علت تفاوت هسته‌ها در معماری پردازنده‌های اینتل

تا پیش از سال ۲۰۰۵ که اولین پردازنده‌ی دوهسته‌ای اینتل به نام پنتیوم D با ۴ هسته‌ی مجازی معرفی شد؛ پردازنده‌ها فقط از یک هسته با قابلیت اجرای تنها یک ترد (کوچک‌ترین واحد مستقل قابل اجرا از یک برنامه) در هر لحظه تشکیل می‌شدند. به تدریج امکان اجرای موازی چند ترد (مولتی‌تردینگ) در یک هسته ایجاد شد و بعد از آن پردازنده‌های چندهسته‌ای، از دو هسته تا هشت هسته و بیشتر ساخته شدند. امروزه پردازنده‌های نسل دوازدهم و سیزدهم اینتل دارای تعدادی هسته‌ی کوچک و بزرگ هستند؛ مثلا پردازنده‌ی نسل سیزدهم ۸ هسته‌ی بزرگ قدرتمند و ۱۶ هسته‌ی کوچک کم‌مصرف دارد. اما چرا باید این هسته‌ها با هم متفاوت باشند؟ و چرا ما باید به این نکته توجه کنیم؟

تا پیش از نسل ۱۲، پردازنده‌های اینتل از هسته‌هایی با ظرفیت و سرعت پردازش کاملا یکسان ساخته شده بودند. هدف از قرار دادن چند هسته این است که کارها بین آن‌ها تقسیم شود تا سرعت اجرا بالاتر برود؛ در نتیجه معماری هسته‌ها بسیار مهم خواهد بود.

در سال ۲۰۱۱، شرکت انگلیسی ARM تصمیم گرفت از معماری بزرگ-کوچک (big.LITTLE) در ساخت تراشه‌هایش استفاده کند. در این طراحی، دو نوع هسته با کاربرد‌های متفاوت را در پردازنده می‌بینیم. هسته‌ی بزرگ بر کارایی بالاتر متمرکز است و وظایف سنگین‌تر را انجام می‌دهد؛ در حالی که هسته‌ی کوچک به بازدهی توجه می‌کند و کارهای پشت صحنه را با صرف انرژی کمتر برعهده می‌گیرد. این ترکیب باعث تقویت عملکرد پردازنده، همزمان با کاهش توان مصرفی آن می‌شود.

در طراحی با دو نوع هسته‌ی مختلف اینتل، هسته‌های عملکردی (P-cores)، قوی‌ترین و بزرگ‌ترین هسته‌ها در تراشه هستند. این هسته‌ها بیشترین انرژی را مصرف می‌کنند، بالاترین فرکانس را دارند و در کل، دستورالعمل‌ها و وظایف اصلی اجرای یک برنامه را برعهده می‌گیرند. این هسته‌ها، هسته‌های "اصلی" هستند که بیشتر کارهای سخت را انجام می‌دهند و وزن سنگین را برمی‌دارند. در پردازنده‌های جدید اینتل، هسته‌های اصلی بر اساس ریزمعماری Golden Cove یا Raptor Cove (به ترتیب برای نسل ۱۲ و نسل ۱۳) بنا شده‌اند که جایگزین هسته‌‌ی Cypress Cove مورد استفاده در تراشه‌های راکت لیک (Rocket Lake) نسل ۱۱ شده‌ است.

هسته‌های اصلی انجام فرآیندهای سنگین‌تر، مثل اجرای و پردازش‌های مربوط به بازی را برعهده می‌گیرند و آن‌ها را به خوبی عملکرد یک پردازنده‌ی تک هسته‌ای به پایان می‌رسانند. در گذشته وقتی که هسته‌های پردازنده‌ اینتل یکسان بودند؛ بار همه‌ی پردازش‌ها به‌طور مساوی بین‌ آن‌ها تقسیم می‌شد. از طرف دیگر، هسته‌های اصلی قابلیت ایجاد هسته‌های مجازی (هایپرتردینگ hyperthreading) دارند که یکی از فناوری‌های اختصاصی اینتل و به‌معنی انجام دو فرآیند به‌صورت موازی و مستقل از‌طریق یک هسته است.

هسته‌ی عملکرد (P-core) در واقع همان هسته‌ای است که همواره وجود داشته است؛ اما نقش اصلی در معماری جدید مربوط به هسته‌های کم‌مصرف (E-cores) می‌شود. در حالی که هسته‌ی اصلی عمده‌ی حجم پردازش‌ها، سرعت کلاک و مصرف انرژی را به‌خود جذب می‌کند؛ هسته‌های کم‌مصرف یک قدم عقب‌تر قرار می‌گیرند و وظایف پشت‌صحنه‌ی روزمره را انجام می‌دهند.

