Tại sao các lõi CPU đều có cùng tốc độ thay vì các loại khác nhau?

Nếu bạn đã từng thực hiện nhiều so sánh mua sắm cho một CPU mới, bạn có thể nhận thấy rằng tất cả các lõi dường như có tốc độ hơn là sự kết hợp của các CPU khác nhau. Tại sao vậy? Bài hỏi và trả lời của SuperUser hôm nay có câu trả lời cho câu hỏi của người đọc tò mò.

Phiên hỏi và trả lời hôm nay đến với chúng tôi nhờ sự hỗ trợ của SuperUser - một phân ngành của Stack Exchange, một nhóm các trang web Hỏi & Đáp do cộng đồng điều khiển.

Câu hỏi

Trình đọc siêu người dùng Jamie muốn biết tại sao tất cả các lõi CPU có cùng tốc độ thay vì các tốc độ khác nhau:

Nói chung, nếu bạn đang mua một máy tính mới, bạn sẽ xác định nên mua bộ xử lý nào dựa trên khối lượng công việc dự kiến ​​cho máy tính. Hiệu suất trong các trò chơi video có xu hướng được xác định bởi tốc độ lõi đơn, trong khi các ứng dụng như chỉnh sửa video được xác định bởi số lượng lõi. Xét về những gì có sẵn trên thị trường, tất cả các CPU dường như có tốc độ gần như nhau với sự khác biệt chính là nhiều luồng hơn hoặc nhiều lõi hơn.

Ví dụ:

• Intel Core i5-7600K, tần số cơ bản 3,80 GHz, 4 lõi, 4 luồng
• Intel Core i7-7700K, tần số cơ bản 4,20 GHz, 4 lõi, 8 luồng
• AMD Ryzen 5 1600X, tần số cơ bản 3,60 GHz, 6 lõi, 12 luồng
• AMD Ryzen 7 1800X, tần số cơ bản 3,60 GHz, 8 lõi, 16 luồng

Tại sao chúng ta thấy mô hình tăng lõi này, nhưng tất cả các lõi có cùng tốc độ xung nhịp? Tại sao không có biến thể với tốc độ đồng hồ khác nhau? Ví dụ, hai lõi lớn của người Viking và rất nhiều lõi nhỏ.

Thay vì, bốn lõi tốc độ 4.0 GHz (tức là 4 × 4 GHz, tối đa 16 GHz), thì CPU có hai lõi chạy ở tốc độ 4.0 GHz và bốn lõi chạy ở tốc độ 2.0 GHz (tức là 2 × 4.0 GHz + 4 × 2.0 GHz, tối đa 16 GHz)? Tùy chọn thứ hai có tốt như nhau ở các khối lượng công việc đơn luồng, nhưng có khả năng tốt hơn ở các khối lượng công việc đa luồng?

Tôi hỏi đây là một câu hỏi chung và không liên quan cụ thể đến các CPU được liệt kê ở trên hoặc về bất kỳ một khối lượng công việc cụ thể nào. Tôi chỉ tò mò về lý do tại sao mô hình là những gì nó là.

Tại sao các lõi CPU đều có cùng tốc độ thay vì các lõi khác nhau?

Câu trả lời

Người đóng góp SuperUser bwDraco có câu trả lời cho chúng tôi:

Điều này được gọi là đa xử lý không đồng nhất (HMP) và được áp dụng rộng rãi bởi các thiết bị di động. Trong các thiết bị dựa trên ARM triển khai big.LITTLE, bộ xử lý chứa các lõi có cấu hình hiệu năng và công suất khác nhau, tức là một số lõi chạy nhanh nhưng tiêu thụ nhiều năng lượng (kiến trúc nhanh hơn và / hoặc đồng hồ cao hơn) trong khi các lõi khác tiết kiệm năng lượng nhưng chậm ( kiến trúc chậm hơn và / hoặc đồng hồ thấp hơn). Điều này rất hữu ích vì việc sử dụng năng lượng có xu hướng tăng không tương xứng khi bạn tăng hiệu suất khi bạn vượt qua một điểm nhất định. Ý tưởng ở đây là để có được hiệu suất khi bạn cần và thời lượng pin khi bạn không.

