Ядро процессора: настройки ПО, Virtualbox, охлаждение

Ядра процессора и настройки вашего компьютера

В эпоху кремниевой электроники, когда производители микросхем в полной мере испытывают на себе последствия закона Мура, многие люди интересуются строением микропроцессоров. В частности, многие пользователи персонального компьютера интересуется внутренним строением процессора в их ПК.

Отдельный интерес для пользователя ПК представляет вопрос — что такое ядро процессора. Чтобы ответить на этот вопрос, мы подготовили познавательный материал о строении процессора и его ядре.

Ядро процессора и немного истории

Попытаемся ответить на главный вопрос, что такое процессорное ядро. Четкого определения для разного вида микропроцессоров у ядра нет. Наиболее распространенной моделью описания считается, что ядроэто основная часть микропроцессора, которая содержит блоки и модули на кремниевом кристалле и отвечает за выполнение различных машинных инструкций. То есть, грубо говоря, ядро или несколько ядер это и есть наш процессор.

Основоположниками строения ядра являются архитектура фон Неймана и Гарвардская. В наше время в основном используется архитектура фон Неймана. Благодаря совместному хранению и чтению команд и информации из памяти, архитектура фон Неймана получила широкое распространение.

На основе архитектуры фон Неймана созданы такие процессорные архитектуры, которые используются в наше время:

  • CISC;
  • RISC;
  • MISC;
  • VLIW.

Все вышеописанные архитектуры используются сейчас в производстве процессоров для персональных компьютеров, видеокарт, смартфонов и различной электроники, в которой используются микропроцессоры.

Виды современных процессоров

Наиболее популярные в наше время процессоры производятся на CISC и RISC архитектурах. На CISC создают свои процессорные ядра компании Intel и AMD. В микросхемах Intel и AMD используют модифицированную CISC архитектуру, которая имеет название x86. Следующей популярной архитектурой является ARM. Эта архитектура создана на базе RISC и используется в проектировании микросхем компанией ARM Limited.

Процессоры компаний Intel и AMD можно встретить практически в любом компьютере. Компания Intel выпускает процессоры для таких систем как:

  • Процессоры для настольных ПК;
  • Процессоры для мобильных ПК;
  • Серверные процессоры;
  • Компоненты встраиваемых решений.

На данный момент компания Intel имеет самый производительный процессор из всех выпущенных на рынке. Этот процессор предназначен для разъема материнской платы LGA2011-v3 и маркируется, как Intel® Core™ i7-5960X Processor Extreme Edition.

Процессор 8-ми ядерный и благодаря технологии Hyper-Threading, он способен работать в 16 потоков. По сути это 8-ми ядерный процессор, способный работать как 16-ти ядерный процессор. Этот процессор сможет справиться с любой задачей в ПК, но за такую производительность придется заплатить 1060 долларов за боксовый вариант.

На данный момент Intel освоила 14-нм техпроцесс и выпускает CPU с ядрами на микроархитектуре Skylake. Наиболее интересными четырех ядерными CPU микроархитектуры Skylake являются чипы шестого поколения Intel® Core™ i7, i5, i3, Pentium и Celeron. Наиболее популярными CPU шестого поколения являются:

  • Intel Core i7-6700K — четырех ядерный ЦПУ;
  • Intel Core i5-6600K — четырех ядерный ЦПУ;
  • Intel Core i3-6100 — двухъядерный ЦПУ.

Также чипы шестого поколения имеют достаточно производительное графическое ядро, которое может заменить множество дискретных видеокарт начального и среднего уровня.

Ознакомиться со всеми видами процессоров компании Intel можно на официальной странице http://ark.intel.com/ru.

Процессоры компании AMD также производятся для таких систем как:

  • Процессоры для настольных ПК;
  • Процессоры для ноутбуков;
  • Процессоры для серверов.

