Quan es van inventar per primera vegada els ordinadors personals, la seva unitat central de processament (CPU) es trobava sola i tenia un nucli de processador únic. El processador en va ser el nucli; la idea de tenir un processador de nuclis múltiples era encara inèdita. Avui en dia, no és gens estrany veure ordinadors, telèfons i altres dispositius amb múltiples nuclis, de fet, gairebé tots els ordinadors de qualsevol tipus comercials que tinguin diversos nuclis. Aquests nuclis resideixen a la mateixa, única, CPU o unitat de processament central.
Tenir diversos nuclis és un gran avantatge. Amb un sol nucli, un ordinador només pot treballar en una tasca alhora, havent de completar una tasca abans de passar a una altra. No obstant això, amb més nuclis, un ordinador pot treballar en diverses tasques alhora, cosa que és especialment útil per a aquells que realitzen molta tasca multitasca.
Abans de aprofundir en el funcionament dels processadors multi-core, és important parlar una mica sobre el fons de la tecnologia de processament, després es tractarà de què fan els processadors multi-core.
Alguna història
Abans que es creessin processadors amb múltiples nuclis, persones i empreses com Intel i AMD van intentar construir ordinadors amb diverses CPU. El que significava era que calia una placa base amb més d'una presa de CPU. Això no només era més car, a causa del maquinari físic necessari per a una altra presa de CPU, sinó que també va augmentar la latència a causa de la major comunicació que calia tenir lloc entre els dos processadors. Una placa base va haver de dividir les dades entre dues ubicacions completament separades en un ordinador en lloc de simplement enviar-les al processador. La distància física significa, de fet, que un procés és més lent. Posar aquests processos en un xip amb múltiples nuclis no només significa que hi ha menys distància per recórrer, sinó que també significa que diferents nuclis poden compartir recursos per realitzar tasques especialment pesades. Per exemple, els xips Pentium II i Pentium III d'Intel es van implementar en versions amb dos processadors en una placa base.
Al cap d'un temps, els processadors van haver de ser més potents, per la qual cosa els fabricants d'ordinadors van arribar al concepte d'hiperfils. El concepte prové d’Intel i es va concebre per primera vegada el 2002 als processadors de servidor Xeon de l’empresa, i després als seus processadors Pentium 4 d’escriptori. La hiperfilació encara s’utilitza avui en dia en processadors i és fins i tot la principal diferència entre els xips i5 d’Intel i els seus xip i7. Bàsicament s’aprofita que sovint hi ha recursos no utilitzats en un processador, concretament quan les tasques no requereixen molta potència de processament, que es podrien utilitzar per a altres programes. Un processador que utilitza hiperfils bàsicament es presenta a un sistema operatiu com si tingui dos nuclis. Per descomptat, realment no té dos nuclis, però, per a dos programes que utilitzin la meitat del poder de processament disponible o menys, també hi pot haver dos nuclis perquè també junts poden aprofitar tota la potència que el processador ha d’oferir. Tanmateix, la hiperfilació serà lleugerament més lenta que un processador amb dos nuclis quan no hi ha prou potència de processament per compartir entre els dos programes utilitzant el nucli.
Aquí podeu trobar un vídeo interessant amb una explicació breu i detallada de la hiperfilació.
Multi-processadors
Després de molta experimentació, finalment es van poder crear CPU amb diversos nuclis. El que significava era que un sol processador tenia bàsicament més d’una unitat de processament. Per exemple, un processador de dos nuclis té dues unitats de processament, un quad-core en té quatre, etc.
Per què les empreses van desenvolupar processadors amb diversos nuclis? Doncs bé, la necessitat de processadors més ràpids era cada cop més evident, tot i que els avenços en processadors de nucli únic es van alentir. Des de la dècada de 1980 fins als anys 2000, els enginyers van ser capaços d’augmentar la velocitat de processament des de diversos megavarts a diversos Gigahertz. Empreses com Intel i AMD van fer això reduint la mida dels transistors, cosa que va permetre més transistors en la mateixa quantitat d’espai, millorant així el rendiment.
A causa del fet que la velocitat del rellotge del processador està molt relacionada amb quants transistors poden encaixar en un xip, quan la tecnologia de reducció del transistor va començar a retardar, el desenvolupament de la velocitat augmentada del processador també va començar a retardar-se. Tot i que no va ser quan les empreses van conèixer per primera vegada els processadors multi-core, va ser quan van començar a experimentar amb processadors multi-core amb finalitats comercials. Si bé els processadors multi-core es van desenvolupar per primera vegada a mitjan anys vuitanta, van ser dissenyats per a grans corporacions i no es van revisar realment fins que la tecnologia d'un sol nucli va començar a frenar. El primer processador multi-nucli va ser desenvolupat per Rockwell International, i va ser una versió del xip 6501 amb dos processadors 6502 en un xip (més detalls aquí estan disponibles en aquesta entrada de Viquipèdia).
Què fa un processador multiusos?
