Mitmetuumaline protsessor

AMD nelja tuumaga Phenomi seeria protsessori kiip

AMD Athlon 64 X2 6400+

Mitmetuumaline protsessor on kahe või enama tuumaga protsessor. Igal tuumal on oma täiturmootor, mis suudavad täita antud käske korraga. Tuumi võib vaadata kui mitut protsessorit, aga nad on omavahel ühenduses (võivad olla mitme kiibi peal): nad võivad üksteisega suhelda ja infot vahetada.

Üks kahetuumaline, taktsagedusega 1 GHz protsessor on peaaegu võrdne ühetuumalise protsessoriga, mille taktsagedus on 2 GHz (kehtib sarnase arhitektuuriga protsessorite korral). Kuna mitmetuumalisus on niivõrd efektiivne jõudluse suurendamises, siis tänapäeva nutitelefonide ja tahvelarvutite jaoks arendatakse ka seda tehnoloogiat, sest vajadus kiirema andmete edastuse ja töötluse jaoks järjest kasvab.

Olenevalt protsessori ehitusest

• võivad tuumad jagada ühist vahemälu;
• iga tuum võib olla hüperhargtöötluse toega;
• juhul, kui ei ole otsest ühendust tuumade vahel, on iga tuum arvutivõrguga ühenduses eraldi. Kui nad on omavahel otseselt ühenduses, jagavad nad ühendust arvutivõrguga.

Multitegumtöö

Mitme tuuma tehnoloogia võimaldab paralleelarvutusi, multitegumtööd (inglise multitasking): mitut toimingut tehakse samal ajal või vaheldumisi. Protsessori jaoks tähendab see mitme protsessi jälgimist ja täitmist samal ajal. Mitme tuuma puhul ei pea protsessor jagama täiturmootori ressurssi protsesside vahel, mis võib jõudlusele piirangu panna, vaid ta võib anda igale tuumale oma ülesande. Nii saavad andmed kiiremini töödeldud ja jõudlus on märgatavalt suurem.

Näited

Lauaarvuti/sülearvutid. Mitme tuumaga protsessorid ehitatakse tavaliselt nii, et tuuma on paari kaupa, näiteks 2 või 4 tuuma. Nii on neid kergem kiibi peale jaotada ja nende vahel ühendusi luua. On ka kolme tuumaga protsessoreid, näiteks AMD Athlon (II) ja AMD Phenom II X3 protsessorid, millel on isegi mitu seeriat.

• Kahetuumaline protsessor (ingl k dual-core) koosneb kahest tuumast. Mõned aastad tagasi kuni tänaseni kõige enam levinud. Mitmeid auhindu võitnud Intel core 2 Duo protsessor oli 2006. aastast laialdaselt levinud. Tänaseks paljudesse arvutitesse pandud i3 on kahe tuumaga, samuti osad i5-d. AMD Athlon X2.
• Neljatuumaline protsessor (ingl k quad-core) koosneb neljast tuumast. Palju levinud, enamasti mängurite ja teiste inimeste seas, kellel on vaja suurt jõudlust protsessorist välja pigistada. Intelilt Core 2 Quad, enamus i5-d ja i7-d.
• Kuuetuumaline protsessor (ingl k hexa-core) koosneb kuuest tuumast. Vähem levinud ja vähem mudeleid. AMD Phenom II X6, Intel i7 seeriast mõned.
• Kaheksatuumaline protsessor (ingl k octa-core) koosneb kaheksast tuumast. See pole just igapäevane nähtus ja ka mitte eriti praktiline. Tavakasutaja vajadusi arvestades on see kindlasti tarbetu ülepingutus.

2010. aastate alguses domineeris turgu Intel oma uue mikroarhitektuuriga, koodnimega Nehalem, mis tuli välja aastal 2008. See koosneb i7-, i5- ja i3-sarja protsessoritest. Mõeldud on nii, et jõudluse poolest i3-le järgneb i5 ja siis tuleb i7, aga võimsamate i5-mudelite ja lahjemate i7-mudelite vahe on väga väike, osalt i5 isegi ületab i7-t.

Eelised

Kuna tänapäevased tehnoloogiad veel limiteerivad protsessorite taktsageduse lõpmatult kõrgele ajamist, siis mitme tuumaga protsessorid tulevad appi jõudluse kasvatamise juures.

Tänu suuremale andmeedastusmahule ja kiirusele on mitmetuumaliste protsessorite korral näiteks failide otsimine, viirusetõrje skaneeringud ja meedia kirjutamine/tõmbamine kiirem kui ühe tuumaga.

Samal pingel ja sagedusel töötava ühetuumalise ja mitmetuumalise vahe on see, et rohkem tuumasid tähendab suurema mahuga andmetöötlust ehk suuremat läbitavust sama ajaga. Kui võtta sama pinge ja sagedusega töötav ühetuumaline ja kahetuumaline protsessor, suudaks kahetuumaline protsessor andmeid töödelda kaks korda kiiremini. Seega rohkemate tuumadega protsessor suudab reaalajas töödelda rohkem andmeid ning sellega tõuseb jõudlus märgatavalt.

On leitud, et tõstes protsessori töösagedust 400 MHz kasvab energiakulu 60% võrra. Seega pannes rohkem protsessorile väiksema töösagedusega rohkem tuumi, oleks energiatarve väiksem, aga jõudlus sama.

