Потоки и ядра в процессоре

Что такое ядро процессора

Ядро — базовый элемент центрального процессора (CPU). Оно выполняет вычисления, обрабатывает команды и управляет потоками данных. Каждое ядро — независимая вычислительная единица, способная работать параллельно с другими ядрами, выполняя различные задачи одновременно. Вот для чего нужны ядра процессора:

• Обработка команд. Ядро считывает и интерпретирует инструкции из оперативной памяти или кэша, преобразуя их в действия.
• Арифметические и логические операции. Это основа всех вычислений.
• Управление потоками данных. Ядро получает данные из оперативной памяти и передает результаты обратно.
• Взаимодействие с другими ядрами. В многоядерных процессорах ядра могут обмениваться данными через общую память и координировать выполнение задач. В многосокетных или многопроцессорных системах взаимодействие ядер выходит на новый уровень. Такие системы используют несколько физических процессоров, каждый из которых содержит свои ядра, что позволяет распределять задачи между ними. Для координации работы процессоров используется шина данных или специальные интерфейсы, обеспечивающие быструю передачу данных и согласованность памяти.

Почему одного ядра недостаточно

Одно ядро способно выполнять только одну задачу в каждый момент времени. Это означает, что многозадачность в одноядерной системе достигается только за счет быстрого переключения ядра между задачами. Это создает задержки, что особенно заметно при одновременной работе нескольких ресурсоемких приложений.

В ответ на растущие требования производители начали оснащать процессоры несколькими ядрами. Это позволило добиться значительного увеличения производительности без необходимости увеличивать тактовую частоту, которая ограничена физическими пределами — например, тепловыделением.

Зачем CPU много ядер

Многоядерные процессоры необходимы для выполнения самых разных задач, для которых важна производительность. Давайте рассмотрим эти задачи подробнее и выясним, почему именно многоядерные процессоры подходят для этого.

• Параллельная обработка данных. Каждое ядро может выполнять свою часть работы, что особенно полезно в задачах, где обработка может быть разделена на несколько потоков. Например, в видеомонтаже одно ядро может кодировать видео, другое — обрабатывать аудио, а третье — применять эффекты.
• Многозадачность. В современных операционных системах постоянно выполняются десятки процессов. Наличие нескольких ядер позволяет распределять их, что исключает задержки и зависания при работе пользователя.
• Игры и мультимедиа. Многие современные игры активно используют несколько ядер, чтобы игрок наслаждался графикой, физикой и работой искусственного интеллекта. Это позволяет достичь более высокой частоты кадров и плавности изображения.
• Энергопотребление. Многоядерные процессоры часто оказываются более энергоэффективными. Вместо одного ядра, работающего на высокой частоте и потребляющего много энергии, нагрузка распределяется между несколькими, работающими на более низких частотах и более экономно.
• Обработка больших данных. Задачи, связанные с анализом больших данных (ИИ, машинное обучение) требуют серьезных вычислительных ресурсов. Разделение задач на потоки и их выполнение на нескольких ядрах позволяет существенно сократить время обработки.
• Виртуализация. В серверах и облачных системах одно физическое ядро часто используется для работы нескольких виртуальных машин. Например, если вам нужен небольшой облачный сервер для запуска простого сайта, достаточно использовать 10% одного ядра. И здесь чем больше ядер, тем больше независимых сред можно обслуживать одновременно.

Ограничения многоядерности

Несмотря на все преимущества, количество ядер не всегда пропорционально увеличению производительности. Основные ограничения здесь заключаются в ПО и пропускной способности памяти. Так, не все приложения умеют эффективно использовать несколько ядер. И если программа не поддерживает многопоточность (ниже разберем, что это такое), дополнительные ядра остаются неиспользованными. Что касается памяти, то если несколько ядер одновременно обращаются к RAM, это становится узким местом системы, ограничивающим скорость работы ПК.

