Mis on mitmetuumaline protsessor? Definitsioon ja tööpõhimõte
Mis on mitmetuumaline protsessor? Selge definitsioon ja tööpõhimõte: kuidas tuumad töötavad paralleelselt, miks see kiirendab ja milline protsessor sobib sinu kasutusele.
Mitme tuumaga protsessor on arvutiprotsessor, millel on kaks või enam sektsiooni ehk tuuma. Kiibi iga sektsioon täidab käske nii, nagu oleks tegemist eraldi arvutiga — praktilises plaanis tähendab see, et sama kiip suudab samal ajal töödelda mitut ülesannet paralleelselt. Tegelikud protsessorid on endiselt ühel kiibil ja sellel kiibil näeb iga tuum enamasti välja nagu eraldi mikroprotsessor. Need on mitu enamasti sõltumatut tuuma, mis töötavad paralleelselt koos. Kahe tuumaga protsessor on mitme tuumaga protsessor, millel on kaks sõltumatut mikroprotsessorit. Neljatuumaline protsessor on samamoodi mitme tuumaga protsessor, millel on neli sõltumatut mikroprotsessorit. Protsessori nimi (nt kahe-, nelja- või kaheksa-tuumaline) põhinebki kiibil oleva mikroprotsessorite arvu pool.
Kuidas mitmetuumaline protsessor töötab?
Iga tuum sisaldab tavaliselt oma aritmeetika-loogikaühikut (ALU), juhtloogikat ja mõnikord ka eraldi vahemälu (L1, L2). Mitme tuuma puhul võivad tuumad jagada suuremat taseme vahemälu (nt L3) ning ühiseid süsteemibusse ja mäluühendusi. Operatsioonisüsteemi tööjaotus (scheduling) määrab, millised protsessid või lõimed (threads) saadetakse millisele tuumale, et saavutada paralleelne töötlus.
Eelised
- Suurem jõudlus paralleelsete ülesannete korral: mitmetuumaline kiip parandab jõudlust, kui tarkvara suudab töid paralleelselt käivitada (nt mitme veebilehe samaaegne teenindamine, videomonteerimine, multitegumtöötlus).
- Tõhusam energiatõhusus: mitu tuuma võivad saavutada sama läbitöötluse väiksemate taktsageduste juures võrreldes ühe väga kiire tuumaga, vähendades kuumenemist ja voolutarvet.
- Suurem töökindlus ja paindlikkus: kui üks tuum koormuse alla läheb, saavad muud tuumad endiselt tööd jätkata.
Piirangud ja tähelepanekud
- Paralleelsuse piirid: kõik tarkvara ei ole automaatselt paralleelne. Mõned algoritmid ja programmid ei saa kasu mitmest tuumast ilma spetsiaalse paralleelse programmeerimise või mitmelõimelisuse toe olemasoluta.
- Kommunikatsioonikulud: tuumade vahel andmete jagamine (nt ühine vahemälu või põhimälu) lisab sünkroniseerimise ja latentsuse kulusid, mis võivad piirata lineaarset jõudluse kasvu tuumade arvu kasvades.
- Kuumenemine ja jahutus: rohkem tuumasid võib suurendada soojuseralduse vajadust, mis nõuab paremat jahutust või madalamat taktsagedust suure koormuse korral.
Tuumad vs lõimed (cores vs threads)
Tuum (core) on füüsiline töötlemisseade kiibil. Lõim (thread) on programmiline tööühik, mida operatsioonisüsteem ajastab tuumadele. Mõned protsessorid toetavad mitmelõimelisust (hyper-threading), kus iga füüsiline tuum näib opsüsteemile kui kaks või enam loogilist lõime — see võib parandada protsessori kasutust teatud töökoormuste juures, kuid ei kahekordista alati jõudlust nagu täiendav füüsiline tuum.
Kus mitmetuumalistest protsessoritest kasu on?
- Serverid ja pilveteenused — mitmeserverine paralleelne töötlemine mitme samaaegse ühenduse teenindamiseks.
- Multimeedia — video- ja helitöötlus, renderdamine, kus töö saab jaotada paljudeks alamülesanneteks.
- Tarkvaraarendus ja simulatsioonid — mitmetuumaline käitamine kiirendab kompileerimist ja keerukate simulatsioonide läbiviimist.
- Igapäevane mitme rakenduse samaaegne kasutamine — veebilehitsejad, taustprotsessid, virtualiseerimine.
Kuidas valida õiget tuumade arvu?
Valik sõltub eelkõige sinu vajadustest: ühetuumalised/raskelt jadalised rakendused võivad eelistada kiiret ühe tuuma taktsagedust, samas mitme rakenduse ja paralleelse töö korral annab rohkem tuumasid tihti parema üldjõudluse. Mõtle ka energiatõhususele, soojushaldamisele ja tarkvara toe olemasolule (kas kasutatavad programmid toetavad mitmelõimelisust?).
Lõpetuseks: mitmetuumaline disain on tänapäeva töötlemise standard — sellest sõltub suur osa nii tavalistest lauaarvutitest kui ka mobiiltelefonidest, serveritest ja sisseintegreeritud süsteemidest. Mitme tuuma olemasolu ei taga automaatselt paremat jõudlust, kuid õigetes tingimustes ja vastava tarkvaratoega võimaldab see oluliselt paremat paralleelset töötlust.
Ajalugu
Kuni 2005. aastani olid ühetuumalised protsessorid suuremad kui mitmetuumalised protsessorid.[] Varasematel aastatel kasutati ainult üksikjuhtudel mitme tuumaga lahendusi. Tavaline viis arvuti kiiremaks muutmiseks oli taktsageduse suurendamine. Kuid umbes 4 GHz sagedusel muutus protsessor liiga kuumaks ja võttis palju elektrit. See oli see punkt, kui mitme tuumaga protsessorid muutusid olulisemaks. Seetõttu kasvas nõudlus mitmetuumaliste protsessorite järele. 2006. aasta teisel poolel olid parimad protsessorid kahetuumalised protsessorid. Alates 2006. aastast on areng jätkunud, uued protsessorid saavad neli või enam sõltumatut mikroprotsessorit. Tänapäeval ei kasutata uutes personaalarvutites ühe tuumaga protsessoreid, kuid need on endiselt populaarsed manussüsteemides.
Eelised
- Mitme tuumaga protsessori olemasolu arvutis tähendab, et see töötab teatavate programmide puhul kiiremini.
- Arvuti ei pruugi sisselülitamisel nii kuumaks minna.
- Arvuti vajab vähem energiat, sest ta võib mõned osad välja lülitada, kui neid ei ole vaja.
- Arvutile saab lisada rohkem funktsioone.
- Erinevate protsessorite vahelised signaalid läbivad lühemaid vahemaid, mistõttu need lagunevad vähem.
Puudused
- Nad ei tööta kaks korda suurema kiirusega kui tavaline protsessor. Nad saavad ainult 60-80% suurema kiiruse.
- Arvuti töökiirus sõltub sellest, mida kasutaja sellega teeb.
- Need maksavad rohkem kui ühetuumalised protsessorid.
- Neid on termiliselt raskem hallata kui väiksema tihedusega ühe tuumaga protsessoreid.
- Kõik operatsioonisüsteemid ei toeta rohkem kui ühte tuuma.
- Mitme tuumaga protsessorile kompileeritud operatsioonisüsteemid töötavad ühe tuumaga protsessoril veidi aeglasemalt.
Operatsioonisüsteemi tugi
Järgmised operatsioonisüsteemid toetavad mitme tuumaga protsessoreid
Järeldus
Järgmistel aastatel läheb trend üha enam mitmetuumaliste protsessorite poole. Peamine põhjus on see, et need on kiiremad kui üheruumilised protsessorid ja neid saab veel täiustada. Kuid ka tulevikus on veel mõned rakendused ühe tuumaga protsessoritele, sest mitte iga süsteem ei vaja kiiret protsessorit.
Otsige