Давно канули в лету времена, когда можно было услышать от друга: «Ого, у тебя двухъядерный процессор?!». Количество ядер современных процессоров увеличивается с феноменальной скоростью. Уже можно купить за небольшие деньги и двух -, и трёх -, и четырёхъядерный процессор. Немного увеличив бюджет, можно легко купить шестиядерный или восьмиядерный процессор. Но лидирующие позиции всё равно занимают более привычные двухъядерные и четырёхъядерные процессоры. Тут при покупке возникает вопрос: какой выбрать – с двумя или же с четырьмя ядрами? На первый взгляд, ответ очевиден – где ядер больше, тот и мощнее. Но здесь всё не так просто.
Безусловно, количество ядер должно увеличивать скорость работы. Но часто бывает так, что программа или операционная система просто не способны использовать все возможности четырёхъядерного процессора. Так же четырёхъядерный процессор может оказаться абсолютно бесполезным, если у Вас, например, мало оперативной памяти, медленный жёсткий диск или не очень хорошая материнская плата. Тогда толку от двух дополнительных ядер не будет – они будут попросту простаивать.
Также всё зависит от того, для каких целей Вы используете компьютер. Если Вы просто печатаете тексты, слушаете музыку, смотрите фильмы, играете в игры, не требующие особой мощности компьютера, или время от времени заходите в интернет проверить почту — больше двух ядер Вам и не нужно. Двухъядерный процессор отлично подойдёт и для офисного компьютера. Если же Вы, например, заядлый геймер, любящий мощные игры – то Вам стоит купить четырехъядерный. Однако, не забудьте про вышесказанное: играть с маломощной видеокартой или маленькой оперативной памятью, используя четыре ядра – деньги на ветер, так как эти ядра ничем не помогут Вам.
И ещё кое-что. Многие до сих пор полагают, что, если ядер в два раза больше, то и процессор будет работать в два раза быстрее. Это ошибочное мнение, так как прирост скорости будет меньше. Также четырёхъядерный процессор потребляет больше электроэнергии, соответственно, больше греется, а, значит, нужен более мощный кулер, от чего может увеличиться шумность компьютера. Хотя это, конечно, не так уж и важно.
Конечно, в наше время покупка двухъядерного процессора может стать недальновидным действием, так как, зачастую, добавив немного денег, можно взять и четырёх ядерный. Четыре ядра – покупка с запасом на будущее, так как не исключено, что двухъядерные процессоры через несколько лет выйдут из использования. А на данном этапе точный ответ дать нельзя – всё зависит от предназначения Вашего компьютера. В общем, выбор, как всегда, за пользователем.
Первые компьютерные процессоры с несколькими ядрами появились на потребительском рынке ещё в середине двухтысячных, но множество пользователей до сих пор не совсем понимает — что это такое, многоядерные процессоры, и как разобраться в их характеристиках.
Видео-формат статьи «Вся правда о многоядерных процессорах»
Простое объяснение вопроса «что такое процессор»
Микропроцессор — одно из главных устройств в компьютере. Это сухое официальное название чаще сокращают до просто «процессор») . Процессор — микросхема, по площади сравнимая со спичечным коробком. Если угодно, процессор — это как мотор в автомобиле. Важнейшая часть, но совсем не единственная. Есть у машины ещё и колёса, и кузов, и проигрыватель с фарами. Но именно процессор (как и мотор автомобиля) определяет мощность «машины».
Многие называют процессором системный блок — «ящик», внутри которого находятся все компоненты ПК, но это в корне неверно. Системный блок — это корпус компьютера вместе со всеми составляющими частями — жёстким диском, оперативной памятью и многими другими деталями.
Размер процессора по сравнению с монеткой. Есть процессоры и крупнее, есть и гораздо мельче.
Функция процессора — вычисления. Не столь важно, какие именно. Дело в том, что вся работа компьютера завязана исключительно на арифметических вычислениях. Сложение, умножение, вычитание и прочая алгебра — этим всем занимается микросхема под названием «процессор». А результаты таких вычислений выводятся на экран в виде игры, вордовского файла или просто рабочего стола.
