این روزها همه کامپیوترها و گوشیهای هوشمند از پردازنده چند هستهای استفاده میکنند. این پردازندهها با داشتن چند هسته مستقل میتوانند چند کار را بهطور همزمان انجام دهند؛ یعنی با تقسیم وظایف میان هستهها، سرعت اجرای برنامه را افزایش دهند. در این مقاله با چیستی و کاربردهای پردازنده چند هستهای آشنا میشوید.
پردازنده چند هستهای در یک نگاه
پردازنده چند هستهای مجموعهای از چند واحد پردازشگر است که روی یک تراشه تعبیه شدهاند و هر هسته بهطور جداگانه دستورالعملها را اجرا میکند. این طراحی به کامپیوتر اجازه میدهد چند دستور یا وظیفه را بهصورت همزمان انجام دهد.
فناوری چند هستهای از اوایل دهه ۲۰۰۰ میلادی وارد بازار شد و در کنار مزایایی مانند شتاب در اجرای برنامههای موازی، مشکلاتی مانند مصرف توان بیشتر و نیاز به نرمافزارهای چند رشتهای را به همراه آورد.
پردازنده چند هستهای دقیقاً چیست؟
چند هستهای نام نوعی پردازندهای مرکزی (CPU) است که شامل دو یا چند واحد پردازشگر مستقل به نام هسته است. هر هسته مانند یک پردازنده کوچک عمل میکند و وظیفه خواندن و اجرای دستورالعملهای برنامه را برعهده دارد.
در معماری چند هستهای، هر هسته میتواند بهطور مستقل روی بخشی از برنامه کار کند و حتی زمانیکه یک هسته در حال پردازش دستورات خاصی است، هستههای دیگر میتوانند وظایف کاملاً متفاوتی را به موازات آن انجام کنند.
به بیان دیگر، اگر نرمافزار یا سیستمعامل شما برنامه را به چند بخش تقسیم کند، هستههای مختلف میتوانند بخشهای مختلف آن را همزمان اجرا کنند و در نتیجه، سرعت کلی اجرای برنامه افزایش مییابد.
سیر تکامل فناوری چند هستهای
در کامپیوترهای اولیه همه پردازندهها تکهستهای بودند و برای افزایش توان پردازشی، مهندسان تا حد امکان فرکانس ساعت پردازنده را بالا میبردند. اما در اوایل دهه ۲۰۰۰ میلادی با محدودیتهایی در افزایش بیشتر فرکانس روبهرو شدند.
اولین پردازنده چند هستهای تجاری در سال ۲۰۰۱ توسط شرکت IBM عرضه شد. این پردازنده که POWER-4 نام داشت، شامل دو هسته روی یک چیپ بود و در ابتدا در سرورهای بزرگ به کار گرفته شد.
Power-4 آیبیام اولین پردازندهای بود که بیشاز یک هسته داشت.
چند سال بعد، در سال ۲۰۰۵، شرکتهای AMD و Intel هم اولین پردازندههای دو هستهای خود را معرفی کردند. از آن زمان به بعد، بهرهگیری از هستههای بیشتر به سرعت رایج شد؛ چند سال پساز آن پردازندههای چهار هستهای و هشت هستهای وارد بازار شدند و بهتدریج تقریباً تمام پردازندههای جدید چند هستهای شدند.
این تلاش و رقابت برای هستههای بیشتر تاکنون نیز ادامه پیدا کرده است. امروزه انواع مختلف پردازنده با دو، چهار، هشت یا حتی هستههای بیشتر در دسترس هستند و در سیستمهای مختلفی از کامپیوتر گرفته تا گوشیهای همراه و سرورهای داده به کار میروند. اگر میخواهید بدانید هر کدام از این پردازندههای چقدر قدرت دارند و کجا به کار میآیند، نگاهی به جدول زیر بیندازید:
|
نوع پردازنده |
دو هستهای |
چهار هستهای |
هشت هستهای |
|
کارایی در پردازش موازی |
متوسط (تا ۲ رشته همزمان) |
خوب (تا ۴ رشته همزمان) |
عالی (تا ۸ رشته همزمان) |
|
مصرف انرژی |
کم |
متوسط |
بالا |
|
تولید گرما |
کم |
متوسط |
زیاد |
|
هزینه |
پایین |
متوسط |
بالا |
|
مناسب برای |
کارهای روزمره و سبک |
مالتیتسکینگ و بازیهای معمولی |
تدوین ویدئو، محاسبات سنگین، سرورها |
|
مثال دستگاهها |
لپتاپهای قدیمی، تبلتهای ساده |
کامپیوتر خانگی معمولی |
لپتاپهای جدید، موبایل پرچمدار |
پردازنده چند هستهای چطور عمل میکند؟
همانطور که قبلاً گفتیم، در پردازندههای چند هستهای، هر هسته بهطور مستقل عمل میکند. سیستمعامل و برنامهها وظایف (یا رشتههای کاری) را بین این هستهها تقسیم میکنند تا بهصورت موازی اجرا شوند.
معمولاً هر هسته دارای حافظه پنهان مخصوص به خود است، یا بین هستهها حافظه پنهان مشترکی وجود دارد؛ این حافظهها باعث دسترسی آسانتر هستهها به دادههای مورد نیازشان میشوند.
برای هماهنگی و ارتباط بین هستهها از روشهایی مانند حافظه مشترک یا ارسال پیام استفاده میشود. به عنوان مثال، اگر دو هسته بخواهند روی داده مشترکی کار کنند، با استفاده از پروتکلهای سازوکار حافظه مشترک، اطمینان حاصل میشود که همه هستهها نسخه بهروزی از داده را میخوانند.
کارایی پردازنده چند هستهای در عمل به توانایی نرمافزار در اجرای موازی نیز بستگی دارد. برای بهینه استفاده کردن از چند هسته، برنامهها باید طوری نوشته شوند که بتوانند به چند رشته تقسیم شوند. در واقع، هر چه بخشهای بیشتری از یک برنامه قابلیت اجرای همزمان را داشته باشند، بهرهوری پردازنده چند هستهای نیز بیشتر خواهد شد. لذا طراحی الگوریتمهای موازی و بهینهسازی نرمافزار برای پردازش موازی، نقش مهمی در استفاده بهینه از قدرت پردازندههای چند هستهای دارد.
لپتاپ شما چند هستهای است؟
اگر میخواهید بدانید لپتاپ یا کامپیوتر شما چند هستهای است، دو راه دارید:
میتوانید به صورت دستی وارد Task manager کامپیوتر شوید؛ به تب Performance مراجعه کنید و در قسمت CPU بررسی کنید که دستگاه شما چند هسته (Core) دارد.
بررسی تعداد هستههای لپتاپ بهصورت دستی
روش دیگر این است که با استفاده از اطلاعات پردازنده لپتاپ، تعداد هسته آن را بررسی کنید. در جدول زیر چند هستهای بودن انواع پردازندههای Intel و AMD را مشاهده میکنید:
|
برند |
رده |
مدل پردازنده |
نسل |
هسته (Cores) |
|
Intel |
Core i3 |
1005G1 |
10th U |
2 |
|
Core i5 |
1035G1 |
10th U |
4 |
|
|
Core i7 |
1065G7 |
10th U |
4 |
|
|
Core i3 |
1115G4 |
11th U |
2 |
|
|
Core i5 |
1135G7 |
11th U |
4 |
|
|
Core i7 |
1185G7 |
11th U |
4 |
|
|
Core i5 |
11300H |
11th H |
4 |
|
|
Core i7 |
11370H |
11th H |
4 |
|
|
Core i7 |
11800H |
11th H |
8 |
|
|
Core i9 |
11980HK |
11th H |
8 |
|
|
Core i5 |
1240P |
12th P |
12 (4P+8E) |
|
|
Core i7 |
1260P |
12th P |
12 (4P+8E) |
|
|
Core i7 |
1280P |
12th P |
14 (6P+8E) |
|
|
Core i9 |
12900HK |
12th H |
14 (6P+8E) |
|
|
AMD |
Ryzen 3 |
4300U |
4th U |
4 |
|
Ryzen 5 |
4500U |
4th U |
6 |
|
|
Ryzen 7 |
4700U |
4th U |
8 |
|
|
Ryzen 9 |
4900HS |
4th HS |
8 |
|
|
Ryzen 5 |
5600H |
5th H |
6 |
|
|
Ryzen 7 |
5800H |
5th H |
8 |
|
|
Ryzen 9 |
5900HX |
5th H |
8 |
مزایا و معایب پردازندههای چند هستهای
پردازندههای چند هستهای دارای مزایای قابل توجهی هستند. مهمترین مزیت، افزایش توان پردازشی در اجرای همزمان وظایف است. ازآنجاییکه چند هسته میتوانند چند دستورات را همزمان اجرا کنند، سرعت اجرای برنامههای موازی یا چندوظیفهای بهطور چشمگیری افزایش مییابد.
برای مثال، در حالتی که کاربر چند برنامه را با هم اجرا کند، پردازنده چند هستهای میتواند وظایف مختلف را به هستههای جداگانه بسپارد و در نتیجه همه برنامهها به خوبی و بدون تاخیر اجرا شوند.
همچنین استفاده از چند هسته روی یک تراشه معمولاً بازده انرژی را بالا میبرد. به این معنی که برای انجام پردازش یکسان، مصرف توان کل کمتر از حالتی است که همان پردازش با یک هسته فرکانس بالا انجام شود. در عمل میتوان بخشهایی از پردازنده را غیرفعال کرد یا فرکانس هستهها را کاهش داد تا مصرف برق و تولید گرما هم کمتر شود.
در کل، چند هستهای بودن برای سیستمهای چندوظیفهای و برنامههای سنگین موازی، بازدهی و کارایی بهتری فراهم میکنند. بااینحال، فناوری چند هستهای معایبی نیز دارد. مهمترین چالش، افزایش مصرف توان و تولید گرماست.
هر هسته اضافه، تعداد ترانزیستور روی تراشه را بالا میبرد و بهطور بالقوه مصرف برق را دو برابر میکند. بدون طراحی خنککننده و مدارهای مناسب، تراشههای چند هستهای ممکن است بیش از حد گرم شوند.
باید بدانید که دو برابر شدن هستهها به معنای دو برابر شدن سرعت پردازش نیست. برای مثال پردازنده دو هستهای در حدود ۶۰ تا ۸۰ درصد سریعتر از نسخه تکهستهای مشابه عمل میکند. علاوهبراین، همه سیستمعاملها و برنامهها بهطور کامل از چند هسته پشتیبانی نمیکنند؛ نرمافزارهایی که فقط یک رشته دارند یا سیستمعاملهای قدیمی نمیتوانند از تمام مزایای چند هسته استفاده کنند.
از نگاه تولید، ساخت پردازندههای چند هستهای پیچیدهتر و پرهزینهتر است. در مجموع باید گفت هر چند این فناوری قدرت بیشتری نسبت به پردازندههای تک هستهای ارائه میدهد، ولی برای رسیدن به این قدرت، چالشهای فنی و مصرفی بیشتری نیز پیشرو دارد.
کاربردهای فناوری چند هستهای در زندگی روزمره
پردازندههای چند هستهای در زمینههای مختلفی کاربرد دارند. در رایانههای شخصی و لپتاپ، اکثر پردازندهها دارای چند هسته هستند تا بتوانند همزمان وظایفی مثل گشتوگذار در وب، پخش ویدئو و اجرای نرمافزارها را مدیریت کنند.
در سرورها و مراکز داده، تعداد هستهها حتی بیشتر است تا بتوانند بار پردازشی بسیار سنگین سرویسهای اینترنتی و محاسبات علمی را انجام دهند.
در تلفنهای همراه و تبلتها نیز اغلب پردازندههای چهار یا هشت هستهای به کار گرفته میشوند تا پردازشهای مختلف مانند مرور وب، بازی ویدئویی و پردازش تصویر را با مصرف انرژی کمتر انجام دهند.
از پردازندههای چند هستهای در تکنولوژیهایی مثل خودروهای هوشمند و اینترنت اشیا نیز استفاده میشود.
از سوی دیگر واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) را میتوان نوعی پردازنده چند هستهای با صدها یا هزاران هسته موازی در نظر گرفت که در کارتهای گرافیک برای رندرینگ سریع تصویر و محاسبات موازی کاربرد دارند.
خلاصه اینکه هر جایی که به انجام همزمان کارهای زیاد نیاز باشد، از هوش مصنوعی تا ویرایش ویدئو و بازیهای سنگین، پردازندههای چند هستهای حضور دارند و نقش مهمی ایفا میکنند.
پردازنده چند هستهای در مقایسه با فناوریهای دیگر
پردازنده چند هستهای را میتوان با چند فناوری مشابه مقایسه کرد. اولین مورد پردازنده تکهستهای است. پردازنده تکهستهای فقط یک هسته دارد و در هر لحظه تنها یک دستور را اجرا میکند. در نتیجه در مقایسه با یک پردازنده چند هستهای شانسی برای رقابت ندارد؛ البته سادهتر و ارزانتر است. همانطور که گفته شد، پردازنده چند هستهای با داشتن چند هسته مستقل میتواند چند دستور را به موازات اجرا کند، این مزیت آشکار نسبت به معماری تکهستهای است.
نوع دیگری از معماری چند پردازندهای است که در آن چند پردازنده فیزیکی (هر کدام با یک یا چند هسته) در یک سیستم به کار گرفته میشوند. این سیستم معمولاً در سرورهای بزرگ به کار میرود. فناوری چندپردازندهای توانایی اجرای مستقل چند برنامه بهطور همزمان را فراهم میکند؛ ولی هزینه و مصرف توان آن بسیار بیشتر است.
از نظر مفهومی، سیستم چندپردازندهای با داشتن چند تراشه پردازشی، شبیه چند پردازنده مجزا عمل میکند، درحالیکه پردازنده چند هستهای چند واحد پردازشی را در یک تراشه واحد جای میدهد. علاوهبراین، فناوریهای چندرشتهای به هر هسته اجازه میدهند چند هسته مجازی ارائه دهد. در این حالت هر هسته فیزیکی دو رشته را بهطور همزمان پشتیبانی میکند و سیستمعامل آنها را بهعنوان دو پردازنده مجازی میبیند. این کار باعث میشود هر هسته بتواند به بهتر شدن زمانبندی کمک کند؛ ولی چون منابع اصلی هسته بین آن رشتههای مجازی به اشتراک گذاشته میشود، سرعت کمتری نسبت به اضافهکردن یک هسته فیزیکی جدید ایجاد میشود.
به بیان دیگر، فناوریهای چندرشتهای بهبود اندکی در پاسخگویی سیستم و بهینهسازی منابع ارائه میکنند، اما اثری به اندازه وجود هستههای مجزا ندارند.
چه آیندهای در انتظار پردازنده چند هستهای است؟
به نظر میرسد روند توسعه پردازندههای چند هستهای ادامه دارد و محبوبیت این سختافزار روزبهروز بیشتر میشود. البته مطالعات جدید نشان میدهد که صرف افزایش تعداد هستهها تنها راهحل موقت است و در بلندمدت باید راهکارهای تازهای پیدا کرد. راهکارهایی مثل معماری ناهمگن و ترکیب هستههای قدرتمند و هستههای کممصرف در یک تراشه.
به علاوه، پردازندههای آینده ممکن است شامل واحدهای اختصاصی جدیدی مثل پردازندههای عصبی برای هوش مصنوعی باشند.
در مجموع، چشمانداز آینده چند هستهایها بر تمرکز بر بهینهسازی انرژی و طراحی نرمافزارهای موازی استوار است، تا محدودیتهای فعلی نظیر توان مصرفی و گرمای بیشازحد برطرف شوند.
سخن پایانی
وقتی در میان اجرای یک بازی سنگین هستید و در این میان به راحتی از مرورگر خود نیز استفاده میکنید، آن را مرهون پردازندههای چند هستهای و شرکتهای بزرگی هستید که برای ساخت آنها تلاش کردند. در این مقاله با ابعاد مختلف این فناوری و کاربردهای آن آشنا شدیم.
منابع:
