בהווה ובעתיד: כל מה שצריך לדעת על עולם המעבדים

בשנים האחרונות עולם המעבדים (CPUs – Central Processing Units) עובר שינויים משמעותיים, החל מן המעבר לריבוי הליבות ועד לאינטגרציה של ספריות ורכיבים ייחודיים בעבור יישומי בינה מלאכותית.

תאמינו או לא אבל כיום קיימות הרבה יותר מ-2 יצרניות מעבדים בעולם כאשר החמש המוכרות הן: Intel, AMD, Qualcomm, Apple וגם Zhaoxin הסינית, כאשר שתי יצרניות המעבדים הגדולות ביותר למחשבים ניידים ומחשבים שולחניים הן כמובן Intel ו-AMD שבשנים האחרונות התחרות ביניהן הפכה למעניינת במיוחד.

חברת Nvidia מייצרת גם היא שבבי עיבוד לשימושים מגוונים אך השבבים שלה הם מסוג GPU (יGraphics Processing Unit) ולא CPU ולכן לא כללתי גם אותה ברשימה. תחום ה-GPUs הוא נושא לכתבה אחרת שתגיע גם היא בהמשך.

התחרות בין יצרניות המעבדים השונות מתרכזת סביב מספר קהלי יעד שונים וביניהם גם הגיימרים כאשר לכל אחת מן החברות ישנה הדרך שלה לפנות לכל קהל יעד. האחת תדגיש את ביצועי הליבה הבודדת שלה, האחרת את כמות הליבות ואילו חברה שלישית יכלה להדגיש חסכוניות בחשמל או IPC לצורך העניין.

במשך השנים ובתקופה האחרונה בעיקר אנחנו ערים לדיונים רבים באינטרנט סביב תחום המעבדים למחשבים שולחניים והרבה מאוד מושגים ומספרים נזרקים לאוויר, לא פעם יצא לנו לראות השוואה בין תדרים, בין כמות ליבות, בין IPC ואפילו בין הליתוגרפיה של המעבדים (תהליך ייצור, למשל: 7nm).

אחד הדברים שמתפספסים כמעט בכל דיון ודיון הוא מה כל אותם נתונים אומרים, מה זה באמת אומר שהמעבד מיוצר ב-7nm ומה החשיבות של תדרים גבוהים כמו 5Ghz, האם באמת יש צורך ב-8 ליבות או שמא אפילו 4 מספיקות? 

בכתבה הזו, אנחנו נציג כמה מושגים מעולם המעבדים, על החשיבות של הנתונים הטכניים ונדבר קצת על העתיד של עולם המעבדים. 

CPU
תמונות המחשה למעבד

תדרים ו-IPC

נתחיל את החלק הטכני של הכתבה עם נושא ה-תדרים ו-IPC. על המושג תדר סביר להניח שכנראה שמעתם, הוא אחד הפרמטרים הבולטים ביותר המוצגים במפרט של כל מעבד. לפני שאני בכלל מתחיל להיכנס לעומק אחת הנקודות החשובות שאני רוצה להבהיר היא שתדר שונה ממהירות, פעמים רבות אנשים מבלבלים בין שני המושגים הללו ולכל אחד מהם יש הגדרה פיזיקלית שונה לגמרי.

הדיבור סביב התדרים קיים בעיקר בהקשר של אינטל ובעיקר סביב התדרים הגבוהים של מעבדי אינטל המגיעים עד לכ-5Ghz אל מול מעבדי AMD שהתדרים שלהם נעצרים אי שם בסביבות ה-4.6Ghz. יחד עם זאת, התדר כשלעצמו לא קובע יותר מידי, אם זה היה המצב, סביר להניח שהיינו רואים את מעבד ה-FX-9590 של AMD מככב כבר המון שנים, בכל זאת הוא מגיע לתדר של 5.0Ghz והוא יצא לשוק בשנת 2013.

אחד הפרמטרים שלא זוכה להגיע לאור הזרקורים הוא ה-IPC. ה-IPC הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר בעבור מגוון עצום של שימושים. ה-IPC או בשמו המלא הוא Instructions per Cycle כשמו כן הוא, כמה פעולות המעבד יכול לעשות בכל מחזור שעון.

הדרך הטובה ביותר להבין מהו IPC היא דוגמא דווקא מעולם הלימודים. דמיינו לכם שני תלמידים שקיבלו 100 באנגלית, על פניו זה נראה אותו ציון, כמו ששני מעבדים שונים יכולים להציג תדר זהה, למשל ה-FX-9590 וה-i9-9900ks ששניהם מגיעים ל-5Ghz.