Наиболее интересными решениями компании AMD являются гибридные AMD А-серии и процессоры AMD FX, обладающие четырьмя ядрами и двумя ядрами на кристалле. Первые обладают высокой производительностью и имеют производительное графическое ядро, а также могут включать в себя четырех ядерные и двухъядерные процессоры

У вторых нет графического ядра, но они могут включать в себя 8-ми ядерные, четырех ядерные и двухъядерные процессоры, что существенно увеличивает производительность. Для своих микропроцессоров компания AMD использует 28-нм техпроцесс, что не дает компании наравне конкурировать с компанией Intel. Но благодаря развитию гибридных APU, ее 8-ми ядерные чипы прописались в современных игровых консолях Sony Playstation 4 и Xbox One.

Если говорить о современных процессорах ARM, то их нельзя встретить как CPU Intel и AMD в коробочных версиях, так как они распространяются в виде SoC-платформ для производителей планшетов, смартфонов, медиапроигрывателей, роутеров и другой различной электроники.

Взаимодействие многоядерных компьютеров со старыми программами

Бывают ситуации когда многоядерный компьютер на Windows не позволяет корректно запускать старые программы или игры. Чтобы решить данную проблему, мы подготовили пример с запуском старой игры на многоядерной системе.

Для примера мы взяли компьютер на базе четырех ядерного процессора Intel Core i7-6700K под управлением Windows 10. Игрой для запуска на Intel Core i7-6700K мы выбрали достаточно популярную игру 1998 года Fallout 2. Установив игру, запустите ее с ярлыка на Рабочем столе и сверните ее комбинацией Alt + Tab . После этого перейдите в «Диспетчер задач» и найдите процесс игры Fallout 2. Нажмите на него правой кнопкой мыши и выберите пункт «Подробно».

После этого мы перейдите на вкладку «Подробности» с процессом. Теперь нажмите правую кнопку мыши на процессе и переходите к пункту «Задать сходство».

Должно появиться такое окно.

В этом окне необходимо отключить все ядра и оставить только «ЦП 0» и нажать кнопку OK .

Также хочется отметить, что для этой игры необходимо выставить режим совместимости с Windows XP. Поставить режим совместимости с Windows XP можно на вкладке «Совместимость» в свойствах исполняемого файла. В нашем случае, исполняемым файлом является «fallout2.exe».

После этих действий можно перейти к окну Fallout 2. Все эти действия мы проделали для того, чтобы запустить игру Fallout 2 с одним ядром Intel Core i7-6700K, так как игра заточена под одноядерные процессоры, где многоядерность отрицательно влияет на ее работу.

Такую процедуру можно проделать с любой старой программой или игрой, которая заточена под одноядерные системы Windows.

Используем определенное количество ядер в виртуальной машине

Для примера, мы также будем использовать компьютер на базе четырех ядерного процессора Intel Core i7-6700K под управлением Windows 10. Создать виртуальную машину можно с помощью программы VirtualBox. Программа абсолютно бесплатна и загрузить ее можно с официального сайта www.virtualbox.org. Создадим виртуальную машину для Windows XP. Для этого запустите VirtualBox и нажмите кнопку Создать .

В появившемся окне выберите имя виртуальной машины, тип ОС и нажмите кнопку Next .

Теперь выберите количество ОЗУ и нажмите кнопку Next . После чего появится окно создания виртуального жесткого диска.

Создание жесткого диска — это последний этап и после него виртуальная машина будет готова. Теперь нам необходимо перейти к настройкам нашей виртуальной машины. Для этого нажмем кнопку «Настройки».

В меню настроек перейдем на вкладки «Система / Процессор».

Как видно из рисунка, для нашей виртуалки используются все активные ядра Intel Core i7-6700K. Чтобы виртуальная машина незначительно загружала основную систему, можно выбрать определенное количество ядер для ее работы.

Для нормальной работы виртуалки Windows XP вполне хватит трех ядер.

Такие манипуляции с ядрами в виртуальной машине можно производить в различных операционных системах, будь то Linux или Mac OS.

Охлаждение современных CPU

Если вы захотите повысить производительность системы за счет разгона ЦПУ, то штатная система охлаждения может не справиться с температурой ядра. Чтобы решить проблему с температурой ЦПУ и не допустить перегрева ядер при его разгоне, необходимо воспользоваться системами охлаждения температуры от сторонних производителей. Самыми лучшими производителями кулеров, которые справятся с температурой любого разогнанного ЦПУ, являются:

  • Cooler Master;
  • DeepCool;
  • Noctua;
  • Thermalright;
  • Zalman.

