Když byly osobní počítače poprvé vynalezeny, jejich centrální procesorová jednotka (CPU) stála sama a měla pouze jedno jádro procesoru. Samotný procesor byl jádrem; myšlenka mít vícejádrový procesor byla dosud neslýchaná. Dnes není vůbec neobvyklé vidět počítače, telefony a další zařízení s více jádry - téměř každý komerčně dostupný počítač jakéhokoli druhu má více jader. Tato jádra jsou umístěna ve stejné, jediné, CPU nebo centrální procesorové jednotce.
Velkou výhodou je mít více jader. Pouze s jedním jádrem může počítač současně pracovat pouze na jednom úkolu a úkol musí dokončit dříve, než se přesune na jiný. S více jádry však může počítač pracovat na více úkolech najednou, což je zvláště užitečné pro ty, kteří dělají mnoho multitaskingu.
Předtím, než se pustíme do toho, jak vícejádrové procesory pracují, je důležité si trochu povídat o zákulisí technologie zpracování, po kterém si probereme, co vícedávkové procesory dělají.
Nějaká historie
Před postavením procesorů s více jádry se lidé a společnosti, jako například Intel a AMD, pokusili sestavit počítače s více procesory. To znamenalo, že byla potřeba základní deska s více než jednou soketem CPU. Nejenže to bylo dražší kvůli fyzickému hardwaru potřebnému pro další soket CPU, ale také se zvýšila latence kvůli zvýšené komunikaci, která byla nutná k uskutečnění mezi dvěma procesory. Základní deska musela rozdělit data mezi dvě zcela samostatná umístění v počítači, nikoli je jednoduše odesílat do procesoru. Fyzická vzdálenost ve skutečnosti znamená, že proces je pomalejší. Umístěním těchto procesů na jeden čip s více jádry nejen to znamená, že je méně času na cestování, ale také to znamená, že různá jádra mohou sdílet zdroje pro provádění zvláště těžkých úkolů. Například čipy Intel Pentium II a Pentium III byly implementovány ve verzích se dvěma procesory na jedné základní desce.
Po chvíli museli být procesory výkonnější, takže výrobci počítačů přišli s konceptem hyperzávitů. Samotný koncept pochází od společnosti Intel a poprvé byl vytvořen v roce 2002 na serverových procesorech společnosti Xeon a později na stolních procesorech Pentium 4. Technologie Hyper-Threading se v procesorech stále používá a je dokonce hlavním rozdílem mezi čipy Intel i5 a čipy i7. V zásadě využívá skutečnosti, že v procesoru jsou často nevyužité prostředky, zejména když úkoly nevyžadují příliš velkou výpočetní sílu, kterou lze použít pro jiné programy. Procesor, který používá hyperzávitování, se v zásadě prezentuje operačnímu systému, jako by měl dvě jádra. To samozřejmě nemá dvě jádra, ale pro dva programy, které využívají polovinu dostupné výpočetní energie nebo méně, mohou existovat i dvě jádra, protože společně mohou využít veškerou sílu, kterou procesor musí nabídnout. Hyper-závitování však bude o něco pomalejší než procesor se dvěma jádry, pokud není dost procesorového výkonu pro sdílení mezi dvěma programy používajícími jádro.
Zde najdete stručné video s krátkým a podrobnějším vysvětlením hyperzávitů.
Multi-procesory
Po mnoha experimentech bylo možné konečně postavit CPU s více jádry. To znamenalo, že jeden procesor v podstatě měl více než jednu procesorovou jednotku. Například dvoujádrový procesor má dvě procesní jednotky, čtyřjádrový procesor má čtyři atd.
Proč tedy společnosti vyvinuly procesory s více jádry? Potřeba rychlejších procesorů byla čím dál tím více zřejmá, ale vývoj v jednojádrových procesorech se zpomalil. Od 80. let do roku 2000 byli inženýři schopni zvýšit rychlost zpracování z několika megahertzů na několik gigahertzů. Společnosti jako Intel a AMD to provedly zmenšením velikosti tranzistorů, což umožnilo více tranzistorů ve stejném množství prostoru, čímž se zlepšil výkon.
Vzhledem k tomu, že rychlost hodin procesoru je velmi spojena s tím, kolik tranzistorů se vejde na čip, když se technologie zmenšování tranzistorů začala zpomalovat, začal se také snižovat vývoj ve zvýšených rychlostech procesorů. I když tomu tak není, když společnosti poprvé věděly o vícejádrových procesorech, je to tehdy, když začali experimentovat s víceprocesorovými procesory pro komerční účely. Zatímco vícejádrové procesory byly poprvé vyvinuty v polovině osmdesátých let, byly navrženy pro velké korporace a nebyly opraveny, dokud se jednojádrová technologie nezačala zpomalovat. První vícejádrový procesor byl vyvinut společností Rockwell International a byl verzí čipu 6501 se dvěma procesory 6502 na jednom čipu (další podrobnosti jsou k dispozici v této položce Wikipedia).
Co dělá vícejádrový procesor?