هسته‌های کم‌مصرف از هسته‌های اصلی کوچک‌تر و ضعیف‌تر هستند و انرژی کم‌تری مصرف می‌کنند. تمرکز آن‌ها بر انجام کارها با بیشترین بازدهی و کمترین مصرف انرژی است.

در تراشه‌های نسل دوازدهم و سیزدهم اینتل، هسته‌های کم‌مصرف بر مبنای ریز‌معماری گریسمونت (Gracemont) ساخته شده‌اند. این ریزمعماری، جایگزین ترمونت (Tremont) است که برای ساخت هسته‌های کم‌مصرف در بعضی از تراشه‌های سری پنتیوم و سلرون لپ‌تاپ‌ استفاده می‌شود. هسته‌های کم‌مصرف دارای فرکانس کاری پایینی هستند؛ این فرکانس حتی به ۷۰۰ مگاهرتز در تراشه‌های تلفن‌همراه می‌رسد. باوجود اینکه این هسته‌ها توان مصرفی پایینی دارند؛ اینتل دوست دارد عملکرد آن‌ها را در مقایسه با پردازنده‌های نسل‌های قبل، به‌رخ بکشد.

به گفته اینتل، هسته‌های اصلی در تراشه‌های نسل ۱۲ با عملکرد ۱۹ درصد بهتر نسبت به هسته‌های موجود در تراشه‌های نسل ۱۱ عرضه شدند و در نسل سیزدهم نیز این بهبود ادامه پیدا کرد. از سوی دیگر هسته‌های کم‌مصرف نیز عقب نمانده‌اند. آن‌ها با همان مصرف انرژی موجود در تراشه‌های مبتنی بر ریزمعماری اسکای لیک (Skylake)، به اندازه‌ی ۴۰ درصد عملکرد بهتری نشان می‌دهند. ریزمعماری Skylake در سال ۲۰۱۵ رونمایی شد و توان مصرفی بسیار کمتر و قدرت پردازش گرافیکی بالاتری نسبت به نسل‌های قبل خود داشت و هنوز هم در برخی از کامپیوترهای گیمینگ استفاده می‌شود؛ بنابراین برای هسته‌هایی که باید مصرف انرژی کمتری داشته باشند، گزینه‌ی مناسبی به‌نظر می‌رسد.

با این چینش جدید هسته‌ها، اینتل همچنان برتری خود را در رقابت پردازنده‌ها حفظ می‌کند. استفاده از ترکیب هسته‌های عملکردی و کارآمدی، پردازنده‌های اینتل را به انتخاب‌ ایده‌آلی برای اهداف گیمینگ و انجام پروژه‌های گرافیکی تبدیل کرده است. نمی‌توان گفت هسته‌های اصلی در برای هسته‌های کم‌مصرف قرار می‌گیرند؛ زیرا همه‌ی آنها درکنارهم به تقویت عملکرد پردازنده کمک می‌کنند.

بنچمارک‌های تراشه‌های جدید اینتل نشان داده‌اند که عملکرد شگفت‌انگیزی درحالت تک‌هسته‌ای دارند و امتیازهای بسیار بالایی درحالت چندهسته‌ای به‌دست آورده‌اند و قابلیت انعطاف‌پذیری برجسته‌ای را به‌نمایش می‌گذارند. پردازنده‌های اینتل به‌خاطر عملکرد برجسته درحالت تک‌هسته‌ای مشهور بودند؛ اما گاهی به‌خاطر عقب‌ماندن درحالت چندهسته‌ای نسبت به پردازنده‌های AMD مورد انتقاد قرار می‌گرفتند؛ اما قالب جدید طراحی هسته‌ها این نقص را برطرف کرده است.

از طرف دیگر، AMD می‌داند که این فرمول نجات‌دهنده است؛ بنابراین درحالی‌که Ryzen ۷۰۰۰ با قالبی از هسته‌های Zen ۴ کاملاً یکسان عرضه شد، شایعات حاکی از آن است که تراشه‌های Ryzen ۸۰۰۰، با معماری جدیدی از ترکیب هسته‌های مختلف شامل هسته‌های کم‌مصرف Zen ۴ به همراه هسته‌های پرقدرت جدید Zen ۵ خواهند آمد.