Tänu oma energiasäästlikkusele on mitmetuumalisusest kasu kohtades, kus energiakulu minimaalsus on kriitiline, näiteks mobiiltelefonides, sülearvutites ja tahvelarvutites.

Protsessorite tootjad ennustasid, et aastal 2017 on ühel tavakasutaja lauaarvuti protsessoril üle 100 tuuma.

Puudused

Kuna mitmetuumaline protsessor tähendab peaaegu sama, mis kaks protsessorit, siis pidi ka arvutitel olev tarkvara toetama sellist võimalust, et mitu protsessorit saavad toimetada tarkvaraga paralleelselt. See tähendas seda, et tarkvara oli võimalik lugeda mitme tuuma poole korraga. See probleem oli üheks suureks puuduseks mitmetuumaliste protsessorite algusaegadel. Muidugi tänapäeval pole see enam takistus, kuna kõik tarkvaraarendajad peavad liikuma kaasa muutustega, et olla konkurentsivõimelised.

Mitme tuuma ja suurema andmehulga töötlemisega suureneb ka jõudlus energia järele, mis tähendab voolu tarbe ning eralduva kuumuse kasvu. Et vähendada kuumuse hajumist ühele kohale, peavad tuumad olema piisavalt eraldatud.

Väga palju tuumi ühele kiibile lisada on raske tänu ruumipuudusele. Kuna mikrokiibi, mille peale protsessor on ehitatud, suurust tuleks muuta võimalikult vähe, siis järjest enam tuumi sinna lisada muutub raskemaks, see tähendab üha enam uute mooduste leidmist.

Tänapäeval on 2–4 tuumalised protsessorid küll tavalised, aga kui minna rohkemate tuumade peale, tõuseb ka hind tasemele, mis käib tavakasutajale üle jõu.

Ajalugu

• Esimene kahetuumaline protsessor, mille disainis AMD aastal 2005, oli Athlon 64 X2. Kasutati Athlon 64 kiipi ning lisati selle peale veel üks tuum. Kasutati 90 nm tehnoloogiat ning teise taseme vahemälu tuuma kohta oli olenevalt protsessorist kas 512 või 1024 kB.
• Inteli esimene kommertslik kahetuumaline protsessor oli Pentium Extreme Edition 840, aastal 2005 välja lastud. Mõlemal tuumal oli 1024 kB teise astme vahemälu ning töötasid normaal taktsagedusel 3,2 GHz. See protsessor kasutas laiendatud mälu 64 tehnoloogiat (ingl ke Extended Memory 64 Technology (EM64T)), mis võimaldas Microsoft Windowsi 64-bitist operatsioonisüsteemi lugeda. Samuti oli Extreme Edition 840 hüperhargtöötluse toega.
• Inteli esimene nelja tuumaga protsessorite seeria oli Core 2 Quad, milles esimene protsessor oli Core 2 Extreme QX6700. Q-tähega tähistati neljatuumalisust ja X-ga tähistati Extreme väljaannet. Selle taktsagedus oli 2,66 GHz, kokku 8 MB teise taseme vahemälu. Enamasti olid see seeria kahe kiibi peal.
• AMD esimene nelja tuumaga protsessori seeria, AMD Phenom X4 koodnimega Spider (ämblik), mis asetses ühe kiibi peal, toetas hüperhargtöötlust. See oli suunatud mänguritele ja teistele arvutientusiastidele.
• AMD esimene massturule mõeldud kuue tuumaga protsessorite seeria Phenom II X6 (koodnimega Thuban) saabus turule aastal 2010. Esitletud on 2,8 ja 3,2 GHz, 3 MB teise astme ja 6 MB kolmanda astme vahemäluga. Kaasaarvatud turbovõimendiga (ingl k Turbo Boost technology), mis vajaduse korral suurendab protsessori taktsagedust kuni 500 MHz võrra. Et ära mahutada kuus tuuma, pandi need 346 mm² kiibi peale, võrreldes 258 mm² Phenom II X4-ga, millel on 4 tuuma.
• Inteli esimene lauaarvutitele mõeldud kuue tuumaga protsessor, Core i7 980X Extreme Edition. Kasutusel 32 nm tehnoloogia 3,33 GHz juures, Turbo Boostiga ulatades kuni 3,6 GHz. Võimsa 12 MB kolmanda astme vahemäluga ning hüperhargtöötlustoega saab käitada kuni 12 lõime korraga. Väljalaske ajal maksis see protsessor 1000 dollari ringis.
• 2011. aastal müüki ilmunud AMD FX seeria protsessorid koosnevad 4, 6, ja 8 tuumast. See on mõeldud just mänguritele ja mahukama andmetöötlusega tegelevatele inimestele.

Läbi aegade on kaks suuremat protsessorite tootjat AMD ja Intel võidelnud omavahel, kes teeb enne rohkemate tuumadega ja kiiremaid protsessoreid. Samuti on eesmärgiks vähendada voolutarvet ja kuumuse teket protsessorites.

Kokkuvõte

Kes peaksid kasutama mitmetuumalisi protsessoreid? Kõik, kes vajavad korraliku jõudlusega tavaarvutit, ehk need, kes tegelevad videomontaažiga, mängivad keerukamaid arvutimänge jne, peaksid eelistama mitme tuumaga protsessorit. Kes kasutavad arvutit lihtsalt internetis surfamiseks ja e-kirjade saatmiseks, saaksid hakkama ka ühetuumalise protsessoriga, aga veidi kiirema andmeedastuse saavutamiseks ei tee kahe tuumaga protsessor paha.