כעת אני אוסיף נתון, אחד התלמידים לומד ב-5 יחידות לימוד ואילו השני לומד ב-3 יחידות לימוד. אז נכון, על פניו שניהם קיבלו את אותו הציון – 100 אך הציון של התלמיד הלומד ב-5 יחידות לימוד הרבה יותר מרשים, מראה יותר ידע והוא ככל הנראה גם עשה הרבה יותר פעולות במבחן על מנת לקבל את הציון הזה.

כך גם שני מעבדים, מצד אחד שני מעבדים יכולים להראות תדר זהה ולקבל ביצועים שונים ואילו במקרה אחר מעבד בעל תדר נמוך יותר יכול להפיק את הביצועים הטובים יותר, זה תלוי ב-IPC של הארכיטקטורה עליה מבוסס המעבד.

על מנת למדוד הבדלי IPC, נהוג להגדיר את המעבדים בהשוואה על תדר זהה ולהריץ מבחן ביצועים הנועד לבדוק ליבה בודדת, למשל מבחן ה-Single Core של Cinebench R15. השילוב של תדר ו-IPC ביחד יכול לתת תמונה נכונה יותר אודות ביצועי מעבד מסויים בהשוואה לאחרים ואילו התדר עצמו לא תמיד משקף את תמונת המצב המלאה.

ליבות, ליבות ועוד ליבות או שלא?….

cpu cores as mini cpus
המחשה. ליבות המעבד כמעבדים קטנים.

קיימים ברשת דיונים רבים, ארוכים, עמוסים ואפילו חופרים בנושא כמות הליבות, על החשיבות של כמות ליבות וכמה ליבות הצרכנים השונים באמת צריכים.

הדרך הפשוטה ביותר להגדיר מהי ליבה היא לקרוא לה "מעבד קטן" ובעצם המעבדים שיש לנו במחשב מתחלקים לכמה "מעבדים קטנים" כאשר לכל ליבה יש יכולות עיבוד משלה. במעבדים בעלי טכנולוגיות HT או SMT כל ליבה פיזית מופיעה במערכת ההפעלה כשתי ליבות לוגיות וכל ליבה פיזית מסוגלת לבצע 2 פעולות במקביל ולא אחת.

הגישה המתפתחת כיום היא של ריבוי ליבות, משחקי ה-AAA שיוצאים לשוק מתעדפים יותר ויותר ריבוי ליבות על פני ביצועי ליבה בודדת (תדר ו-IPC). יחד עם זאת משחקי Esports כמו Counter-Strike: Global Offensive מתעדפים את הליבה הבודדת ולא מסוגלים לנצל ריבוי ליבות עקב מגבלות של מנועי המשחקים.

גם בעולם המקצועי קיימת מחלוקת דומה, כמפתח בינה מלאכותית בתחילת דרכי אני יכול להגיד שבינה מלאכותית דורשת ריבוי ליבות וכמה שיותר ליבות ככה יותר טוב ואילו יישומים כמו Adobe Photoshop יעדיפו את ביצועי הליבה הבודדת.

ליתוגרפיה: מה בכלל הגודל קובע?

סביב הליתוגרפיה ותהליכי הייצור רצות הרבה דעות לא מבוססות ברחבי הרשת, אנשים ממהרים לתקוף אינטל בגלל שהיא נשענת על 14nm בשנים האחרונות מול AMD שהתקדמה בשנה האחרונה לתהליך הייצור 7nm של TSMC.

לפני שאתם ממהרים לתקוף חברה כזו או אחרת על תהליך הייצור שלה בואו נבין באמת מה הוא אומר ועל מה הוא באמת משפיע. הדבר הראשון שחשוב לי להדגיש הוא שאין סטנדרט למדידה של תהליך הייצור ובמילים אחרות זה אומר ש-14nm של אינטל לא בהכרח זהה ל-14nm של TSMC או ל-14nm של GlobalFoundries וכן הלאה.

למעשה, תהליך הייצור 10nm של אינטל עשוי להיות יותר "טוב" מתהליך הייצור 12nm או אפילו 7mn של חברה אחרת. מעבר לכך תהליך הייצור לא משפיע באופן ישיר על הביצועים וכהוכחה לכך אפשר לראות את מעבדי ה-Coffee Lake R של אינטל המיוצרים בתהליך ייצור של 14nm מתחרים ראש בראש עם מעבדי Zen2 של AMD המיוצרים בתהליך ייצור של 7nm. תהליך הייצור כן יכול להשפיע על צריכת החשמל של המעבד, על כמות הטרנזיסטורים הקיימים בו וכמובן שגם על החום אותו הוא פולט.

