Bộ xử lý đa lõi là gì ?

Bộ xử lý đa lõi là một mạch tích hợp có hai hoặc nhiều lõi xử lý được gắn kết với nhau để nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng. Những bộ xử lý này cũng cho phép xử lý đồng thời hiệu quả hơn của nhiều nhiệm vụ, ví dụ như xử lý song song và đa luồng. Cấu hình hai lõi tương tự như việc lắp đặt nhiều bộ xử lý riêng biệt trên một máy tính. Tuy nhiên, vì hai bộ xử lý được cắm vào cùng một ổ cắm, kết nối giữa chúng nhanh hơn. Sử dụng bộ xử lý đa lõi hoặc vi xử lý đa lõi là một phương pháp để nâng cao hiệu suất xử lý mà không vượt quá giới hạn thực tế của thiết kế và chế tạo bán dẫn. Sử dụng đa lõi cũng đảm bảo hoạt động an toàn trong các lĩnh vực như tạo nhiệt.

Bộ xử lý đa lõi hoạt động như thế nào?

Trái tim của mỗi bộ xử lý là một bộ phận thực hiện, còn được gọi là lõi. Lõi được thiết kế để xử lý các chỉ thị và dữ liệu theo hướng dẫn của các chương trình phần mềm trong bộ nhớ của máy tính. Trong suốt những năm qua, các nhà thiết kế phát hiện rằng mỗi thiết kế bộ xử lý mới đều có những giới hạn. Nhiều công nghệ đã được phát triển để tăng tốc hiệu suất, bao gồm các công nghệ sau đây:

Tốc độ xung

Một phương pháp làm tăng tốc độ xung của bộ xử lý. Xung là “nhịp trống” được sử dụng để đồng bộ xử lý các chỉ thị và dữ liệu qua bộ phận xử lý. Tốc độ xung đã tăng từ vài megahertz đến vài gigahertz (GHz) ngày nay. Tuy nhiên, transistor sử dụng công suất mỗi nhịp đồng hồ. Do đó, tốc độ xung gần như đã đạt.

Siêu luồng

Phương pháp khác liên quan đến việc xử lý nhiều luồng chỉ thị. Intel gọi đây là siêu luồng. Với siêu luồng, các lõi xử lý được thiết kế để xử lý đồng thời hai luồng chỉ thị riêng biệt. Khi được kích hoạt đúng cách và được hỗ trợ bởi firmware và hệ điều hành (OS) của máy tính, các kỹ thuật siêu luồng cho phép một lõi vật lý hoạt động như hai lõi logic. Tuy nhiên, bộ xử lý chỉ có một lõi vật lý duy nhất. Sự trừu tượng logic của bộ xử lý vật lý này không mang lại hiệu suất thực tế đáng kể cho bộ xử lý, ngoại trừ việc giúp tối ưu hóa hoạt động của nhiều ứng dụng đồng thời chạy trên máy tính.

Nhiều chip

Bước tiếp theo là thêm chip xử lý – hoặc wafer – vào gói bộ xử lý, đó là thiết bị vật lý được cắm vào bo mạch chủ. Một bộ xử lý hai lõi bao gồm hai lõi xử lý riêng biệt. Một bộ xử lý bốn lõi bao gồm bốn lõi riêng biệt. Ngày nay, bộ xử lý đa lõi có thể bao gồm dễ dàng từ 12, 24 hoặc thậm chí nhiều hơn lõi xử lý. Phương pháp đa lõi gần như tương tự việc sử dụng bo mạch chủ đa bộ xử lý, có hai hoặc bốn ổ cắm xử lý riêng biệt. Hiệu quả là như nhau. Hiệu suất bộ xử lý khổng lồ ngày nay bao gồm việc sử dụng các sản phẩm bộ xử lý kết hợp tốc độ xung nhanh và nhiều lõi siêu luồng. Sơ đồ kiến trúc bộ xử lý đa lõi Tuy nhiên, chip đa lõi có một số vấn đề cần xem xét.

Trước tiên

việc thêm nhiều lõi xử lý không tự động cải thiện hiệu suất máy tính. Hệ điều hành và ứng dụng phải định hướng các chỉ thị chương trình phần mềm để nhận biết và sử dụng nhiều lõi. Điều này phải được thực hiện song song, sử dụng các luồng khác nhau đến các lõi khác nhau trong gói bộ xử lý. Một số ứng dụng phần mềm có thể cần được tái cấu trúc để hỗ trợ và sử dụng nền tảng bộ xử lý đa lõi. Nếu không, chỉ có lõi xử lý đầu tiên mặc định được sử dụng và bất kỳ lõi bổ sung nào đều không được sử dụng hoặc bất hoạt.

Thứ hai

lợi ích về hiệu suất từ các lõi bổ sung không phải là một bội số trực tiếp. Đó là, việc thêm một lõi thứ hai không làm tăng gấp đôi hiệu suất của bộ xử lý, hoặc một bộ xử lý bốn lõi không nhân lên hiệu suất của bộ xử lý bốn lần. Điều này xảy ra do các yếu tố chung của bộ xử lý, chẳng hạn như quyền truy cập vào bộ nhớ nội bộ hoặc bộ nhớ cache, các bus ngoại vi và bộ nhớ hệ thống máy tính. Lợi ích của nhiều lõi có thể đáng kể, nhưng vẫn có những giới hạn thực tế. Tuy nhiên, sự tăng tốc thường tốt hơn hệ thống đa bộ xử lý truyền thống vì mối liên kết giữa các lõi trong cùng một gói được chặt chẽ và có khoảng cách ngắn hơn và ít thành phần hơn giữa các lõi. Hãy xem ví dụ của ôtô trên một con đường. Mỗi ôtô có thể là một bộ xử lý, nhưng mỗi ôtô phải chia sẻ các đường và hạn chế giao thông chung. Càng có nhiều ôtô, càng có thể vận chuyển nhiều người và hàng hóa trong một khoảng thời gian nhất định, nhưng càng có nhiều ôtô cũng gây ra ùn tắc giao thông và các vấn đề khác.

Bộ xử lý đa lõi được sử dụng cho mục đích gì?

Bộ xử lý đa lõi hoạt động trên bất kỳ nền tảng phần cứng máy tính hiện đại nào. Gần như tất cả các máy tính cá nhân và laptop hiện nay đều tích hợp một số mô hình bộ xử lý đa lõi. Tuy nhiên, sức mạnh và lợi ích thực sự của các bộ xử lý này phụ thuộc vào ứng dụng phần mềm được thiết kế để tăng cường khả năng song song. Một phương pháp song song chia công việc ứng dụng thành nhiều luồng xử lý và sau đó phân phối và quản lý các luồng đó qua hai hoặc nhiều lõi xử lý. Có một số trường hợp sử dụng chính cho bộ xử lý đa lõi, bao gồm năm trường hợp sau đây:

Ảo hóa

Một nền tảng ảo hóa, như VMware, được thiết kế để trừu tượng hóa môi trường phần mềm khỏi phần cứng cơ bản. Ảo hóa có khả năng trừu tượng hóa lõi xử lý vật lý thành bộ xử lý ảo hoặc đơn vị xử lý trung tâm (vCPUs) được gán cho các máy ảo (VMs). Mỗi VM trở thành một máy chủ ảo có khả năng chạy hệ điều hành và ứng dụng riêng của nó. Có thể gán nhiều hơn một vCPU cho mỗi VM, cho phép mỗi VM và ứng dụng của nó chạy phần mềm xử lý song song nếu cần thiết.

Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu là một nền tảng phần mềm phức tạp thường cần chạy nhiều nhiệm vụ xử lý song song cùng một lúc. Bộ xử lý đa lõi cho phép các nhiệm vụ đó chạy đồng thời trên các lõi khác nhau, cải thiện hiệu suất và thời gian phản hồi của cơ sở dữ liệu.

Đồ họa và trò chơi

Ứng dụng đồ họa và trò chơi thường yêu cầu xử lý đồ họa và tính toán phức tạp. Với bộ xử lý đa lõi, các tác vụ đồ họa và tính toán này có thể được chia sẻ và chạy song song trên nhiều lõi, cung cấp trải nghiệm đa nhiệm và hiệu suất cao hơn.

Phân tích dữ liệu và học máy

Trong lĩnh vực phân tích dữ liệu và học máy, các thuật toán và mô hình phức tạp thường cần xử lý lượng dữ liệu lớn và tính toán tương đối. Với bộ xử lý đa lõi, việc tính toán này có thể được chia sẻ và thực hiện song song trên nhiều lõi, tăng tốc quá trình phân tích và huấn luyện mô hình.

Công việc đa nhiệm

Khi chạy nhiều ứng dụng đồng thời, bộ xử lý đa lõi cho phép mỗi ứng dụng chạy trên các lõi riêng biệt. Điều này giúp ngăn chặn sự cạnh tranh và xung đột giữa các ứng dụng, đồng thời cung cấp trải nghiệm đa nhiệm mượt mà.

Ưu điểm và nhược điểm của bộ xử lý đa lõi

Công nghệ bộ xử lý đa lõi đã trưởng thành và được xác định rõ ràng. Tuy nhiên, công nghệ này mang đến những ưu điểm và nhược điểm riêng, mà nên được xem xét khi mua và triển khai các máy chủ mới.