Главная часть компьютера, которая занимается вычислениями — вот, что такое процессор.
Что такое процессорное ядро и многоядерность
Испокон процессорных «веков» эти микросхемы были одноядерными. Ядро — это, фактически, сам процессор. Его основная и главная часть. Есть у процессоров и другие части — скажем, «ножки»-контакты, микроскопическая «электропроводка» — но именно тот блок, который отвечает за вычисления, называется ядром процессора. Когда процессоры стали совсем небольшими, то инженеры решили совместить внутри одного процессорного «корпуса» сразу несколько ядер.
Если представить процессор в виде квартиры, то ядро — это крупная комната в такой квартире. Однокомнатная квартира — это одно процессорное ядро (крупная комната-зал), кухня, санузел, коридор… Двухкомнатная квартира — это уже как два процессорных ядра вместе с прочими комнатами. Бывают и трёх-, и четырёх, и даже 12-комнатные квартиры. Также и в случае с процессорами: внутри одного кристалла-«квартиры» может быть несколько ядер-«комнат».
Многоядерность — это разделение одного процессора на несколько одинаковых функциональных блоков. Количество блоков — это число ядер внутри одного процессора.
Разновидности многоядерных процессоров
Бытует заблуждение: «чем больше ядер у процессора — тем лучше». Именно так стараются представить дело маркетологи, которым платят за создание такого рода заблуждений. Их задача — продавать дешёвые процессоры, притом — подороже и в огромных количествах. Но на самом деле количество ядер — далеко не главная характеристика процессоров.
Вернёмся к аналогии процессоров и квартир. Двухкомнатная квартира дороже, удобнее и престижнее однокомнатной. Но только если эти квартиры находятся в одном районе, оборудованы одинаково, да и ремонт у них схожий. Существуют слабенькие четырёхядерные (а то и 6-ядерные) процессоры, которые значительно слабее двухядерных. Но поверить в это сложно: ещё бы, магия крупных чисел 4 или 6 против «какой-то» двойки. Однако именно так и бывает весьма и весьма часто. Вроде как та же четырёхкомнатная квартира, но в убитом состоянии, без ремонта, в совершенно отдалённом районе — да ещё и по цене шикарной «двушки» в самом центре.
Сколько бывает ядер внутри процессора?
Для персональных компьютеров и ноутбуков одноядерные процессоры толком не выпускаются уже несколько лет, а встретить их в продаже — большая редкость. Число ядер начинается с двух. Четыре ядра — как правило, это более дорогие процессоры, но отдача от них присутствует. Существуют также 6-ядерные процессоры, невероятно дорогие и гораздо менее полезные в практическом плане. Мало какие задачи способны получить прирост производительности на этих монструозных кристаллах.
Был эксперимент компании AMD создавать и 3-ядерные процессоры, но это уже в прошлом. Получилось весьма неплохо, однако их время прошло.
Кстати, компания AMD также производит многоядерные процессоры, но, как правило, они ощутимо слабее конкурентов от Intel. Правда, и цена у них значительно ниже. Просто следует знать, что 4 ядра от AMD почти всегда окажутся заметно слабее, чем те же 4 ядра производства Intel.
Теперь вы знаете, что у процессоров бывает 1, 2, 3, 4, 6 и 12 ядер. Одноядерные и 12-ядерные процессоры — большая редкость. Трёхядерные процессоры — дело прошлого. Шестиядерные процессоры либо очень дороги (Intel), либо не такие уж сильные (AMD), чтобы переплачивать за число. 2 и 4 ядра — самые распространённые и практичные устройства, от самых слабых до весьма мощных.
Частота многоядерных процессоров
Одна из характеристик компьютерных процессоров — их частота. Те самые мегагерцы (а чаще — гигагерцы). Частота — важная характеристика, но далеко не единственная. Да, пожалуй, ещё и не самая главная. К примеру, двухядерный процессор с частотой 2 гигагерца — более мощное предложение, чем его одноядерный собрат с частотой 3 гигагерца.
Совсем неверно считать, что частота процессора равна частоте его ядер, умноженной на количество ядер. Если проще, то у 2-ядерного процессора с частотой ядра 2 ГГц общая частота ни в коем случае не равна 4 гигагерцам! Даже понятия «общая частота» не существует. В данном случае, частота процессора равна именно 2 ГГц. Никаких умножений, сложений или других операций.
И вновь «превратим» процессоры в квартиры. Если высота потолков в каждой комнате — 3 метра, то общая высота квартиры останется такой же — всё те же три метра, и ни сантиметром выше. Сколько бы комнат не было в такой квартире, высота этих комнат не изменяется. Так же и тактовая частота процессорных ядер. Она не складывается и не умножается.
Виртуальная многоядерность, или Hyper-Threading
Существуют ещё и виртуальные процессорные ядра. Технология Hyper-Threading в процессорах производства Intel заставляет компьютер «думать», что внутри двухядерного процессора на самом деле 4 ядра. Очень похоже на то, как один-единственный жёсткий диск делится на несколько логических — локальные диски C, D, E и так далее.
Hyper-Threading — весьма полезная в ряде задач технология. Иногда бывает так, что ядро процессора задействовано лишь наполовину, а остальные транзисторы в его составе маются без дела. Инженеры придумали способ заставить работать и этих «бездельников», разделив каждое физическое процессорное ядро на две «виртуальные» части. Как если бы достаточно крупную комнату разделили перегородкой на две.
Имеет ли практический смысл такая уловка с виртуальными ядрами? Чаще всего — да, хотя всё зависит от конкретных задач. Вроде, и комнат стало больше (а главное — они используются рациональнее), но площадь помещения не изменилась. В офисах такие перегородки невероятно полезны, в некоторых жилых квартирах — тоже. В других случаях в перегораживании помещения (разделении ядра процессора на два виртуальных) смысла нет вообще.
Отметим, что наиболее дорогие и производительные процессоры класса Core i7 в обязательном порядке оснащены Hyper-Threading. В них 4 физических ядра и 8 виртуальных. Получается, что одновременно на одном процессоре работают 8 вычислительных потоков. Менее дорогие, но также мощные процессоры Intel класса Core i5 состоят из четырёх ядер, но Hyper Threading там не работает. Получается, что Core i5 работают с 4 потоками вычислений.
Процессоры Core i3 — типичные «середнячки», как по цене, так и по производительности. У них два ядра и никакого намёка на Hyper-Threading. Итого получается, что у Core i3 всего два вычислительных потока. Это же относится и к откровенно бюджетным кристаллам Pentium и Celeron. Два ядра, «гипе-трединг» отсутствует = два потока.
Нужно ли компьютеру много ядер? Сколько ядер нужно в процессоре?
Все современные процессоры достаточно производительны для обычных задач. Просмотр интернета, переписка в соцсетях и по электронной почте, офисные задачи Word-PowerPoint-Excel: для этой работы подойдут и слабенькие Atom, бюджетные Celeron и Pentium, не говоря уже о более мощных Core i3. Двух ядер для обычной работы более чем достаточно. Процессор с большим количеством ядер не принесёт значительного прироста в скорости.
Для игр следует обратить внимание на процессоры Core i3 или i5. Скорее, производительность в играх будет зависеть не от процессора, а от видеокарты. Редко в какой игре потребуется вся мощь Core i7. Поэтому считается, что игры требуют не более четырёх процессорных ядер, а чаще подойдут и два ядра.
Для серьёзной работы вроде специальных инженерных программ, кодирования видео и прочих ресурсоёмких задач требуется действительно производительная техника. Часто здесь задействуются не только физические, но и виртуальные процессорные ядра. Чем больше вычислительных потоков, тем лучше. И не важно, сколько стоит такой процессор: профессионалам цена не столь важна.
Есть ли польза от многоядерных процессоров?
Безусловно, да. Одновременно компьютер занимается несколькими задачами — хотя бы работа Windows (кстати, это сотни разных задач) и, в тот же момент, проигрывание фильма. Проигрывание музыки и просмотр интернета. Работа текстового редактора и включённая музыка. Два процессорных ядра — а это, по сути, два процессора, справятся с разными задачами быстрее одного. Два ядра сделают это несколько быстрее. Четыре — ещё быстрее, чем два.
В первые годы существования технологии многоядерности далеко не все программы умели работать даже с двумя ядрами процессора. К 2014 году подавляющее большинство приложений отлично понимают и умеют пользоваться преимуществами нескольких ядер. Скорость обработки задач на двухядерном процессоре редко увеличивается в два раза, но прирост производительности есть почти всегда.
Поэтому укоренившийся миф о том, что, якобы, программы не могут использовать несколько ядер — устаревшая информация. Когда-то действительно было так, сегодня ситуация улучшилась кардинально. Преимущества от нескольких ядер неоспоримы, это факт.
Когда меньше ядер у процессора — лучше
Не следует покупать процессор по неверной формуле «чем больше ядер — тем лучше». Это не так. Во-первых, 4, 6 и 8-ядерные процессоры ощутимо дороже своих двухядерных собратьев. Значительная прибавка в цене далеко не всегда оправдана с точки зрения в производительности. К примеру, если 8-ядерник окажется лишь на 10% быстрее CPU с меньшим количеством ядер, но будет в 2 раза дороже, то такую покупку сложно оправдать.
Во-вторых, чем больше ядер у процессора, тем он «прожорливее» с точки зрения энергопотребления. Нет никакого смысла покупать гораздо более дорогой ноутбук с 4-ядерным (8-поточным) Core i7, если на этом ноутбуке будут обрабатываться лишь текстовые файлы, просматриваться интернет и так далее. Никакой разницы с двухядерником (4 потока) Core i5 не будет, да и классический Core i3 лишь с двумя вычислительными потоками не уступит более именитому «коллеге». А от батарейки такой мощный ноутбук проработает гораздо меньше, чем экономичный и нетребовательный Core i3.
Многоядерные процессоры в мобильных телефонах и планшетах
Мода на несколько вычислительных ядер внутри одного процессора касается и мобильных аппаратов. Смартфоны вместе с планшетами с большим количеством ядер почти никогда не используют все возможности своих микропроцессоров. Двухядерные мобильные компьютеры иногда действительно работают чуть быстрее, но 4, а тем более 8 ядер — откровеннейший перебор. Аккумулятор расходуется совершенно безбожно, а мощные вычислительные устройства попросту простаивают без дела. Вывод — многоядерные процессоры в телефонах, смартфонах и планшетах — лишь дань маркетингу, а не насущная необходимость. Компьютеры — более требовательные устройства, чем телефоны. Два процессорных ядра им действительно нужны. Четыре — не помешают. 6 и 8 — излишество в обычных задачах и даже в играх.
Как выбрать многоядерный процессор и не ошибиться?
Практическая часть сегодняшней статьи актуальна на 2014 год. Вряд ли в ближайшие годы что-то серьёзно поменяется. Речь пойдёт только о процессорах производства Intel. Да, AMD предлагает неплохие решения, но они менее популярны, да и разобраться в них сложнее.
Заметим, что таблица основана на процессорах образца 2012-2014 годов. Более старые образцы имеют другие характеристики. Также мы не стали упоминать редкие варианты CPU, например — одноядерный Celeron (бывают и такие даже сегодня, но это нетипичный вариант, который почти не представлен на рынке). Не следует выбирать процессоры исключительно по количеству ядер внутри них — есть и другие, более важные характеристики. Таблица лишь облегчит выбор многоядерного процессора, но конкретную модель (а их десятки в каждом классе) следует покупать только после тщательного ознакомления с их параметрами: частотой, тепловыделением, поколением, размером кэша и другими характеристиками.
Использование в смартфонах четырёхъядерных процессоров уже считается едва ли не моветоном: все современные флагманы обязаны иметь минимум восемь ядер, а лучше все десять. Но действительно ли мобильным гаджетам нужны такие чипсеты, или всё дело в маркетинговой гонке между производителями? Мы собираемся сравнить нагрузку на процессор в различных задачах на примере смартфона Honor 8 Pro с чипсетом Kirin 960 и выяснить, действительно ли Android задействует все вычислительные мощности гаджета?
