מעבד מרובה ליבות הוא מעגל משולב עם שני מעבדים או יותר המחוברים אליו לעיבוד מהיר יותר בו-זמנית של מספר משימות, צריכת חשמל מופחתת ולביצועים טובים יותר. בדרך כלל, הוא מורכב משני מעבדים או יותר הקוראים ומבצעים הוראות תוכנית.

במילים אחרות, בשבב בודד, מעבד מרובה ליבות מורכב ממספר יחידות עיבוד, או 'ליבות', שלכל אחת מהן יש פוטנציאל לבצע משימות שונות. לדוגמה, אם אתם מבצעים משימות רבות בו-זמנית, כמו צפייה בסרט ושימוש ב-WhatsApp, ליבה אחת תטפל בפעילויות כמו צפייה בסרט בעוד שהשנייה מטפלת באחריות אחרת כמו WhatsApp.

תצורה של כפול ליבה דומה להתקנה של מספר מעבדים שונים על אותו מחשב, אך החיבור ביניהם מהיר יותר מכיוון ששני המעבדים מחוברים לאותו שקע. מספר הוראות במקביל עשויות להתבצע על ידי ליבות בודדות, מה שמגביר את מהירות התוכנה שנבנתה כדי לעשות שימוש בתכונות הייחודיות של הארכיטקטורה.

בהשוואה למעבד ליבה אחת, מעבד כפול ליבה בדרך כלל חזק פי שניים בנסיבות אידיאליות. בפועל, צפויים שיפורי ביצועים של כ-50%: מעבד כפול ליבה חזק בערך פי 1.5 ממעבד ליבה אחת.

10 ההנטאי המובילים

ככל שמעבדי ליבה יחידה מגיעים לגבולות הפיזיים של מורכבות ומהירות, מחשוב מרובה ליבות הופך לפופולרי יותר. בעידן המודרני, רוב המערכות הן מרובות ליבות. מערכות מרובות ליבות או מרובות ליבות מסיביות מתייחסות למערכות עם מספר עצום של ליבות CPU, כגון עשרות או מאות.

בתחילת שנות ה-2000, אינטל ו-AMD הוציאו את המעבדים הרב-ליבות הראשונים. בעידן המודרני, מעבדים מגיעים עם שתי ליבות ('דו-ליבות'), ארבע ('ארבע ליבות'), שש ('הקסה-ליבות') ושמונה ('אוקטה-ליבות') ליבות ('אוקטו-ליבות') ). מעבדים מבוססי FPGA מכילים עד 100 ליבות פיזיות ו-1000 ליבות עצמאיות יעילות (מערכי שער הניתנים לתכנות שדה).

ארכיטקטורה של מעבד מרובה ליבות

העיצוב של מעבד מרובה ליבות מאפשר תקשורת בין כל הליבות הזמינות, והן מחלקות ומקצות את כל חובות העיבוד כראוי. הנתונים המעובדים מכל ליבה מועברים בחזרה ללוח הראשי של המחשב (לוח אם) באמצעות שער משותף אחד לאחר שכל פעולות העיבוד הסתיימו. שיטה זו מנצחת מעבד יחיד ליבה במונחים של ביצועים הכוללים.

היתרונות של מעבד ריבוי ליבות

למעבדים מרובי ליבות יש מספר יתרונות (יתרונות), כולל:

ביצועים

מעבד מרובה ליבות, מטבעו, יכול לעשות יותר עבודה בהשוואה למעבד בעל ליבה אחת. המרווח בין הליבות של מעגל משולב מאפשר קצבי שעון מהירים יותר. כתוצאה מכך, האותות אינם צריכים לעבור מרחק גדול כדי להגיע ליעדם והם גם מתמשכים. בהשוואה לשימוש במעבד נפרד, המהירויות הרבה יותר מהירות.

מהימנות

במעבדים מרובי ליבות, התוכנה תמיד מוקצית לליבות שונות. כאשר תוכנה אחת נכשלת, האחרות לא מושפעות. בכל פעם שמתעורר פגם, הוא משפיע רק על ליבה אחת. כתוצאה מכך, מעבדים מרובי ליבות מסוגלים יותר לעמוד בפני תקלות.

אינטראקציות תוכנה

גם אם התוכנה פועלת על מספר ליבות, היא תתקשר אחד עם השני. בידוד מרחבי וזמני הוא תהליך שעובר מעבד מרובה ליבות. חוטי ליבה לעולם אינם מתעכבים כתוצאה מתהליכים אלה.

דוגמאות לתכנות פיתון

ריבוי משימות

מערכת הפעלה יכולה להשתמש ב-CPU מרובה ליבות כדי להפעיל שני תהליכים או יותר בו-זמנית, גם אם תוכניות רבות עשויות להתבצע בו-זמנית. אפליקציית פוטושופ, למשל, יכולה לשמש לביצוע שתי עבודות בו זמנית.

צריכת חשמל

ריבוי משימות עם מעבד מרובה ליבות, לעומת זאת, דורש פחות כוח. רק החלק של המעבד שמייצר חום ישמש. צריכת החשמל מצטמצמת בסופו של דבר, וכתוצאה מכך ניצול פחות סוללה. מערכות הפעלה מסוימות, לעומת זאת, זקוקות למשאבים רבים יותר בהשוואה לאחרים.

הימנעות מהתיישנות

אדריכלים יכולים להימנע מהתיישנות טכנולוגית ולהגדיל את יכולת התחזוקה על ידי שימוש במעבדים מרובי ליבות. יצרניות השבבים משתמשות בהתקדמות הטכנולוגית העדכנית ביותר במעבדים מרובי הליבות שלהן. יותר ויותר קשה להשיג שבבי ליבה אחת ככל שמספר הליבות גדל.

בידוד

מעבדים מרובי ליבות עשויים להגביר (אך לא מבטיחים) את הבידוד הגיאוגרפי והזמני בהשוואה למערכות ליבה אחת. סביר להניח שתוכנה על ליבה אחת תשפיע על תוכנה על ליבה השנייה אם שתי הליבות פועלות על אותה ליבה אחת. ניתוק זה מתרחש עקב בידוד גיאוגרפי וזמני (חוטים על ליבה אחת אינם מתעכבים על ידי חוטים על ליבה אחרת). בעזרת הגבלת ההשפעה של שגיאות לליבה אחת, עיבוד מרובה ליבות יכול להגביר את החוסן. כאשר מבצעים בנפרד תוכניות קריטיות מעורבות, הבידוד המשופר הזה חשוב מאוד (קריטי לבטיחות, קריטי למשימה וקריטי לאבטחה).

כמה נקודות מפתח נוספות של יתרונות של מעבד מרובה ליבות:

• בהשוואה למעבדי ליבה אחת, למעבד מרובה ליבות יש פוטנציאל לבצע יותר משימות.
• צריכת אנרגיה נמוכה בעת ביצוע פעילויות רבות בו זמנית.
• לנתונים לוקח פחות זמן להגיע ליעדם מכיוון ששתי הליבות משולבות בשבב בודד.
• עם שימוש במעגל קטן, ניתן להגביר את המהירות.
• זיהוי זיהומים בתוכנת אנטי וירוס תוך כדי משחק הוא דוגמה לריבוי משימות.
• עם השימוש בתדר נמוך, הוא יכול לבצע מספר משימות בו זמנית.
• בהשוואה למעבד ליבה אחת, הוא מסוגל לעבד כמויות גדולות של נתונים.

חסרונות של מעבדים מרובי ליבות

נעבור על כמה מהמגבלות (החסרונות) של מעבד מרובה ליבות, כולל:

במחרוזת ב-java

מהירות יישום

למרות העובדה שמעבד מרובה ליבות מיועד לריבוי משימות, הביצועים שלו אינם מספיקים. יש לו נטייה לקפוץ מליבה אחת לאחרת בכל פעם כאשר אפליקציה בעיבוד. כתוצאה מכך, המטמון מתמלא, ומגדיל את מהירותו.

לְהִתְעַצְבֵּן

הפרעות נוספות מתפתחות ככל שמספר הליבות במעבד רב-ליבות גדל, וכתוצאה מכך ריצודים מוגזמים. כתוצאה מכך, ביצועי התוכנית של מערכת ההפעלה שלך עלולים להיפגע, וייתכנו כשלים תכופים. רק באמצעות סנכרון מתאים ומיקרו-קרנל המשתמש יוכל להתמודד עם ריצוד.

אָנָלִיזָה

כאשר אתה עושה שני דברים או יותר בבת אחת, תצטרך להשתמש בדגמי זיכרון נוספים. במכונה מרובת ליבות, זה הופך את הניתוח לקשה. מגבלות זמן, במיוחד, קשות לקביעה ועשויות להיות לא מדויקות.

יתר על כן, ניתוח ההפרעות הופך מורכב יותר ככל שמספר הליבות גדל. כתוצאה מכך, ה-O/S לא יוכל לספק את התוצאות שהובטחו.

שיתוף משאבים

מעבד מרובה ליבות חולק מגוון משאבים, פנימיים וחיצוניים כאחד. רשתות, אפיקי מערכת וזיכרון ראשי הם בין המשאבים הללו. כתוצאה מכך, לכל תוכנית הפועלת על אותה ליבה תהיה סיכוי גבוה יותר להפריע. גם בידוד גיאוגרפי וגם זמני יכול להתרחש בצורת הפרעה זו.

הפרעות תוכנה

עקב שיתוף משאבים, הפרעות תוכנה עלולות לגרום לבעיות בבידוד מרחבי וזמני. אם יש ליבות נוספות, הסיכוי הזה גדל עוד יותר. הנוכחות של יותר ליבות מרמזת על מספר רב יותר של נתיבי הפרעה. זה כמעט בלתי אפשרי לבחון את כל מסלולי ההפרעה האפשריים.

כמה נקודות מפתח אחרות של מגבלות של מעבד מרובה ליבות:

• למרות שהוא מכיל מספר מעבדים, הוא לא מהיר פי שניים ממעבד פשוט.
• משימת הניהול מסובכת יותר בהשוואה לניהול מעבד ליבה אחת.
• הביצועים של מעבד מרובה ליבות תלויים לחלוטין במשימות שמשתמשים מבצעים.
• אם מעבדים אחרים דורשים עיבוד ליניארי/רציף, למעבדים מרובי ליבות לוקח יותר זמן לעבד.
• הסוללה מתרוקנת מהר יותר.
• צריכת החשמל שלו כל כך גבוהה בהשוואה למעבד פשוט יותר.
• יתר על כן, בהשוואה למעבד ליבה אחת, הוא יקר יותר.

מדוע משתמשים במעבד רב ליבות?

התצורה דומה למעבד כפול ליבה. מעבדים מרובי ליבות מסווגים לפי מספר הליבות וסוגי הליבות. המטרה של מעבד מרובה ליבות היא להשיג ביצועים מעולים. הוא תוכנן כדי לעבור את המגבלות הפיזיות של מעבד ליבה אחת.

מערכות הפעלה תומכות של מעבד מרובה ליבות כוללות:

• לינוקס
• Microsoft Windows (Windows XP ומעלה)
• רוב המערכות מבוססות BSD
• סולאריס
• Mac OS X

היסטוריה קצרה של מעבדים מרובי ליבות

מכיוון שהחברות שיצרו את המעבדים הראשוניים מבוססי שבבים יכלו לשים רק מעבד אחד על שבב בודד, הם יכלו להתאים רק מעבד אחד לשבב בודד. יצרניות השבבים הצליחו לבנות שבבים עם יותר מעגלים ככל שהתקדמה טכנולוגיית ייצור השבבים, ולבסוף, יצרני השבבים הצליחו לייצר שבבים עם יותר ממעבד אחד, מה שהביא לשבב מרובה ליבות.

רשימת מערכי java ממוינת

בשנת 1998, המעבד הרב-ליבות הראשון הומצא על ידי Kunle Olukotun, פרופסור להנדסת חשמל בסטנפורד, ותלמידיו. שבבים מרובי ליבות היו נגישים לראשונה באופן מסחרי בשנת 2005 מ-Advanced Micro Devices (AMD) ואינטל. כמעט כל יצרנית שבבים החלה מאז ליצור מעבדים מרובי ליבות.

היכן משתמשים במעבדים מרובי ליבות?

בעידן המודרני, מעבדים מרובי ליבות נמצאים ברוב המכשירים כגון טאבלטים, מחשבים נייחים, מחשבים ניידים, סמארטפונים ומערכות משחקים.

שתי אפשרויות הליבה שסופקו מדגימות כיצד מודל המעבד אינו מספר את כל הסיפור בנוגע לביצועים. בהשוואה ל-i5 כפול ליבות, הביצועים של i5 מרובע ליבות עדיפים באופן מהותי, ומחיר המחשב ישקף זאת. כל דגמי המחשבים הניידים הנוכחיים לדגם i5 הם דו-ליבים, בעוד שכל הדגמים השולחניים הם ארבע ליבות נכון לכתיבת שורות אלו. מכיוון שגרסאות מחשב נייד הן דו-ליבות ולא מרובע ליבות, ל-i5 במחשב נייד יהיו ביצועים גרועים יותר מאשר ל-i5 במחשב שולחני. סוג הליבה הכפולה מתאים יותר למחשבים ניידים ניידים הדורשים חיי סוללה ארוכים יותר וצורכים פחות חשמל, אך מחשב שולחני משתמש ב-CPU שצורך יותר חשמל, כמו דגם ארבע ליבות, מכיוון שהוא אינו דורש חיי סוללה. חלק מהיישומים של המעבד מרובה ליבות הם כדלקמן:

• משחקים עם גרפיקה גבוהה, כמו Overwatch ו-Star Wars Battlefront, כמו גם משחקי תלת מימד.
• המעבד מרובה ליבות מתאים יותר ב-Adobe Premiere, Adobe Photoshop, iMovie ושאר תוכנות עריכת וידאו.
• Solidworks עם עיצוב בעזרת מחשב (CAD).
• תעבורת רשת גבוהה ושרתי מסדי נתונים.
• רובוטים תעשייתיים, למשל, הם מערכות משובצות.