עוד נקודה שחשוב להבהיר היא שככל שתהליך הייצור קטן ובעיקר כשמגיעים לתהליכי ייצור חד ספרתיים, בכל הקטנה של תהליך הייצור הקושי להגיע לתדרים גבוהים הולך וגדל זאת עקב תכונות פיזיקליות כמו התנגדות חשמלית כך שאין טעם לצפות לתדרים גבוהים משמעותית עם הקטנת תהליכי הייצור.

נקודה נוספת ואחרונה שגם היא מתפספסת מידי פעם היא שלא כל רכיבי המעבד מיוצרים בתהליך הייצור הנקוב במפרט המעבד/ארכיטקטורה. בעולם של צ'יפלטים (chiplets) ו-Infinity Fabric רכיבים שונים של המעבד יכולים להגיע בתהליכי ייצור שונים. התהליך הנקוב מתייחס לרכיבים הקטנים ביותר.

השורה התחתונה

אפשר לחקור את הדרישות של התוכנות והמשחקים בהם אתם משחקים ומשתמשים, אפשר להתחיל להשוות תדרים, כמות ליבות, IPC ועוד שלל של פרטים ומפרטים, ההצעה שלנו היא אכן לבדוק את המפרטים אך גם לבדוק מבחני ביצועים וכמה שיותר.

אם אתם גיימרים אז למזלכם לא חסרים מבחני ביצועים והשוואות, באתר שלנו, בערוצי היוטיוב, בפורומים ובעוד אינספור אתרים שמעלים מבחני ביצועים כאלו ואחרים במשך כל השנה.

אם אתם יוצרי תוכן, אני ממליץ לכם להציץ באתר Puget Systems, הם עושים מגוון רחב של בדיקות מעמיקות ומקצועיות, בעיקר בתוכנות של Adobe. הם יודעים לנטר ולזהות את הצרכים של כל תוכנה ובהתאם להמליץ על חומרה מתאימה.

ליישומי בינה מלאכותית ולכל שימוש אחר יש גם פורומים ואתרים ייעודים. גם אני מריץ מדי פעם השוואות ביישומי בינה מלאכותית ואימוני DNN על חומרה שיוצא לי להשתמש בה. השורה התחתונה היא שלכל יישום יש דרישות שונות ולכל מעבד יש ביצועים שונים.

עוד חשוב לציין כי מעבר לנתונים שציינתי ישנם פרטמרים רבים נוספים כדוגמת רמות ה-Cache השונות, ה-TDP, הליבה הגראפית ונתונים טכניים נוספים על המעבדים. בכתבה הזו בחרנו להתמקד בכמה עיקריים עבור גיימרים.

בשורה התחתונה, אי אפשר לקבוע שרק תדר חשוב או רק IPC חשוב או שרק מעבדי 7nm הם טובים, הכל תלוי בשימושים, ביישומים ובמשחקים. מעבדים כמו ה-i9-9900k של אינטל וה-Ryzen 7 3700X של AMD יכולים לתת את שני העולמות של ריבוי ליבות לצד תדרים ו-IPC גבוהים.

עתיד עולם המעבדים

Silicon chips
שבבי סיליקון.

כפי שציינתי מספר פעמים במהלך הכתבה, עולם המעבדים עובר לא מעט שינויים בשנים האחרונות. אנחנו רואים את היצרניות מכוונות יותר ויותר לריבוי ליבות כאשר אחת המגמות החדשות אותה מובילה אינטל היא הוספה של ספריות ומאיצים (Accelerators) בעבור בינה מלאכותית – תחום שייקח חלק מכובד בחיים של כולנו בעתיד הלא ממש רחוק ובעבור חלקנו אפילו בהווה.

עולם המעבדים עובר טרנספורמציה מאוד מעניינת. בעבר המהנדסים דיברו בעיקר על ריבוי ליבות, על הגדלת תדרים ועל הקטנת תהליכי ייצור אבל היום המגמה היא שונה. אנחנו מתחילים לראות שינויים מאוד מעניינים בעולם המעבדים, כאלו שהולכים להשפיע גם על מי שלא עוסק באופן ישיר בתחום כאשר בסופו של יום במהלכו של עידן ה-Data וה-AI כל העולם, העבודות, התהליכים והמשימות שאנחנו עושים מדי יום ישתנו מקצה לקצה.

