Budowa i zasada działania Procesora Wielordzeniowego.
Procesor:
urządzenie cyfrowe sekwencyjne, które pobiera dane z pamięci, interpretuje je i wykonuje jako rozkazy. Wykonuje on ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora.
Budowa Procesora:
W funkcjonalnej strukturze procesora można wyróżnić takie elementy, jak:
zespół rejestrów do przechowywania danych i wyników, rejestry mogą być ogólnego przeznaczenia lub mają specjalne przeznaczenie,
jednostkę arytmetyczną (arytmometr) do wykonywania operacji obliczeniowych na danych,
układ sterujący przebiegiem wykonywania programu, inne układy, w które producent wyposaża procesor w celu usprawnienia jego pracy.
Od czego zależy wydajność procesora:
Jeszcze kilka lat temu o wydajności procesora świadczyła głównie częstotliwość jego taktowania. Tak było na przykład w procesorach Pentium 4 firmy Intel. Niestety, takie rozwiązanie zaczęło prowadzić do ślepego zaułka - wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania zwiększał się pobór energii oraz ilość wydzielanego przez procesor ciepła. Aby zapobiec przegrzaniu najbardziej wydajnych układów, nie wystarczały zwykłe wentylatory i radiatory, niezbędne stały się specjalne, rozbudowane układy chłodzące. Rozwiązaniem okazała się całkiem inna architektura procesorów Intel Core, w której zamiast na prędkość magistrali nacisk położono na zwiększenie ilości pamięci podręcznej (cache) oraz liczby rdzeni. Odpowiedzią firmy AMD na wielordzeniowe układy Intela (Core 2 Duo, Core 2 Quad) były procesory z serii Athlon X2 oraz czterordzeniowe Phenomy. W chwili obecnej wydajność procesora zależy więc od:
architektury procesora (procesory AMD i Intela oraz poszczególne serie różnią się od siebie budową i zestawem obsługiwanych instrukcji podstawowych),
częstotliwości taktowania (im wyższa, tym procesor szybszy),
ilości pamięci podręcznej (im więcej, tym układ wydajniejszy), liczby rdzeni (im więcej, tym teoretyczna szybkość procesora większa).
Wielordzeniowość i procesory pomocnicze:
Współcześnie większość procesorów posiada wielordzeniową budowę. Modelem który zapoczątkował ten trend był Intel Pentium D. Prawdziwym przebojem stał się dopiero Intel Core 2 Duo zbudowany na bazie architektury Conroe (65 nm). Najszybsze dziś modele posiadają rdzeń taktowany zegarem 3,33 GHz (C2D E8600). Wymieniony procesor oparto o najnowocześniejszą architekturę Penryn wykonanym w procesie technologicznym 45 nm (tj. odległość między tranzystorami wynosi 45 nanometrów).
Największy konkurent Intela, czyli AMD, wypuścił własny model procesora dwurdzeniowego o nazwie Athlon 64 X2. Jednak potrafi on konkurować z przeciwnikiem jedynie w niższym segmencie cenowym. Obie firmy mają w ofercie także modele czterodzeniowe (Quad Intela i Phenom AMD). Obecnie Intel prowadzi testy procesora 8-rdzeniowego.
Komputer oprócz procesora głównego (CPU) posiada procesory pomocnicze: obrazu (GPU), dźwięku, koprocesory arytmetyczne.
Stare pomysły na wiele rdzeni
Procesory składające się z wielu rdzeni to nie nowość ostatnich lat. Już dawno temu producenci procesorów zauważyli, że wielordzeniowość zwiększa wydajność obliczeniową układu, pozwalając na jednoczesne przeprowadzanie wielu obliczeń. Jednak ze względu na możliwości konstrukcyjne i koszty systemy wielordzeniowe realizowane były głównie w postaci zestawu komputerów z procesorami jednordzeniowymi, połączonych ze sobą szybką siecią wymiany danych. Ich zastosowaniem były głównie serwery w centrach naukowych i obliczeniowych, w których niezbędna jest duża moc obliczeniowa.