Миф: приложения и игры не используют все ядра мобильного процессора
Чтобы проверить или опровергнуть это утверждение, необходимо получить статистику об использовании каждого процессорного ядра при выполнении гаджетом тех или иных задач. Готовых решений для вывода этой информации мы не нашли, а потому самостоятельно написали пару скриптов. Сначала мы с интервалом в пять секунд считали информацию о загруженности каждого ядра из системного файла /proc/stat. Затем наши инструменты построили графики по полученным данным. Исследование проводилось на смартфоне Honor 8 Pro с восьмиядерным процессором Kirin 960. Этот чипсет состоит из двух кластеров по четыре ядра каждый, причём первый получил ядра ARM Cortex-A53 с тактовой частотой 1,8 ГГц, а второй — Cortex-A73 с частотой 2,4 ГГц.
Режим ожидания. При выключенном экране графики загруженности процессора колеблются около нуля, лишь изредка поднимаясь процентов до десяти из-за wakelock’ов (сотая секунда на графике). Примерно в середине теста смартфон был разблокирован, что повысило активность ядер. Однако в отсутствие задач гаджет не использует больше двух-трёх ядер одновременно.
Загруженность ядер в режиме ожидания
Социальные сети. Использование официального клиента социальной сети «ВКонтакте» оказалось несложной задачей. Загруженность отдельных ядер редко превышала 25%, а четыре ядра из восьми и вовсе находились в «спячке».
Загруженность ядер при использовании клиента социальной сети
Сёрфинг. Больше ресурсов потребовал рендеринг сайтов новостных ресурсов в браузере Chrome — загруженность местами превышала 50%. На графике видно, что в некоторых случаях смартфон активировал сразу восемь ядер, однако основная работа во время тестирования была возложена всего на четыре из них.
Загруженность ядер при сёрфинге
Съёмка видео. Съёмка видео на камеру смартфона в разрешении Ultra HD оказалась довольно ресурсоёмкой задачей, однако для её выполнения аппарату вновь хватило всего четырёх ядер.
Загруженность ядер при съёмке видео
Игры. Тестирование Honor 8 Pro в игре Asphalt Extreme стало показательным: если четыре ядра из восьми оставались загруженными примерно одинаково во время тестирования, то оставшиеся четыре ядра резко активизировали свою работу лишь в некоторых местах, помогая гаджету справиться со сложными сценами.
Загруженность ядер в играх
Бенчмарк AnTuTu. Самым ресурсоёмким из всех оказался, конечно же, бенчмарк AnTuTu: нам даже пришлось отключить сглаживание графика, чтобы его вершины не «уползали» за отметку в 100%. В AnTuTu смартфону пришлось задействовать все восемь ядер, причём в одном из тестов загрузка каждого из них оказалась стопроцентной.
Загруженность ядер в бенчмарке
Почти на всех графиках хорошо заметно, что большую часть времени активна половина ядер гаджета, в то время как вторая половина остаётся незагруженной. Это вполне ожидаемо и соответствует кластерной структуре чипсета Kirin 960. А вот чтобы понять, как смартфону удаётся задействовать все восемь ядер, придётся сначала вспомнить особенности архитектуры ARM big.LITTLE.
Как используются ядра в архитектуре ARM big.LITTLE
На заре появления ARM big.LITTLE об этой архитектуре было много разговоров, но сейчас её использование в чипсетах никак не выделяется. Причина этому проста: буквально каждый второй смартфон и так использует эту технологию, которая, де-факто, стала стандартом в мобильных гаджетах. Выяснить, есть ли в вашем аппарате поддержка big.LITTLE, очень просто — достаточно посмотреть на его технические характеристики. Если в чипсете устройства используются минимум два кластера различных процессорных ядер (или одинаковых, но с разной частотой), значит, он построен на этой архитектуре.