Ưu điểm của bộ xử lý đa lõi

Hiệu suất ứng dụng tốt hơn

Lợi ích chính của bộ xử lý đa lõi là khả năng xử lý tiềm năng cao hơn. Mỗi lõi xử lý hiệu quả là một bộ xử lý riêng biệt mà hệ điều hành và ứng dụng có thể sử dụng. Trên một máy chủ ảo, mỗi máy ảo có thể sử dụng một hoặc nhiều lõi xử lý ảo, cho phép nhiều máy ảo tồn tại và hoạt động đồng thời trên một máy chủ vật lý. Tương tự, một ứng dụng được thiết kế cho mức độ song song cao có thể sử dụng bất kỳ số lõi nào để cung cấp hiệu suất ứng dụng cao mà với hệ thống dựa trên chip duy nhất sẽ không thể.

Nhược điểm của bộ xử lý đa lõi

Phụ thuộc vào phần mềm

Ứng dụng sử dụng bộ xử lý – không phải ngược lại. Hệ điều hành và ứng dụng luôn sẽ mặc định sử dụng lõi xử lý đầu tiên, được gọi là lõi 0. Bất kỳ lõi nào khác trong gói xử lý sẽ không được sử dụng hoặc không hoạt động cho đến khi ứng dụng phần mềm được kích hoạt để sử dụng chúng. Các ứng dụng như cơ sở dữ liệu và công cụ xử lý dữ liệu lớn như Hadoop sẽ được tính đến. Một doanh nghiệp nên xem xét mục đích sử dụng máy chủ và các ứng dụng mà nó dự định sử dụng trước khi đầu tư vào hệ thống đa lõi để đảm bảo hệ thống phát huy tối đa khả năng tính toán của nó.

Lợi ích về hiệu suất bị giới hạn

Các bộ xử lý đa lõi trong gói xử lý phải chia sẻ các bus hệ thống chung và bộ nhớ cache xử lý. Càng nhiều lõi xử lý chia sẻ một gói xử lý, việc chia sẻ phải diễn ra qua các giao diện xử lý chung và tài nguyên chung. Điều này dẫn đến hiệu suất không tăng theo tỷ lệ khi thêm các lõi. Đối với hầu hết các tình huống, lợi ích hiệu suất của việc có nhiều lõi vượt trội hơn so với việc mất hiệu suất do chia sẻ như vậy, nhưng đây là một yếu tố cần xem xét khi thử nghiệm hiệu suất ứng dụng.

Hạn chế về năng lượng, nhiệt và xung

Máy tính có thể không thể đánh đồng một bộ xử lý có nhiều lõi như một bộ xử lý có ít lõi hơn hoặc một bộ xử lý duy nhất. Một lõi xử lý hiện đại có thể chứa hơn 500 triệu bóng bán dẫn. Mỗi bóng bán dẫn tạo ra nhiệt khi chuyển đổi, và nhiệt này tăng lên khi tốc độ xung tăng. Toàn bộ nhiệt được tạo ra phải được tản ra an toàn từ lõi xử lý thông qua gói xử lý. Khi chạy nhiều lõi hơn, nhiệt này có thể nhân đôi và vượt quá khả năng làm mát của gói xử lý. Do đó, một số bộ xử lý đa lõi thực tế có thể giảm tốc độ xung – ví dụ, từ 3.5 GHz xuống 3.0 GHz – để giúp quản lý nhiệt. Điều này làm giảm hiệu suất của tất cả các lõi xử lý trong gói. Các bộ xử lý đa lõi cao cấp yêu cầu hệ thống làm mát phức tạp và triển khai và giám sát cẩn thận để đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong thời gian dài.

Kiến trúc

Với mục đích xác định này, mỗi bộ xử lý đa lõi bao gồm hai hoặc nhiều lõi cùng với một loạt bộ nhớ cache. Lõi là các thành phần trung tâm hoặc bộ xử lý đa lõi. Lõi chứa tất cả các thanh ghi và mạch điện – đôi khi là hàng trăm triệu bóng bán dẫn riêng lẻ – cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đồng bộ gần nhau như tiếp nhận dữ liệu và chỉ thị, xử lý nội dung đó và đưa ra quyết định hoặc kết quả logic. Bộ vi xử lý hỗ trợ bao gồm một loạt các mạch điều khiển và quản lý kiểm soát đầu vào/đầu ra, chẳng hạn như xung đồng hồ, đồng nhất bộ nhớ cache, quản lý năng lượng và nhiệt độ và truy cập bus bên ngoài. Bộ nhớ cache là các vùng nhớ nhanh nhỏ. Bộ nhớ cache lưu giữ các chỉ thị hoặc dữ liệu thường được sử dụng, làm cho nội dung đó sẵn có cho lõi mà không cần truy cập bộ nhớ hệ thống. Bộ xử lý kiểm tra bộ nhớ cache trước. Nếu nội dung cần thiết có sẵn, lõi sẽ lấy nội dung đó từ bộ nhớ cache, tăng cường lợi ích về hiệu suất. Nếu nội dung không có sẵn, lõi sẽ truy cập bộ nhớ hệ thống để lấy nội dung cần thiết. Bộ nhớ cache cấp 1, hoặc L1, là bộ nhớ cache nhỏ nhất và nhanh nhất đặc biệt cho mỗi lõi. Bộ nhớ cache cấp 2, hoặc L2, là không gian lưu trữ lớn hơn được chia sẻ giữa các lõi. Một số kiến trúc bộ xử lý đa lõi có thể dành cả bộ nhớ cache L1 và L2.

Sự khác biệt giữa bộ xử lý đa lõi đồng nhất và không đồng nhất

Các lõi trong một bộ xử lý đa lõi có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất. Các bộ xử lý đa lõi phổ biến của Intel và AMD dành cho kiến trúc máy tính x86 là đồng nhất và cung cấp các lõi giống nhau. Do đó, hầu hết các cuộc thảo luận về bộ xử lý đa lõi đều xoay quanh các bộ xử lý đồng nhất. Tuy nhiên, việc dành một thiết bị phức tạp để làm một công việc đơn giản hoặc để đạt được hiệu suất tối đa thường là lãng phí. Có một thị trường bộ xử lý đa lõi không đồng nhất sử dụng các bộ xử lý với các lõi khác nhau cho các mục đích khác nhau. Các lõi không đồng nhất thường được tìm thấy trong các bộ xử lý nhúng hoặc Arm, có thể kết hợp các lõi vi xử lý và lõi điều khiển nhỏ trong cùng một gói. Có ba mục tiêu chung cho bộ xử lý đa lõi không đồng nhất:

Hiệu suất tối ưu

Trong khi bộ xử lý đa lõi đồng nhất thường được thiết kế để cung cấp khả năng xử lý phổ thông hoặc đa dụng, nhiều bộ xử lý không được thiết kế cho các trường hợp sử dụng hệ thống chung như vậy. Thay vào đó, chúng được thiết kế và bán cho việc sử dụng trong các hệ thống nhúng – các hệ thống dành riêng hoặc dùng cho mục đích cụ thể – có thể tận dụng được sức mạnh đặc biệt của các bộ xử lý khác nhau. Ví dụ, một bộ xử lý dành cho thiết bị xử lý tín hiệu có thể sử dụng một bộ xử lý Arm chứa một lõi Cortex-A thông dụng cùng với một lõi Cortex-M dành riêng cho các tác vụ xử lý tín hiệu.

Hiệu suất năng lượng tối ưu

Cung cấp các lõi xử lý đơn giản giảm số lượng transistor và giảm yêu cầu năng lượng. Điều này làm cho gói bộ xử lý và hệ thống tổng thể mát hơn và tiết kiệm điện năng hơn.

Bảo mật tối ưu

Công việc hoặc quá trình có thể được chia thành các loại lõi khác nhau, cho phép các nhà thiết kế xây dựng mức độ cách ly cao để kiểm soát quyền truy cập giữa các lõi xử lý khác nhau. Sự kiểm soát và cách ly này mang lại tính ổn định và bảo mật tốt hơn cho toàn bộ hệ thống, mặc dù có đánh đổi tính linh hoạt chung.

Ví dụ

Hầu hết các bộ xử lý hiện đại được thiết kế và bán cho mục đích tính toán x86 đa dụng bao gồm nhiều lõi xử lý. Ví dụ về các bộ xử lý đa lõi mới nhất của Intel thế hệ thứ 12 bao gồm: Dòng Intel Core i9 12900 cung cấp 8 lõi và 24 luồng. Dòng Intel Core i7 12700 cung cấp 8 lõi và 20 luồng. Các bộ xử lý Intel Core i5 12600K hàng đầu cung cấp 6 lõi và 16 luồng. Ví dụ về các bộ xử lý đa lõi AMD Zen gồm: Dòng AMD Zen 3 cung cấp từ 4 đến 16 lõi. Dòng AMD Zen 2 cung cấp lên đến 64 lõi. Dòng AMD Zen+ cung cấp từ 4 đến 32 lõi.