Что такое виртуальное ядро в компьютере?
Если честно, не слышал такого выражения, но по набору слов могу предположить, что это имитация многоядерного процессора на обычном.
Дело в том, что микропроцессоры на компьютерах бывают одноядерные и многоядерные.
Каждое ядро микропроцессора это как бы отдельный микропроцессор. Поэтому многоядерные микропроцессоры работают быстрее вследствие того, что они работают одновременно, а одноядерный всё время переключается между задачами. Например у вас запущеня игра шахматы и пока компьютер думает, вы смотрите на ютюбе ролики. Одноядерный процессор для того, чтобы ему делать и то и другое одновременно, всё время переключается с одного на другое. А многоядерный одному ядру поручит следить за шахматами, а второе выделит для ютюба.
Слово виртуальный обозначает имитированный на компьютере. То есть можно искусственно имитировать много чего. Например старые игровые приставки. Также можно имитировать дополнительный диск на компьютере, разбив жёсткий диск.
В данном случае видимо имитируют многоядерный микропроцессор на обычном. Работать такой имитированный многоядерный микропроцессор должен ещё медленнее, чем одноядерный. Но возможно в некоторых играх системные требования не позволяют запустить игру на одноядерном микропроцессоре, вот кто-то и имитировал многоядерный микропроцессор на одноядерном, чтобы обойти ограничение игры.
Что такое виртуальный процессор?
Где то утверждают что это по сути и есть ядро (или поток ядра). И например при технологии Hyper-Threading система определяет физическое ядро как два виртуальных.
Кто то утверждает что виртуальный процессор может эмулироватся программно молл виртуальный процессор можно сравнить с операционной системой. Поток по отношению к нему выступает как процесс, подобно тому, как сам виртуальный процессор является процессом с точки зрения операционной системы.
Еще говорят что при создании виртуальной машины можно для нее выделять виртуальные процессоры
ТАК ЧТО ТАКОЕ ВИРТУАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР
Это не термин, а обычное словосочетание. Виртуальный процессор — это нечто, что выглядит как работоспособный процессор, но процессором не является. Точное значение зависит от контекста.
Так, когда-то давно никто не слышал про многоядерные процессоры, а когда было нужно — ставили несколько процессоров. И когда многоядерные процессоры появились — то в целях обратной совместимости каждое ядро стало «представляться» операционной системе как отдельный процессор. То есть у вас на материнке стоит один проц — а ОС пишет, что их два. Никакого второго процессора реально не существует, он — виртуальный. Точнее, оба ядра называют виртуальными процессорами, потому что они одинаковые.
Существуют эмуляторы процессоров. Например, вы можете скачать эмулятор NES и поиграть на нем в старые игры. Эти игры написаны для процессора Ricoh 2A03, но играть в них вы будете на процессоре семейства Intel. Однако большинство игр подмены не заметят, поскольку эмулятор реализует все нужные инструкции. В этом смысле эмулятор NES содержит в себе виртуальный процессор.
Внутри виртуальной машины работает реальная ОС, называемая «гостевой». Эта ОС, точно так же, как и при работе вне виртуальной машины, пытается работать с «железом». Но у виртуальной машины все «железо» — виртуальное (за редкими исключениями): если вы, к примеру, зайдёте в Диспетчер устройств на виртуалке с виндой — вы не увидите ничего похожего на реальные устройства. Процессоры у виртуальной машины — тоже виртуальные.
Виртуальные ядра процессора: что это и как работает
Если вы когда-то внимательно просматривали содержимое установочного меню Биоса, то наверняка могли заметить опцию СРU Нуреr Thrеаding Тесhnоlоgу. Кроме того, скорее всего, вы думали о том, что же это такое (гиперпоточность или сверхпоточность) и для чего нужна такая функция, а еще как включить виртуальные ядра. Итак, Нуреr Thrеаding представляет собой относительно новую технологию, которую разработала такая компания, как Intеl для процессоров с архитектурой Пентиум. Как показывает практика, применение такой технологии дало возможность в большинстве случаев повысить уровень производительности ЦПУ примерно от 20 до 30%.
Виртуальные ядра процессора: что это и как работает
Для чего разработчикам потребовалась многопотоковая технология
Тут следует вспомнить и про то, как вообще функционирует центральный процессор персонального компьютера. Вам следует включить компьютер и запустить на нем какую-то программу, как центральный процессор управления начнет считывать содержащиеся инструкции, которые записаны в виде машинного кода. Он по очереди считывает все инструкции и выполняет одну задачу за другой. Но у большинства программных обеспечений есть сразу несколько выполняющихся программных процессов. Более того, современные операционные системы дают возможность пользователям иметь единовременно запущенные программы, и не просто позволяют – в реальности ситуация, когда в операционной системе выполняется лишь один процессор, практически невозможна.
По этой причине центральные процессоры управления, которые были разработаны по старым технологиям, имеют низкий уровень производительности в том случае, когда нужно обрабатывать сразу несколько процессов. Естественно, что для решения такой проблемы можно добавить в систему сразу несколько процессоров или процессов, которые используют одновременно несколько вычислительных физических ядер. Но такая модификация обходится довольно дорого, технически сложная и не всегда эффективная с точки зрения практики.