Bé, és molt senzill. Tenir diversos nuclis permet fer diverses coses alhora. Per exemple, si esteu treballant en correus electrònics, teniu obert un navegador d’Internet, treballeu en un full de càlcul excel·lent i esteu escoltant música a iTunes, un processador de quatre nuclis pot treballar en totes aquestes coses alhora. O si un usuari té una tasca que cal completar de seguida, es pot dividir en tasques més petites i més fàcils de processar.
L'ús de diversos nuclis no només es limita a diversos programes. Per exemple, Google Chrome presenta cada pàgina nova amb un procés diferent, el que significa que pot aprofitar diversos nuclis alhora. Alguns programes, tanmateix, són el que s’anomena mon filat, el que significa que no s’han escrit per poder utilitzar diversos nuclis i, per tant, no poden fer-ho. La hiperfilació torna a jugar aquí, permetent a Chrome enviar diverses pàgines a dos “nuclis lògics” en un nucli real.
Anar de la mà dels processadors multiusos i la hiperfilació és un concepte anomenat multithreading. El multitreball és essencialment la capacitat d’un sistema operatiu d’aprofitar diversos nuclis dividint el codi en la seva forma més bàsica, o fils, i alimentant-lo a diferents nuclis simultàniament. Això és, per descomptat, important en els processadors múltiples i en els processadors múltiples. La multi-threading és una mica més complexa del que sembla, ja que requereix que els sistemes operatius ordenin correctament el codi de manera que el programa pugui continuar funcionant de manera eficient.
Els propis sistemes operatius fan coses similars amb processos propis, no només es limiten a les aplicacions. Els processos del sistema operatiu són coses que el sistema operatiu fa sempre en segon pla, sense que l'usuari ho sàpiga necessàriament. A causa del fet que aquests processos són sempre en marxa, tenir hiperfils i / o múltiples nuclis pot ser de gran ajuda, ja que allibera el processador per poder treballar en altres coses com el que està passant a les aplicacions.
Com funcionen els processadors multi-nucli?
Primer, la placa base i el sistema operatiu han de reconèixer el processador i que hi ha diversos nuclis. Els ordinadors més antics només tenien un nucli, de manera que un sistema operatiu més antic pot no funcionar massa bé si un usuari intenta instal·lar-lo en un equip més recent amb diversos nuclis. Windows 95, per exemple, no admet hiperenfils o diversos nuclis. Tots els sistemes operatius recents admeten processadors multi-core, inclosos els del tipus Windows 7, 8, el recent llançat 10 i el sistema operatiu Apple 10.10.
En poques paraules, el sistema operatiu li diu a la placa base que cal fer un procés. La placa base li diu al processador. En un processador multi-core, el sistema operatiu pot demanar al processador que faci diverses coses alhora. Essencialment, mitjançant la direcció del sistema operatiu, les dades es traslladen del disc dur o RAM, a través de la placa base, al processador.
Processador multicanal
Dins d’un processador, hi ha diversos nivells de memòria cau que contenen dades per a la següent operació o operacions del processador. Aquests nivells de memòria cau garanteixen que el processador no hagi de mirar molt lluny per trobar el seu següent procés, estalviant molt de temps. El primer nivell de memòria cau és la memòria cau L1. Si el processador no pot trobar les dades que necessita per al seu següent procés a la memòria cau L1, es mira a la memòria cau L2. La memòria cau L2 és més gran en memòria, però és més lenta que la memòria cau L1.
Processador d'un sol nucli
Si un processador no pot trobar el que cerca a la memòria cau L2, continua la línia fins a L3, i si un processador en té, L4. Després d'això, es veurà a la memòria principal o a la memòria RAM d'un equip.
També hi ha diferents maneres de manejar els diferents processadors per a la memòria cau de diferències. Per exemple, alguns dupliquen les dades de la memòria cau L1 de la memòria cau L2, que és bàsicament una manera d’assegurar-se que el processador pot trobar el que busca. Això sí, per descomptat, agafar més memòria a la memòria cau L2.
També es juguen diferents nivells de memòria cau en processadors multi-nuclis. Normalment, cada nucli tindrà la seva memòria cau L1, però compartiran memòria cau L2. Això és diferent de si hi hagués diversos processadors, perquè cada processador té la seva pròpia L1, L2 i qualsevol altra memòria cau de nivell. Amb diversos processadors d’un sol nucli, el compartir caché simplement no és possible. Un dels principals avantatges de tenir una memòria cau compartida és la possibilitat d’utilitzar al màxim una memòria cau, ja que si un nucli no utilitza la memòria cau, l’altre pot.
En un processador de múltiples nuclis, quan busqueu dades, un nucli pot examinar la seva pròpia memòria cau L1 única i, després, es distribuirà en memòria cau L2 compartida, RAM i, finalment, al disc dur.
És probable que continuem veient el desenvolupament de més nuclis. Les velocitats del rellotge del processador continuaran millorant, tot i que a ritmes més baixos que abans. Tot i que ara no és rar veure processadors octa-core en coses com els telèfons intel·ligents, aviat podríem veure processadors amb desenes de nuclis.
Cap a on creus que es dirigeix la tecnologia de processament multi-nucli? Feu-nos-ho saber als comentaris següents o iniciant un nou fil al nostre fòrum de la comunitat.