Слева направо: кластерная миграция, процессорная миграция, гетерогенный мультипроцессинг
Архитектура ARM big.LITTLE имеет три типа внутреннего распределения вычислительных ресурсов. Первый — кластерная миграция, при которой одновременно может работать только один кластер, состоящий из процессорных ядер одного типа. Второй — процессорная миграция, где ядра разных типов объединяются попарно, однако в каждой паре в определённый момент времени может работать только одно ядро. Оба этих типа в настоящее время практически не используются, и найти их можно разве что в старых смартфонах. Третий тип, гетерогенный мультипроцессинг, позволяет устройству произвольно задействовать любые ядра, в том числе использовать все доступные ядра одновременно. Именно гетерогенный мультипроцессинг используется в современных смартфонах, включая тестовый Honor 8 Pro, поскольку позволяет гибко задействовать вычислительные ресурсы в зависимости от задач.
Схема чипсета Kirin 960
Но всё-таки зачем смартфону восемь или даже десять ядер, когда обычные ПК прекрасно справляются с рабочими задачами при четырёх? В действительности основная причина использования big.LITTLE — не столько производительность, сколько энергоэффективность. Интенсивность использования каждого процессорного ядра зависит от текущих задач гаджета: если в режиме ожидания смартфону хватит пары энергоэффективных ядер, работающих на низкой частоте, то при запуске ресурсоёмких приложений будут задействованы все ядра. Это позволяет гаджетам лучше экономить драгоценные проценты заряда батареи в простых задачах и работать на полную мощность в играх.
Другие архитектуры
Но как же работают другие варианты многоядерных процессоров? Чтобы ответить на этот вопрос, мы пристально посмотрели ещё на два чипсета. Первый — Qualcomm Snapdragon 801 с четырьмя одинаковыми ядрами Krait 400. В отсутствие кластерной структуры четыре ядра, как правило, работают в унисон, но имеют различную загруженность. Отдельные ядра при этом почти никогда не «спят» — разве что в режиме ожидания в отсутствие фоновых задач.
Загрузка однородных ядер в режиме ожидания
Загрузка однородных ядер при съёмке видео
Загрузка однородных ядер в играх
Второй чипсет, который мы решили протестировать — Mediatek MT6750 с восемью ядрами ARM Cortex-A53, половина из которых работает на максимальной тактовой частоте 1 ГГц, а вторая умеет разгоняться до 1,5 ГГц. В этом SoC уже используется архитектура big.LITTLE, но не гетерогенный мультипроцессинг, а кластерная миграция. Из графиков ниже видно, что в режиме ожидания используются только медленные ядра на 1 ГГц, в то время как в играх и при видеосъёмке активен кластер быстрых ядер. При этом загрузка второго кластера всегда равна нулю, а загруженность ядер активного кластера оказалась примерно одинаковой. Всё это говорит о слабой эффективности работы такой схемы архитектуры big.LITTLE.
Загрузка ядер при кластерной миграции big.LITTLE в режиме ожидания
Загрузка ядер при кластерной миграции big.LITTLE при съёмке видео
Загрузка ядер при кластерной миграции big.LITTLE в играх
Заключение
В большинстве задач смартфону действительно вполне хватает четырёх ядер, но как только гаджет сталкивается с необходимостью увеличить вычислительные ресурсы (например, со сложной сценой в игре или открытием нагруженного сайта) — тут же начинает работу второй кластер. Как оказалось, Android весьма неплохо справляется с задачей распараллеливания процессов: всего одна игра может задействовать сразу восемь ядер со средней загрузкой, вместо того, чтобы загрузить только четыре ядра, но максимально. Такое поведение обеспечивает гибкое управление вычислительными ресурсами системы, бо́льшую энергоэффективность чипсета и меньший нагрев устройства. Так что миф о неоправданности большого количества ядер в смартфоне можно смело считать опровергнутым. Многоядерные процессоры — это не только один из способов увеличения производительности устройства, но и средство экономии заряда аккумулятора, причём не только при простое или использовании социальных сетей, но и в более сложных задачах вроде сёрфинга или игр.