Чтобы справиться с температурным охлаждением разогнанного Intel Core i7-6700K, эти компании предлагают такие кулеры:

  1. Zalman CNPS10X Performa;
  2. Noctua NH-D15;
  3. DeepCool GAMMAXX S40;
  4. Thermalright SilverArrow IB-E Extreme;
  5. Cooler Master TPC 812 PWM.

Их внешний вид можно увидеть на рисунке:

Рассмотренные кулеры могут справиться не только с температурным охлаждением Intel Core i7-6700K, но и другими ЦПУ для различных платформ. Используя кулеры от этих фирм, вы никогда не допустите температурного перегрева своего CPU.

В этом материале мы рассмотрели что такое ядро процессора, а также рассмотрели виды современных ЦПУ с различным числом ядер от 1-го до 8-ми и области их применения. Кроме этого, мы рассмотрели примеры использования многоядерных систем на базе процессора Intel Core i7-6700K, а также системы охлаждения температуры для него.

Как видно из рассматриваемых нами моделей можно встретить 8-ми ядерные процессоры. Из этого можно сделать вывод, что новые модели будут обладать еще большим количеством ядер. Возможно в будущем мы встретим 32-х или 64-х ядерные процессоры для персонального компьютера от компаний Intel и AMD.

Видео: как производят процессоры

Технологии многопоточности процессоров: принцип работы и сферы применения

Физические ядра, логические ядра, технологии многопоточности — все это разрабатывалось инженерами для увеличения производительности компьютерного железа, требования к которому постоянно растут. Программы и игры требуют все больше ресурсов. Как же производители процессоров увеличивают мощность своих детищ? Процессор является «сердцем» компьютера и выполняет вычисления, необходимые для работы софта. Модели CPU отличаются между собой даже в рамках одного семейства. Например, Intel Core i7 отличается от i5 технологией многопоточности под названием «Hyper-Threading», о которой далее пойдет речь (Core i3, i9, и некоторые Pentium также обладают данной технологией).

Принцип работы процессорных ядер и многопоточности

В современных операционных системах одновременно работает множество процессов.
Нагрузка от операционной системы на процессор идет по так называемому конвейеру, на который «выкладываются» нужные задачи для ядра. В качестве примера возьмем одно ядро процессора на частоте 4 ГГц с одним ALU (арифметико-логическое устройство) и одним FPU (математический сопроцеесор). Частота в 4 ГГц означает, что ядро исполняет 4 миллиарда тактов в секунду. К ядру по конвейеру поступают задачи, требующие исполнительной мощности, на которые тратится процессорное время.

Часто происходят случаи, когда для выполнения необходимой операции процессору приходится ждать данные из кеша более низкой скорости (L3 кеш), или же оперативной памяти. Данная ситуация называется кэш-промах. Это происходит, когда в кэше ядра не была найдена запрошенная информация и приходится обращаться к более медленной памяти. Также существуют и другие причины, заставляющие прерывать выполнение операции ядром, что негативно сказывается на производительности.

Данный конвейер можно представить, как настоящую сборочную линию на заводе — рабочий (ядро) выполняет работу, поступающую к нему на ленту. И если необходимо взять нужный инструмент, работник отходит, оставляя конвейер простаивать без работы. То есть, исполняемая задача прерывается. Инструментом, за которым пошел рабочий, в данном случае является информация из оперативной памяти или же L3 кэша. Поскольку L1 и L2 кэш намного быстрее, чем любая другая память в компьютере, работа с вычислениями теряет в скорости.

На конвейере с одним потоком не могут выполняться одновременно несколько процессов. Ядро постоянно прерывает выполнение одной операции для другой, более приоритетной. Если появятся две одинаково приоритетные задачи, одна из них обязательно будет остановлена, ведь ядро не сможет работать над ними одновременно. И чем больше поступает задач одновременно, тем больше прерываний происходит.