Trên các nền tảng máy tính để bàn, tiêu thụ điện năng ít hơn một vấn đề, vì vậy điều này không thực sự cần thiết. Hầu hết các ứng dụng đều mong muốn mỗi lõi có các đặc tính hiệu năng tương tự nhau và quá trình lập lịch cho các hệ thống HMP phức tạp hơn nhiều so với lập lịch cho các hệ thống đa xử lý đối xứng truyền thống (SMP) (về mặt kỹ thuật, Windows 10 có hỗ trợ cho HMP, nhưng chủ yếu dành cho thiết bị di động thiết bị sử dụng ARM big.LITTLE).

Ngoài ra, hầu hết các bộ xử lý máy tính để bàn và máy tính xách tay ngày nay không bị giới hạn về nhiệt hoặc điện ở điểm mà một số lõi cần phải chạy nhanh hơn các lõi khác, ngay cả đối với các vụ nổ ngắn. Về cơ bản, chúng ta đã đạt được một bức tường về việc chúng ta có thể tạo ra các lõi riêng lẻ nhanh như thế nào, do đó, việc thay thế một số lõi bằng các lõi chậm hơn sẽ không cho phép các lõi còn lại chạy nhanh hơn.

Mặc dù có một vài bộ xử lý máy tính để bàn có một hoặc hai lõi có khả năng chạy nhanh hơn các bộ xử lý khác, khả năng này hiện bị giới hạn ở một số bộ xử lý Intel cao cấp nhất định (được gọi là Turbo Boost Max Technology 3.0) và chỉ tăng một chút hiệu suất cho những lõi có thể chạy nhanh hơn.

Mặc dù chắc chắn có thể thiết kế bộ xử lý x86 truyền thống với cả lõi lớn, nhanh và lõi nhỏ hơn, chậm hơn để tối ưu hóa cho khối lượng công việc nhiều luồng, điều này sẽ tăng thêm độ phức tạp đáng kể cho thiết kế bộ xử lý và các ứng dụng khó có thể hỗ trợ chính xác cho nó.

Sử dụng bộ xử lý giả thuyết với hai lõi Kaby Lake (thế hệ thứ 7) nhanh và tám lõi Goldmont (Atom) chậm. Bạn sẽ có tổng cộng 10 lõi và khối lượng công việc được xử lý nhiều luồng được tối ưu hóa cho loại bộ xử lý này có thể thấy hiệu suất và hiệu quả vượt trội so với bộ xử lý Kaby Lake lõi tứ thông thường. Tuy nhiên, các loại lõi khác nhau có mức hiệu năng cực kỳ khác nhau và lõi chậm thậm chí không hỗ trợ một số hướng dẫn hỗ trợ lõi nhanh, như AVX (ARM tránh vấn đề này bằng cách yêu cầu cả lõi lớn và lõi LITTLE hỗ trợ cùng một hướng dẫn ).

Một lần nữa, hầu hết các ứng dụng đa luồng dựa trên Windows đều cho rằng mọi lõi đều có cùng mức hoặc gần bằng mức hiệu năng và có thể thực hiện cùng một hướng dẫn, do đó loại không đối xứng này có thể dẫn đến hiệu suất kém lý tưởng, thậm chí có thể sự cố nếu nó sử dụng các hướng dẫn không được hỗ trợ bởi các lõi chậm hơn. Mặc dù Intel có thể sửa đổi các lõi chậm để thêm hỗ trợ hướng dẫn nâng cao để tất cả các lõi có thể thực hiện tất cả các hướng dẫn, nhưng điều này sẽ không giải quyết các vấn đề với hỗ trợ phần mềm cho các bộ xử lý không đồng nhất.

Một cách tiếp cận khác nhau về thiết kế ứng dụng, gần hơn với những gì bạn có thể nghĩ về câu hỏi của mình, sẽ sử dụng GPU để tăng tốc các phần ứng dụng song song cao. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các API như OpenCL và CUDA. Đối với giải pháp đơn chip, AMD thúc đẩy hỗ trợ phần cứng để tăng tốc GPU trong các APU của nó, kết hợp CPU truyền thống và GPU tích hợp hiệu năng cao vào cùng một chip, như Kiến trúc hệ thống không đồng nhất, mặc dù điều này chưa thấy được sự hấp thụ của ngành công nghiệp bên ngoài của một vài ứng dụng chuyên biệt.

Có một cái gì đó để thêm vào lời giải thích? Tắt âm thanh trong các ý kiến. Bạn muốn đọc thêm câu trả lời từ những người dùng Stack Exchange am hiểu công nghệ khác? Kiểm tra chủ đề thảo luận đầy đủ ở đây.

Tín dụng hình ảnh: Mirko Waltermann (Flickr)