W sprzedaży pojawiały się także płyty główne pozwalające na montaż kilku (na przykład dwóch) procesorów, jednak ceny płyt i pasujących do nich procesorów przekraczały zazwyczaj możliwości domowych użytkowników. Kilka lat temu na ciekawy pomysł wpadła firma Intel. W niektórych procesorach Pentium 4 zwiększono wydajność układów poprzez zastosowanie technologii HT (Hyper-Threading, czyli hiperwątkowość). Polegała ona na tym, że dwa niezależne wątki (ciągi instrukcji wykonywane przez aplikację) mogły korzystać z procesora w tym samym czasie, sprawiając wrażenie wykonania równoległego. Procesor wykorzystujący HT widziany był w systemie operacyjnym jako dwa procesory logiczne. Technologia HT zwiększała wydajność procesora prawie o 20 procent. Niestety, produkcja procesorów z Hyper-Threading była bardzo skomplikowana i droga.
Budowa procesora wielordzeniowego
Zewnętrznie procesor wielordzeniowy nie różni się niczym od swojego odpowiednika z jednym rdzeniem. Cała różnica kryje się na płytce krzemowej z układem. Na przykład procesor Intel Core 2 Duo składa się z dwóch rdzeni oraz pamięci podręcznej (cache). Od wierzchu procesor przykrywa metalowe wieczko , które oprócz ochrony delikatnych struktur krzemowych ma ułatwiać odprowadzanie ciepła z procesora do układu chłodzącego (radiatora z wentylatorem).
System vs wielordzeniowość
Dostępne obecnie w sprzedaży systemy operacyjne firmy Microsoft (Windows XP, Vista) bez problemu wykorzystują procesory wielordzeniowe. Także systemy Linux radzą sobie z obsługą układów o więcej niż jednym rdzeniu. O ile systemy operacyjne pozwalają na wykorzystanie wielu rdzeni procesora, o tyle cały czas większość aplikacji korzysta jedynie z jednego jądra procesora. Tylko najnowsze, specjalistyczne oprogramowanie potrafi wykorzystać moc kilku rdzeni. Niestety, znacznie mniejsze zyski z wielordzeniowości mają miłośnicy gier komputerowych. Tutaj dużo bardziej niż liczba rdzeni i częstotliwość procesora liczy się wydajność zamontowanej karty graficznej.
Czas testów i podsumowania:
Wiemy jak jest zbudowany procesor wielordzeniowy, wiemy jak działa i wiemy że nie każda aplikacja potrafi wykorzystać jego potencjał.
Czas sprawdzić do jakiego typu zadań warto zainwestować w procesor wielordzeniowy.
W tej kategorii w wypadku procesorów firmy AMD różnica wydajności pomiędzy poszczególnymi układami jest niewielka. Czas kodowania 10-minutowego materiału wideo do formatu Blu-ray Full HD (program TMPGEnc 4.0 Xpress) wynosi około godziny, bez względu jaki procesor został użyty. Zupełnie inaczej jest w wypadku procesorów Intela. Wyraźnie widać przyrost tempa kodowania filmu przy zastosowaniu procesora czterordzeniowego.
Test renderingu przeprowadzono za pomocą programu CINEBENCH. Jest to aplikacja sprawdzająca szybkość działania komputerów pod względem współpracy z profesjonalnym programem do renderingu i tworzenia animacji CINEMA 4D.
Na podstawie uzyskanych wyników widać wyraźnie, że CINEBENCH, a więc i CINEMA 4D, dobrze wykorzystuje wielordzeniowość procesorów. Dodanie kolejnych dwóch rdzeni przyspiesza obliczanie testowej sceny prawie o 100 procent. Nieco inaczej jest w wypadku programu Photoshop CS4. Czas trwania testu polegającego na wykonaniu szeregu akcji wykorzystujących różne filtry, zmiany wielkości obrazu i przestrzeni barwowej w niewielkim stopniu zależy od liczby rdzeni procesora. Widać więc, że w praktyce program nie korzysta z wielordzeniowości w takim stopniu, jak zapewnia producent.
Test wykorzystania procesorów w obliczeniach matematycznych przeprowadzono w programie Geek-Bench. Wydajność zarówno operacji zmienno- jak i stałoprzecinkowych wzrasta wraz z liczbą dodatkowych rdzeni. Jeśli więc komputer ma służyć do obliczeń matematycznych, zysk z każdego dodatkowego rdzenia będzie znaczny. Warto zauważyć, że przyrost wydajności obliczeniowej jest podobny w procesorach Intel i AMD. Jednak dodanie dwóch kolejnych rdzeni nie zwiększa wydajności dwukrotnie, a jedynie o mniej więcej 50 procent.