Способы увеличения производительности процессоров

Разгон

При увеличении частоты ядра повышается количество исполняемых операций за секунду. Казалось бы, с возрастанием производительности процессора проблемы должны исчезнуть. Но все не так просто, как хотелось бы думать. Прирост от увеличения частоты ЦП нелинейный. Множество процессов все еще делят одно ядро между собой и обращаются к памяти. Кроме того, не решается проблема с кэш-промахами и прерываниями операций, поскольку объем кэша от разгона не изменяется. Разгон — не самый лучший способ решения проблемы нехватки потоков. В пример можно привести всю ту же сборочную линию: рабочий увеличивает темп работы, но по-прежнему не умеет собирать два и более заказа одновременно.

Увеличение количества потоков на ядро

В процессорах Intel данная технология носит название Hyper-Threading, а в процессорах от Amd — SMT. Производители добавляют еще один регистр для работы со вторым конвейером. Пока один поток простаивает, ожидая нужные данные, свободная вычислительная мощность может быть использована вторым потоком. На кристалл же добавлен еще один контроллер прерываний и набор регистров.

Появляется возможность избавиться от последствий прерывания операций и сокращения времени простоя процессорной мощности. Благодаря чему ядро с двумя потоками выполняет больше работы за одинаковый отрезок времени, нежели в случае с однопотоком. На примере с рабочим: у конвейера появляется вторая сборочная линия, на которую выкладываются заказы. Пока производство на первой ленте простаивает в ожидании нужных инструментов, рабочий приступает к работе на второй ленте, сокращая время перерыва.

Стоит учитывать, что логический поток это не второе ядро, как может показаться с первого взгляда. Это лишь дополнительная «линия производства», чтобы более эффективно использовать доступную мощность. Из минусов технологии Hyper-Threading или SMT можно выделить увеличение тепловыделения, недостаток кэша (кэш на два потока по-прежнему общий), и проблемы с оптимизацией некоторых программ или игр, не способных отличать настоящее ядро от логического потока.

Именно по этой причине процессоры серии i7 «горячее» и имеют больше кэша по сравнению с i5. Использование технологии многопоточности может принести примерно до 30 % прироста производительности. Все это применимо как к Intel Hyper-Threading, так и к AMD SMT, поскольку технологии во многом схожи. Может возникнуть вопрос: «Если можно добавить второй поток, то почему бы не добавить третий и четвертый?» Это реализуемо, но не имеет смысла, поскольку кэш одного ядра достаточно мал для большего количества потоков и прироста производительности практически не будет.

Увеличение количества ядер

Это самый действенный способ решения проблемы, поскольку каждый конвейер теперь располагает своим FPU, ALU и кэшем, который не придется делить с другим потоком. Разные процессы используют разные ядра, из-за чего реже происходят кэш-промахи и конфликты приоритетных задач. Способ, разумеется, несет в себе некоторые издержки для производителей: дороговизна разработки и производства, увеличение тепловыделения и размера кристалла, и, как результат, повышается итоговая стоимость процессора.

Сферы применения многопоточных процессоров

С развитием компьютерных технологий перечень программ, использующих многопоточность, неуклонно растет. Это дает огромный простор разработчикам для создания нового софта и игр. Например, сейчас каждый современный triple-A проект оптимизирован для многопоточных процессоров, что позволяет наслаждаться игрой, получая высокий уровень fps на многоядерном CPU.

Еще больше распространены многоядерные системы в среде разработчиков. Программы для 3D-моделирования, монтажа видео и создания музыки требуют параллельного выполнения большого количества задач, с чем хорошо справляются системы с Hyper-Threading или SMT. В операционных системах мощность одного потока может тратиться на фоновые задачи (Skype, браузер, мессенджер), в то время как остальные задействуются для тяжелой игры или программы.

Но далеко не всегда увеличение количества потоков означает увеличение общей производительности. Почему же SMT процессоры порой уступают немногопоточным собратьям? Дело в программной поддержке. Иногда плохо оптимизированные программы не могут отличать логический поток от настоящего ядра, из-за чего на одно ядро может попасть две тяжелых задачи и замедлить работу. Тем не менее, подобные технологии имеют огромный потенциал, главное — грамотно реализовать его на программном уровне.

http://ustanovkaos.ru/zhelezo/yadro-processora.html
http://club.dns-shop.ru/blog/t-100-protsessoryi/30066-tehnologii-mnogopotochnosti-protsessorov-printsip-rabotyi-i-sferyi-p/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *