багатоядерні процесори. У наш час процесори мають два («двоядерні»), чотири («чотирьох’ядерні»), шість («шестиядерні») і вісім («восьміядерні») ядра («восьміядерні»). ). Процесори на основі FPGA містять до 100 фізичних ядер і 1000 ефективних незалежних ядер (Field Programmable Gate Arrays).

Архітектура багатоядерного процесора

Конструкція багатоядерного процесора забезпечує зв’язок між усіма доступними ядрами, які належним чином розподіляють і призначають усі функції обробки. Після завершення всіх операцій обробки оброблені дані з кожного ядра передаються назад на головну плату (материнську плату) комп’ютера через єдиний загальний шлюз. Цей метод перевершує одноядерний процесор з точки зору загальної продуктивності.

Переваги багатоядерного процесора

Багатоядерні процесори мають ряд переваг (плюсів), серед яких:

Продуктивність

Багатоядерний ЦП за своєю природою може виконувати більше роботи порівняно з одноядерним процесором. Відстань між ядрами інтегральної схеми забезпечує більш високу тактову частоту. Як наслідок, сигналам не потрібно долати велику відстань, щоб досягти мети, і вони також є стійкими. У порівнянні з використанням окремого процесора, швидкість набагато вища.

Надійність

У багатоядерних процесорах програмне забезпечення завжди призначається різним ядрам. Коли одна частина програмного забезпечення виходить з ладу, інші залишаються незмінними. Щоразу, коли виникає дефект, він впливає лише на одне ядро. Як наслідок, багатоядерні процесори краще протистоять несправностям.

Взаємодії програмного забезпечення

Навіть якщо програмне забезпечення працює на кількох ядрах, воно буде спілкуватися одне з одним. Просторова і часова ізоляція — це процес, який проходить багатоядерний процесор. Основні потоки ніколи не затримуються в результаті цих процесів.

Багатозадачність

Операційна система може використовувати багатоядерний процесор для запуску двох або більше процесів одночасно, навіть якщо багато програм можуть виконуватися одночасно. Додаток Photoshop, наприклад, можна використовувати для виконання двох завдань одночасно.

тестування та види програмного забезпечення

Споживання енергії

З іншого боку, багатозадачність із багатоядерним ЦП потребує менше енергії. Використовуватиметься лише та частина ЦП, яка виділяє тепло. Споживання енергії зрештою мінімізується, що призводить до меншого використання акумулятора. Деякі операційні системи, навпаки, потребують більше ресурсів порівняно з іншими.

Уникнення морального старіння

Архітектори можуть уникнути старіння технологій і підвищити ремонтопридатність, використовуючи багатоядерні ЦП. Виробники мікросхем використовують найновіші технологічні досягнення у своїх багатоядерних процесорах. Одноядерні чіпи стає все важче знайти, оскільки кількість ядер збільшується.

Ізоляція

Багатоядерні процесори можуть збільшити (але не гарантувати) географічну та часову ізоляцію порівняно з одноядерними системами. Програмне забезпечення на одному ядрі з меншою ймовірністю вплине на програмне забезпечення на іншому, якщо обидва ядра працюють на одному і тому ж одному ядрі. Це роз’єднання відбувається через географічну та часову ізоляцію (потоки на одному ядрі не затримуються потоками на іншому ядрі). Завдяки обмеженню впливу помилок на одне ядро ​​багатоядерна обробка може підвищити надійність. Під час окремого виконання програм зі змішаною критичністю ця покращена ізоляція є дуже важливою (важлива для безпеки, критична для місії та критична для безпеки).

Деякі інші ключові моменти переваг багатоядерного процесора:

• У порівнянні з одноядерними процесорами, багатоядерний процесор має потенціал для виконання більшої кількості завдань.
• Низьке споживання енергії при виконанні багатьох дій одночасно.
• Дані займають менше часу, щоб досягти місця призначення, оскільки обидва ядра інтегровані в один чіп.
• З використанням малого контуру швидкість можна збільшити.
• Виявлення заражень за допомогою антивірусного програмного забезпечення під час гри є прикладом багатозадачності.
• З використанням низької частоти він може виконувати багато завдань одночасно.
• У порівнянні з одноядерним процесором він здатний обробляти великі обсяги даних.

Недоліки багатоядерних процесорів

Ми розглянемо деякі обмеження (недоліки) багатоядерного процесора, зокрема:

Швидкість застосування

Незважаючи на те, що багатоядерний процесор розрахований на багатозадачність, його продуктивність недостатня. Він має тенденцію відскакувати від одного ядра до наступного кожного разу, коли програма обробляється. В результаті кеш заповнюється, збільшуючи його швидкість.

джиттер

Більше перешкод розвивається зі збільшенням кількості ядер у багатоядерному ЦП, що призводить до надмірного тремтіння. Як наслідок, продуктивність програми вашої операційної системи може погіршитися, і можуть виникати часті збої. Тільки за допомогою відповідної синхронізації та мікроядра користувач зможе впоратися з джиттером.

Аналіз

Коли ви робите дві чи більше справ одночасно, вам доведеться використовувати додаткові моделі пам’яті. У багатоядерній машині це ускладнює аналіз. Зокрема, важко визначити часові обмеження, і вони можуть бути неточними.

Крім того, аналіз перешкод стає складнішим із збільшенням кількості ядер. Отже, операційна система не зможе забезпечити обіцяні результати.

фрагмент масиву Java

Спільне використання ресурсів

Багатоядерний процесор спільно використовує різні ресурси, як внутрішні, так і зовнішні. Серед цих ресурсів – мережі, системні шини та основна пам’ять. Отже, будь-яка програма, що працює на тому самому ядрі, матиме більший шанс бути перерваною. У цій формі втручання може відбуватися як географічна, так і часова ізоляція.

Програмне втручання

Через спільне використання ресурсів програмне втручання може спричинити проблеми з просторовою та часовою ізоляцією. При наявності додаткових ядер цей шанс ще більше зростає. Наявність більшої кількості ядер передбачає більшу кількість маршрутів перешкод. Майже неможливо вивчити всі можливі шляхи перешкод.

Деякі інші ключові моменти обмежень багатоядерного процесора:

• Хоча він містить кілька процесорів, він не вдвічі швидший за простий процесор.
• Завдання керування складнішим порівняно з керуванням одноядерним процесором.
• Продуктивність багатоядерного процесора повністю залежить від завдань, які виконують користувачі.
• Якщо інші процесори потребують лінійної/послідовної обробки, багатоядерні процесори займають більше часу.
• Батарея розряджається швидше.
• Його енергоспоживання настільки високе в порівнянні з більш простим процесором.
• Крім того, у порівнянні з одноядерним процесором він дорожчий.

Чому використовується багатоядерний процесор?

Конфігурація схожа на двоядерний процесор. Багатоядерні процесори класифікуються за кількістю ядер і типом ядер. Мета багатоядерного ЦП – отримати високу продуктивність. Його розроблено, щоб подолати фізичні обмеження одноядерного ЦП.

Операційні системи, що підтримують багатоядерний процесор, включають:

• Linux
• Microsoft Windows (Windows XP або вище)
• Більшість систем на основі BSD
• Соляріс
• Mac OS X

Коротка історія багатоядерних процесорів

Оскільки компанії, які створили початкові процесори на основі мікросхем, могли розмістити лише один процесор на одному чіпі, вони могли встановити лише один процесор на одному чіпі. Виробники мікросхем змогли створювати чіпи з більшою кількістю схем у міру розвитку технології виготовлення мікросхем, і, нарешті, виробники мікросхем змогли виготовляти мікросхеми з кількома процесорами, що призвело до появи багатоядерного чіпа.

У 1998 році Кунле Олукотун, професор електротехніки Стенфордського університету, та його учні винайшли перший багатоядерний процесор. Багатоядерні мікросхеми були вперше комерційно доступні в 2005 році від Advanced Micro Devices (AMD) і Intel. З тих пір майже кожен виробник мікросхем почав створювати багатоядерні процесори.

Де використовуються багатоядерні процесори?

У наш час багатоядерні процесори є в більшості пристроїв, таких як планшети, настільні комп’ютери, ноутбуки, смартфони та ігрові системи.

Надані два основні варіанти демонструють, як модель процесора не розповідає всю історію про продуктивність. У порівнянні з двоядерним процесором i5 продуктивність чотирьохядерного процесора i5 значно краща, і ціна комп’ютера відображатиме це. Усі поточні моделі ноутбуків для моделі i5 є двоядерними, тоді як на момент написання цієї статті всі моделі настільних ПК є чотирьохядерними. Оскільки версії для ноутбуків є двоядерними, а не чотирьохядерними, i5 у ноутбуці матиме нижчу продуктивність, ніж i5 на настільному комп’ютері. Двоядерний тип краще підходить для портативних ноутбуків, які потребують довшого терміну служби батареї та споживають менше енергії, але настільний процесор використовує ЦП, який споживає більше енергії, наприклад чотириядерна модель, оскільки вона не потребує автономної роботи. Деякі застосування багатоядерного процесора:

• Ігри з високою графікою, такі як Overwatch і Star Wars Battlefront, а також 3D-ігри.
• Багатоядерний процесор більше підходить для Adobe Premiere, Adobe Photoshop, iMovie та інших програм для редагування відео.
• Solidworks із системами автоматизованого проектування (САПР).
• Високий мережевий трафік і сервери баз даних.
• Промислові роботи, наприклад, є вбудованими системами.