Что такое поток

Поток процессора — это минимальная единица исполнения программы, обрабатываемая ядром CPU. Вычислительные потоки позволяют ЦП выполнять несколько задач одновременно, оптимизируя загрузку его ресурсов. Каждый поток представляет собой последовательность команд, выполняемых ядром поочередно. В однопоточном процессоре каждое ядро обрабатывает только один поток данных. Однако в современных CPU широко используются технологии многопоточности, позволяющие одному ядру работать сразу с несколькими потоками.

Потоки позволяют ЦП эффективно использовать время простоя. Например, если одно ядро ожидает данные из оперативной памяти, оно может переключиться на выполнение другого потока. Также потоки обеспечивают плавную работу системы, когда одновременно выполняются несколько приложений. А программы, которые умеют разбивать задачи на потоки (например, 3D-рендеринг или научные приложения), могут работать на процессорах с поддержкой многопоточности гораздо быстрее.

Технологии многопоточности от Intel и AMD

Крупнейшие производители процессоров используют собственные технологии, улучшающие обработку потоков. Рассмотрим их подробнее.

Hyper-Threading от Intel

Суть Hyper-Threading заключается в том, чтобы эффективно использовать те ресурсы ядра, которые в обычной работе могут простаивать. Например, если одно виртуальное ядро ожидает данные из памяти, второе может использовать доступные вычислительные блоки для выполнения другой задачи.

К преимуществам Hyper-Threading отнесем повышение производительности в многозадачных сценариях или приложениях с многопоточной структурой и эффективное использование ресурсов. Дело в том, что HT позволяет загружать ядра равномерно. Однако сама производительность зависит от того, насколько хорошо программа оптимизирована для многопоточности.

Если говорить подробнее, Hyper-Threading реализуется за счет разделения ресурсов физического ядра между двумя потоками. Каждый поток имеет свой набор архитектурных состояний, включая регистры, стек и указатель инструкций, что позволяет им работать независимо на уровне логики. Однако ресурсы, такие как кэш, блоки выполнения (ALU, FPU) и порты памяти, остаются общими, что может вызывать конкуренцию между потоками в случае интенсивной нагрузки.

Технология HT наиболее эффективно проявляет себя в сценариях, где выполнение инструкций чередуется с ожиданием (например, из-за задержек доступа к памяти). Допустим, если один поток блокируется, ожидая данные из оперативной памяти, другой может продолжить выполнение, минимизируя простои процессора.

Однако Hyper-Threading не удваивает производительность физического ядра. Реальный прирост зависит от характера рабочей нагрузки и обычно составляет не более 30%. Кроме того, приложения, не оптимизированные для многопоточности, могут демонстрировать слабую или даже отрицательную динамику производительности при включении HT, так как потоки начинают конкурировать за ресурсы ядра.

Для оптимизации работы Hyper-Threading используются такие технологии, как предсказание ветвлений (Branch Prediction), сверхдлинные конвейеры инструкций (Super Pipelining) и интеллектуальное управление доступом к общим ресурсам, что позволяет минимизировать потери производительности при многопоточной обработке.

Добавим, что технология Hyper-Threading особенно эффективна в задачах с большим количеством потоков, таких как 3D-рендеринг, виртуализация, обработка видео и аудио.

Simultaneous Multithreading от AMD

Как и Hyper-Threading, SMT позволяет одному физическому ядру выполнять два (или больше) потока данных одновременно.

Главное отличие SMT от HT заключается в архитектурных особенностях процессоров AMD. SMT в CPU Ryzen более эффективно распределяет ресурсы ядра, что позволяет достичь высокой производительности даже при многозадачной нагрузке.

Из преимуществ SMT отметим прежде всего улучшенную параллелизацию: AMD оптимизировала SMT для работы с высокопроизводительными вычислениями и ресурсоемкими задачами. А еще SMT позволяет ядрам функционировать на оптимальной частоте, минимизируя энергозатраты.

Теперь чуть подробнее и об этой технологии. Simultaneous Multithreading в процессорах AMD реализована с упором на оптимизацию распределения ресурсов ядра, таких как вычислительные блоки (ALU, FPU), шины данных и кэши. В отличие от Hyper-Threading, SMT от AMD поддерживает более агрессивное управление потоками, что позволяет равномерно распределять нагрузку даже при ресурсоемких задачах.

Ключевая особенность SMT в архитектуре AMD Ryzen^TM заключается в использовании технологии Infinity Fabric, которая обеспечивает высокоскоростное взаимодействие между ядрами и кластерами ядер (CCX/CCD). Это снижает задержки при передаче данных и повышает согласованность работы потоков. Каждое физическое ядро с активированной SMT может обрабатывать два потока одновременно, причем отдельные компоненты ядра, такие как порты загрузки/выгрузки и буферы предвыборки инструкций, оптимизированы для совместного использования потоками. Такой подход минимизирует конфликты за общие ресурсы и обеспечивает более предсказуемую производительность при многозадачной работе.

Процессоры AMD Ryzen^TM с SMT демонстрируют особенно высокую эффективность в приложениях, оптимизированных для параллельных вычислений. Кроме того, за счет усовершенствованной работы с кэшем (например, кэшем L3 с увеличенной пропускной способностью) технология SMT от AMD помогает избежать узких мест в архитектуре ядра, обеспечивая стабильную производительность даже при пиковых нагрузках.

SMT активно используется в процессорах AMD Ryzen^TM и EPYC^TM, которые предназначены для современных компьютерных игр, профессиональных задач (моделирование, научные расчеты) и серверных решений с высокой нагрузкой.

Hyper-Threading или Simultaneous Multithreading

Хотя обе технологии служат на  увеличение многозадачности и производительности, реализованы они по-разному. В Intel сосредоточились на росте пропускной способности своих процессоров, в то время как в AMD уделили внимание более равномерному распределению задач между потоками. Выбор между Hyper-Threading и Simultaneous Multithreading зависит от конкретного процессора и задач, которые пользователь планирует выполнять.

Тем не менее, у обеих технологий есть и некоторые ограничения. Главное, как мы уже говорили выше, заключается в том, что ни HT, ни SMT не удваивают производительность. Дело в том, что физические ресурсы (ядра CPU) остаются неизменными, просто оптимизируется работа имеющихся ядер за счет более эффективного распределения потоков.

Виртуализация и логические ядра

Виртуализация — технология, позволяющая создавать на одном физическом сервере или компьютере несколько виртуальных машин (ВМ), каждая из которых работает как отдельное устройство. Для этого процессоры используют как физические, так и логические ядра.

То есть, допустим, у нас есть процессор с одним физическим ядром. Если оно поддерживает многопоточность, то благодаря HT или SMT мы можем разделить его на два (или больше) логических. Теперь одно физическое ядро может обрабатывать два потока данных и будет видимо операционной системой как два логических ядра.

В целом виртуализация работает именно так: мы берем имеющиеся физические ресурсы сервера и разделяем их на виртуальные машины. Логические ядра обеспечивают более эффективное использование физической мощности процессора, позволяя запускать больше ВМ на том же оборудовании. Таким образом, основные преимущества логических ядер в виртуализации включают:

• увеличение числа одновременно работающих ВМ;
• повышение производительности задач, которые зависят от многопоточности;
• экономия на оборудовании за счет более эффективного использования процессора.

Однако важно учитывать, что логические ядра делят ресурсы физического ядра, поэтому их использование не увеличивает производительность пропорционально.

В каких задачах хороша и плоха многопоточность

Когда многопоточность полезна

В первую очередь — при ресурсоемких вычислениях. Такие задачи, как рендеринг, машинное обучение, обработка видео, выигрывают от многопоточности, поскольку могут быть разбиты на несколько потоков.

Также значительную выгоду от многопоточности можно получить в случаях, когда необходима одновременная работа с большим количеством приложений. В этом случае многопоточность делает работу более плавной.

Наконец, немалые преимущества дает многопоточность в играх и при работе с мультимедиа. В частности, современные игры используют ее для обработки физики, графики и логики.

Когда многопоточность не эффективна

Здесь прежде всего стоит отметить программы с однопоточной структурой. Приложения, которые не умеют разбивать задачи на потоки, не получат выгоды от многопоточности.

Также не будет пользы от многопоточности при ограничениях ресурсов. Если система испытывает дефицит оперативной памяти или не слишком велика пропускная способность шины, многопоточность может приводить к задержкам.

А в завершение добавим, что синхронизация потоков может снижать общую производительность в некоторых задачах. Пример: приложение для аналитики, где все потоки записывают данные в одну таблицу. Когда потоки блокируют доступ друг другу, производительность системы снижается.

Как выбрать процессор для домашней системы

Основных критериев выбора CPU для домашнего и офисного ПК не так уж много. И прежде всего это количество ядер и потоков. Для повседневных задач (серфинг в интернете, офисные программы) более чем достаточно и четырех ядер. Если же вы играете в современные игры или работаете с видео, лучше выбрать процессоры с количеством ядер не менее восьми.

Другой важный критерий — тактовая частота. Высокая тактовая частота важна для игр и однопоточных приложений. Это особенно актуально при работе со старыми приложениями и при запуске старых игр, которые не поддерживают многопоточность. В этом случае тактовая частота процессора становится ключевым фактором для быстрой работы или игры.

Кроме того, важна и энергоэффективность. Прежде всего, этот показатель актуален для ноутбуков, поскольку чем ниже энергопотребление, тем дольше на устройстве можно работать автономно.

Ну а если вы не планируете покупать дискретную видеокарту, выбирайте процессоры с достаточно мощной встроенной графикой, такие как AMD Ryzen^TM с Radeon^TM или Intel^Ⓡ Core^TM с Iris^Ⓡ X^e. Однако учтите, что такое решение не подойдет для новых игр и генерации изображений. Поэтому, если хотите побегать в современном шутере на ультрах или сделать себе персональный генератор картинок на основе Stable Diffusion, без дискретной карты не обойдетесь.

Как выбрать серверный процессор по ядрам и потокам

Основные критерии здесь несколько иные. В первую очередь, это количество ядер. Для нормальной работы серверов, обрабатывающих множество потоков данных (например, веб-серверы, базы данных), требуется от 16 до 128, а то и до 192 ядер.

Также важна поддержка многопоточности. Стоит обратить внимание на CPU с поддержкой Hyper-Threading или SMT — это позволит вашему серверу обрабатывать больше запросов одновременно.

И еще один критерий, последний по списку, но не по значимости, — пропускная способность памяти. Чем больше ядер, тем важнее высокая скорость взаимодействия с оперативной памятью — следовательно, ее тоже должно быть много для эффективной работы.

Что предлагает Selectel

Если вам нужен мощный компьютер, придется серьезно потратиться. Например, относительно бюджетная сборка для современных игр обойдется примерно в 150 тысяч рублей. В эту стоимость входит процессор уровня i5-14400F, видеокарта наподобие RTX 4060 8GB, 16-32 ГБ оперативной памяти и SSD на 1-2 ТБ.

Однако учтите, что через пару лет вам, скорее всего, понадобится обновить GPU, да и оперативной памяти добавить не помешает. Попробуйте, например, комфортно поиграть на такой конфигурации в какой-нибудь Cities: Skylines 2 прямо сейчас. То же самое актуально для работы с видео, графикой или сложными расчетами.

Вот основные преимущества использования инфраструктуры Selectel:

• Готовые решения. Мы всегда подберем серверы с оптимальным количеством ядер для ваших задач, будь то виртуализация, базы данных или веб-приложения.
• Масштабируемость. Вы сможете увеличивать ресурсы под растущие нагрузки без необходимости покупать новое оборудование.
• Эффективное управление. Использование технологий многопоточности позволяет довести производительность наших серверов до максимума, поэтому во многих случаях удается добиться увеличения эффективности без дополнительных трат.
• Техническая поддержка. Наша команда экспертов всегда поможет настроить сервер и оптимизировать его работу.