Dlaczego nowe procesory mają coraz więcej rdzeni?

Jeszcze kilkanaście lat temu procesor z dwoma rdzeniami uchodził za całkiem mocną jednostkę. Później standardem stały się cztery rdzenie, następnie sześć i osiem. Dzisiaj bez problemu można kupić procesory konsumenckie wyposażone w kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt rdzeni logicznych. Skąd ten ciągły wzrost i czy zwykły użytkownik rzeczywiście potrzebuje tak dużej ich liczby?

Odpowiedź jest bardziej skomplikowana, niż sugerowałaby sama specyfikacja. Większa liczba rdzeni wynika przede wszystkim ze zmiany sposobu, w jaki korzystamy z komputerów. Współczesny komputer jednocześnie obsługuje system operacyjny, przeglądarkę, komunikatory, programy działające w tle, gry, aplikacje wykorzystujące sztuczną inteligencję czy zadania związane z obróbką multimediów. Jeden bardzo szybki rdzeń przestał być wystarczającym rozwiązaniem.

Koniec wyścigu na częstotliwość…

Przez wiele lat rozwój procesorów opierał się przede wszystkim na zwiększaniu częstotliwości taktowania. Kolejne generacje układów pracowały z coraz wyższymi zegarami, dzięki czemu wykonywały więcej operacji w jednostce czasu.

Problem pojawił się wraz ze wzrostem poboru energii i temperatury. Proste zwiększanie częstotliwości przestało być efektywnym sposobem poprawiania wydajności. Procesor pracujący z bardzo wysokim taktowaniem generuje ogromne ilości ciepła i wymaga coraz bardziej rozbudowanego chłodzenia.

Producenci zaczęli więc szukać innej drogi. Zamiast zmuszać jeden rdzeń do wykonywania jeszcze większej liczby operacji, można było wykorzystać kilka rdzeni pracujących równocześnie.

W ten sposób rozpoczęła się era procesorów wielordzeniowych.

Więcej rdzeni oznacza więcej pracy jednocześnie

Największą zaletą wielu rdzeni jest możliwość równoległego wykonywania zadań.

Wyobraźmy sobie procesor jako grupę pracowników. Jeden bardzo szybki pracownik może wykonać konkretne zadanie błyskawicznie, ale jeśli jednocześnie pojawi się dziesięć innych zadań, wszystko zacznie się kolejkować. Kilku pracowników może zająć się nimi równocześnie.

Podobnie działa procesor wielordzeniowy. Jeden rdzeń może zajmować się grą, drugi obsługiwać proces systemowy, kolejny dekodować materiał wideo, a następny wykonywać zadanie aplikacji działającej w tle.

Oczywiście rzeczywiste działanie procesora jest znacznie bardziej skomplikowane, ale zasada pozostaje podobna: więcej rdzeni pozwala wykonywać więcej niezależnych operacji jednocześnie.

Programy również stały się bardziej wielowątkowe

Samo dodanie rdzeni nie miałoby większego sensu, gdyby oprogramowanie nie potrafiło z nich korzystać.

Współczesne aplikacje coraz częściej wykorzystują wielowątkowość. Program może podzielić swoje zadania na wiele części i przydzielić je różnym rdzeniom procesora.

Szczególnie dobrze widać to podczas renderowania filmów, kompilowania dużych projektów, kompresowania danych, wykonywania symulacji czy pracy z profesjonalnym oprogramowaniem.

W takich zastosowaniach procesor posiadający 16 rdzeni może być zdecydowanie szybszy od podobnego układu wyposażonego w 8 rdzeni.

Nie oznacza to jednak, że każdy program automatycznie stanie się dwa razy szybszy. Jeżeli aplikacja potrafi wykorzystać tylko kilka wątków, pozostałe rdzenie mogą przez większość czasu praktycznie się nudzić.

Gry nie zawsze potrzebują dziesiątek rdzeni?

Tutaj sprawa robi się ciekawsza.

W przypadku gier większa liczba rdzeni może pomóc, ale nie zawsze przekłada się bezpośrednio na wyższą liczbę klatek na sekundę. Gry wykonują wiele różnych operacji jednocześnie, między innymi obliczenia fizyki, sztucznej inteligencji przeciwników, obsługę świata gry czy komunikację z systemem operacyjnym.

Jednocześnie część zadań może być trudna do podzielenia na wiele niezależnych wątków. Dlatego w grach nadal ogromne znaczenie ma wydajność pojedynczego rdzenia, opóźnienia pamięci podręcznej oraz architektura procesora.

Z tego powodu procesor z 24 rdzeniami nie musi być lepszym wyborem do grania niż model z 8 czy 12 wydajnymi rdzeniami.

Hybrydowe procesory zmieniły sytuację

Kolejnym etapem rozwoju stały się procesory wykorzystujące różne rodzaje rdzeni.

Zamiast budować układ wyłącznie z identycznych, bardzo wydajnych rdzeni, producenci zaczęli łączyć rdzenie nastawione na wysoką wydajność z rdzeniami bardziej energooszczędnymi.

W przypadku takich konstrukcji wymagające zadania mogą trafić na mocniejsze rdzenie, natomiast mniej istotne procesy działające w tle mogą być obsługiwane przez rdzenie efektywniejsze energetycznie.

To rozwiązanie pozwala zwiększyć całkowitą wydajność procesora bez konieczności wyposażania każdego rdzenia w maksymalną możliwą moc.

Coraz więcej rdzeni potrzebuje również sztuczna inteligencja

Rozwój AI dodatkowo zwiększył zapotrzebowanie na równoległe obliczenia.

W przypadku dużych modeli sztucznej inteligencji główną rolę często odgrywają karty graficzne i wyspecjalizowane akceleratory, ponieważ są znacznie lepiej przystosowane do wykonywania ogromnej liczby prostych operacji równocześnie.

Procesor nadal pozostaje jednak ważnym elementem całego systemu. Może przygotowywać dane, zarządzać zadaniami, obsługiwać system operacyjny i wykonywać operacje, których nie opłaca się przekazywać do GPU.

W dodatku współczesne procesory coraz częściej otrzymują również wyspecjalizowane jednostki do obsługi zadań związanych ze sztuczną inteligencją.

Więcej rdzeni pozwala zwiększyć wydajność bez ogromnego wzrostu poboru energii

To jeden z najważniejszych powodów rozwoju konstrukcji wielordzeniowych.

Zwiększanie wydajności pojedynczego rdzenia poprzez podnoszenie taktowania ma swoje fizyczne ograniczenia. Dodanie kolejnych rdzeni może natomiast pozwolić zwiększyć wydajność całego układu bez równie gwałtownego zwiększania częstotliwości.

Oczywiście dodatkowe rdzenie również zużywają energię i generują ciepło. Nie istnieje więc magiczna zasada, według której można bez końca dodawać kolejne jednostki obliczeniowe.

Producenci muszą znaleźć odpowiedni kompromis pomiędzy wydajnością, poborem energii, temperaturą, rozmiarem układu i jego ceną.

Dlaczego więc procesory mają dziś tak dużo rdzeni?

Powodów jest kilka.

Po pierwsze, komputery wykonują znacznie więcej zadań jednocześnie. Po drugie, oprogramowanie coraz lepiej wykorzystuje wielowątkowość. Po trzecie, dalsze zwiększanie wydajności pojedynczego rdzenia jest coraz trudniejsze i bardziej kosztowne energetycznie.

Dochodzi do tego rozwój profesjonalnych zastosowań, takich jak montaż wideo, renderowanie 3D, programowanie, analiza danych, wirtualizacja czy sztuczna inteligencja. W tych przypadkach dodatkowe rdzenie mogą przynieść bardzo konkretne korzyści.

Czy więcej rdzeni będzie oznaczało coraz lepsze procesory?

Prawdopodobnie liczba rdzeni nadal będzie rosła, ale nie będzie to jedyny kierunek rozwoju procesorów.

Producenci będą coraz większą uwagę zwracać na efektywność energetyczną, pamięć podręczną, wyspecjalizowane jednostki obliczeniowe, układy AI oraz sposób komunikacji pomiędzy poszczególnymi częściami procesora.

Dla zwykłego użytkownika liczba rdzeni przestaje być więc prostym wyznacznikiem jakości procesora. Osiem bardzo wydajnych rdzeni może być znacznie lepszym wyborem niż kilkanaście słabszych, jeśli komputer ma służyć przede wszystkim do grania.

Więcej rdzeni ma sens wtedy, gdy potrafimy je wykorzystać. Dla profesjonalisty oznacza to krótszy rendering czy szybszą kompilację. Dla gracza może oznaczać lepszą obsługę wymagających produkcji i procesów działających w tle. Dla przeciętnego użytkownika dodatkowe rdzenie zapewniają przede wszystkim większy zapas wydajności i możliwość swobodnego wykonywania wielu zadań jednocześnie.