במהלך העבודה על הכתבה, שאלנו גם את חברת אינטל איך היא רואה את עולם המעבדים בעוד מספר שנים מהיום. הנה התשובה שקיבלנו:

"מוקדם יותר השנה, אינטל הציגה מפת דרכים של שאיפות. אנחנו עוברים מעידן ה-PC לעידן ה-Data עם המטרה 'Intel powering the world' עד לשנת 2021. אנחנו הובלנו את עולמות המעבדים והטרנזיסטורים אך כשאנחנו מסתכלים על עידן ה-Data אנחנו מבינים שההובלה שלנו צריכה לעבור מעבר לארכיטקטורת ומעבדים.

אם תסתכלו על Data-Center מודרני, תראו שהוא בנוי מכמה סוגי שבבים: CPU, GPU, FPGA וגם AI accelerators. כל סוג שבבים טוב למטרה אחרת. מעבדים טובים למשימות חישוב סקלריות כלליות, GPUs טובים ל-Vector Processing, מאיצי AI טובים לחישובי מטרציצות ו-FPGAs טובים ל-spacial computing.

הרבה מהלקוחות שלנו לא מריצים רק אחת מהמשימות האלה, הם מריצים שילוב של כולן ואנחנו רוצים לתמוך בזה. אנחנו הוספנו האצת AI למעבדים עבור Matrix calculations, מה שאיפשר שיפור של פי 10 בביצועים דרך DL Boost. בנוסף, עבדנו גם על AI accelerators ייחודיים לתוספת של X10 לביצועי המעבדים.

הדרך להבין את האסטרטגיה של אינטל היא קלה מאוד. אנחנו מאמינים ש-AI צריך להיות בכל מקום. כל שבבי העיבוד וכל המוצרים במפות הדרכים של אינטל יכללו האצת בינה מלאכותית בין אם זה CPU, GPU, FPGA, IoT או כל דבר אחר.

יחד עם זאת, הדבר החשוב ביותר הוא Software Stack אחיד. הלקוחות לא רוצים להתמודד עם רכיבים בודדים, הם רוצים מערכת Eco System אחת. זו הסיבה שבגללה אנחנו מפתחים API אחיד, כדי להביא את כל הטכנולוגיות החדשות במעטפת אחת. "

כשקראנו את תגובתה של אינטל נשארנו עם פה פעור, יש כאלו שיפרשו את המצב הקיים כלא מזהיר במיוחד עבורה אך לאינטל יש תוכניות עצומות לעתיד. השילוב של AI בכל מעבד לצד ההתמקדות בעידן ה-Data יצעידו את העולם כמה צעדים קדימה.

הודות ל-API האחיד עם ה-Software Stack של אינטל הפיתוח יהפוך ליעיל מתמיד ולא רק הפיתוח. פתרונות החומרה של אינטל הם אלו שבסופו של דבר יאפשרו לכל מכשיר בעולם ולכל משתמש להריץ יישומים שבמרכזם עומדת בינה מלאכותית.

בעידן של היום כלי בודד הוא לא מספיק למתן מענה עבור מפתחים או פתרון בעיות, בעידן של היום הדרישה היא פלטפורמות רחבות עם אופטימיזציה מלאה בכל שכבות המחשוב, מרמת החומרה והברזלים ועד ל-API. ה-API האחיד שחברת אינטל מפתחת יוכל לספק זאת ולאפשר פיתוח ומתן של פתרונות יעילים ככל האפשר לבעיות המורכבות של המאה ה-21.

אני כבר לא יכול לחכות ולראות את ארכיטקטורת המעבדים העתידיות, השבבים והפתרונות שאינטל מתכננת להשיק בשנים הקרובות על מנת להצעיד את כל העולם לא צעד אחד, אלא כמה צעדים קדימה.

טוני מלינקוביץ'
טוני הוא העורך הראשי שלנו כאן באתר, עם ידע רחב בחומרה ומקורות מהירים, טוני הוא גם הכתב המהיר ביותר שלנו, בנוסף לכתבות המעולות של טוני הוא גם אחראי על רוב הביקורות שלנו באתר וגם על המלל וחוות הדעת על חלק מסיקורי הוידאו שלנו.
דילוג לתוכן