No, je to opravdu docela jednoduché. Mít více jader umožňuje provádět více věcí najednou. Pokud například pracujete na e-mailech, máte otevřený internetový prohlížeč, pracujete na vynikající tabulce a posloucháte hudbu v iTunes, pak na všech těchto věcech může pracovat čtyřjádrový procesor najednou. Nebo pokud má uživatel úkol, který je třeba dokončit ihned, lze jej rozdělit na menší a snáze zpracovatelné úlohy.
Použití více jader není omezeno pouze na více programů. Například Google Chrome vykreslí každou novou stránku jiným procesem, což znamená, že může využít více jader současně. Některé programy se však nazývají jednovláknové, což znamená, že nebyly napsány, aby mohly používat více jader, a jako takové to nemohou udělat. Zde se opět objevuje hyper-vlákno, které umožňuje Chrome odeslat více stránek na dvě „logická jádra“ na jedno skutečné jádro.
Jít ruku v ruce s vícejádrovými procesory a hyperzávitováním je koncept zvaný multithreading. Vícevláknové zpracování je v podstatě schopnost operačního systému využít výhod více jader tím, že rozdělí kód do jeho nejzákladnější formy nebo vláken a současně je zavádí do různých jader. To je, samozřejmě, důležité u víceprocesorových i vícejádrových procesorů. Vícevláknové zpracování je o něco složitější, než to zní, protože vyžaduje, aby operační systémy správně objednávaly kód tak, aby program mohl nadále fungovat efektivně.
Operační systémy samy dělají podobné věci s vlastními procesy - není to omezeno pouze na aplikace. Procesy operačního systému jsou věci, které operační systém vždy dělá na pozadí, aniž by to uživatel musel vědět. Vzhledem k tomu, že tyto procesy stále probíhají, může být velmi užitečné mít hyper-vlákna a / nebo více jader, protože uvolňuje procesor, aby mohl pracovat na dalších věcech, jako je to, co se děje v aplikacích.
Jak fungují vícejádrové procesory?
Nejprve musí základní deska a operační systém rozpoznat procesor a existovat více jader. Starší počítače měly pouze jedno jádro, takže starší operační systém nemusí fungovat příliš dobře, pokud se jej uživatel pokusil nainstalovat na novější počítač s více jádry. Například Windows 95 nepodporuje hyperzávitování nebo více jader. Všechny nedávné operační systémy podporují vícejádrové procesory, včetně typu Windows 7, 8, nově vydaných 10 a Apple OS X 10.10.
Zjednodušeně řečeno, operační systém řekne základní desce, že je třeba provést proces. Základní deska pak řekne procesoru. V procesoru s více jádry může operační systém říct procesoru, aby udělal více věcí najednou. V podstatě se přes směr operačního systému přesouvají data z pevného disku nebo RAM přes základní desku do procesoru.
Vícejádrový procesor
V procesoru existuje několik úrovní mezipaměti, která uchovává data pro další operaci nebo operace procesoru. Tyto úrovně vyrovnávací paměti zajišťují, že procesor nemusí hledat příliš daleko, aby našel svůj další proces, což šetří spoustu času. První úroveň vyrovnávací paměti je vyrovnávací paměť L1. Pokud procesor nemůže najít data, která potřebuje pro svůj další proces v mezipaměti L1, hledá mezipaměť L2. Mezipaměť L2 je větší v paměti, ale je pomalejší než mezipaměť L1.
Jednojádrový procesor
Pokud procesor nemůže najít to, co hledá v mezipaměti L2, pokračuje po řádku na L3, a pokud má procesor, L4. Poté bude vypadat v hlavní paměti nebo v RAM počítače.
Existují také různé způsoby, jak různé procesory zpracovávají mezipaměti rozdílů. Například někteří duplikují data v mezipaměti L1 na mezipaměti L2, což je v podstatě způsob, jak zajistit, aby procesor mohl najít to, co hledá. To samozřejmě zabírá více paměti v mezipaměti L2.
Různé úrovně mezipaměti také přicházejí do hry ve vícejádrových procesorech. Obvykle bude mít každé jádro svou vlastní mezipaměť L1, ale budou sdílet mezipaměť L2. To se liší od případu, kdy existovalo více procesorů, protože každý procesor má vlastní L1, L2 a libovolnou jinou vyrovnávací paměť úrovně. U více procesorů s jedním jádrem není sdílení cache jednoduše možné. Jednou z hlavních výhod sdílení sdílené mezipaměti je schopnost plně využívat mezipaměť, protože pokud jádro nepoužívá mezipaměť, může to druhé.
Ve víceprocesorovém procesoru může jádro při hledání dat prohlédnout svou vlastní jedinečnou mezipaměť L1 a poté se rozvětví do sdílené mezipaměti L2, RAM a případně na pevný disk.
Je pravděpodobné, že budeme i nadále sledovat vývoj více jader. Rychlosti procesorových hodin se jistě budou i nadále zlepšovat, i když pomaleji než dříve. I když nyní není neobvyklé vidět procesory s osmi jádry ve věcech, jako jsou smartphony, brzy jsme mohli vidět procesory s desítkami jader.
Kam si myslíte, že technologie zpracování vícejádrových procesorů bude směřovat dál? Dejte nám vědět v komentářích níže nebo vytvořením nového vlákna na našem fóru komunity.