История: как начиналась разработка
По этой причине разработчики решили создать специализированную технологию, которая дала бы возможность единовременно обрабатывать сразу несколько процессов на одном физическом ядре. При этом для программного обеспечения внешне все будет выглядеть так, словно в системе есть сразу несколько ядер процессора. Технологическая поддержка Нуреr Thrеаding в первый раз появилась в процессорах еще в далеком 2002 году. Речь шла про процессоры из семейства Пентиум 4 и процессоры сервера Ксеон, имеющие тактовую частоту больше 2 ГГц.
Первоначально такую технологию называли Jасksоn, но после наименование сменилось на другое, более понятное для широкой аудитории, т.е. Нуреr Thrеаding, что буквально переводится как «сверхпоточность». При этом по утверждению Интел, кристаллическая процессорная поверхность, которая поддерживает Нуреr Thrеаding, стала больше в сравнении с прошлой моделью, которая ее не поддерживает, лишь на 5% при увеличении уровня производительности в среднем на 20%.
Невзирая на то, что в целом такая технология отлично себя зарекомендовала, но по некоторым причинам корпорация Интел решила отключать такую технологию4 процессорах из линейки Кор 2, которые сменили Пентиум. Нуреr Thrеаding все-таки позже появилась в процессорах, имеющих архитектуру Ivy Вridgе, Sаndу Вridgе и Наswеll, но в них она уж существенно переработана.
Коротко о технологии
Понимать такую технологию довольно важно, так как она является одной из основных функций в процессах работы центральных процессоров управления Intеl. Невзирая на успехи, которые были достигнуты для процессоров, у них есть один ощутимый минус – они могут выполнят одновременно лишь одну инструкцию. К примеру, вы запустили такие приложения, как браузер, текстовый редактор, а еще Зум. С точки зрения пользователя, такое программное окружение называют многозадачным, но с точки зрения процессора это совсем не так. Процессорное ядро будет выполнять все так же одну инструкцию за определенный временной промежуток. При этом в задачу центрального процессора управления входит ресурсное распределение времени процессора между отдельными видами программного обеспечения. Так как это последовательное выполнение инструкций выполняется слишком быстро, вы этого не заметите и кажется, словно нет никакой задержки.
Но все же задержка есть. Виртуальные ядра процессора Intеl работают так, что задержка появляется из-за метода снабжения процессора информацией из каждой программы. Каждый из потоков данных должен поступать в определенное время и обрабатываться внутри процессора индивидуально. Такая технология, как Нуреr Thrеаding, дает возможность каждому процессорному ядру планировать обработку данных, а также распределять ресурсы сразу на 2 потока. Стоит также отметить и тот факт, что в ядре современного процессора есть сразу несколько особых исполнительных устройств, причем каждое из них предназначено для того, чтобы выполнять определенные операции над данными. Кроме того, определенная часть исполнительных устройств при обработке данных потока будет попросту простаивать.
Чтобы разобраться с такой ситуацией, можно привести аналогию с работниками, которые работают на конвейере в сборочном цехе и обрабатывают разнотипные детали. Каждый специалист снабжен особыми инструментами, которые предназначены для проведения той или иной задачи. Но если детали будут поступать в неверной последовательности, то могут получиться задержки, так как часть работников ждет своей очереди, чтобы приступить к работе. Технология Нуреr Thrеаding такая, что ее можно сравнить с дополнительной конвейерной лентой, которую установили в цехе для того, чтобы ранее простаивающие рабочие смогли бы выполнять свои операции вне зависимости от работы других людей. Цех остается в количестве 1 штука, но элементы обрабатываются куда скорее и эффективнее, а потому время простоя сокращается. Получается, что такая технология дала возможность включить в работе такие исполнительные процессорные устройства, которые простаивали при выполнении инструкций от одного потока. Если вы включите персональный компьютер с двухъядерным процессором, который поддерживает такую технологию и открыть диспетчер задач на вкладке «Быстродействие», как вы увидите 4 графика. Но это совсем не означает, что у вас и правда 4 процессорных ядра.
Это происходит из-за того, что операционная система Windows считает, будто у каждого ядра есть по 2 логических процессора. Такой термин, как «логический процессор» звучит странно, но в реальности он означает тот центральный процессор управления, которого физически не существует. Операционная система может посылать потоки данных на каждый логический процессор, но в реальности все работу проводит лишь 1 ядро, а потому такое ядро с технологией Нуреr Thrеаding сильно отличается от физических раздельных ядер. Для нормального функционирования технологии требуется ее поддержка со стороны таких программных и аппаратных средств, как чипсет материнской платы, процессор, Биос и операционная система.
Достоинства технологии Hyper Threading
Далее стоит рассмотреть такой вопрос – насколько эта технология увеличивает производительность персонального компьютера? В повседневных задачах, к примеру, серфинге интернета и наборе текстов, преимущества задействования Нуреr Thrеаding не так уж и очевидны. Но стоит иметь ввиду тот факт, что современные процессоры настолько мощные, что повседневные задачи крайне редко полностью загружают процессор. Более того, много зависит и от того, как именно написано программное обеспечение. Вы можете запустить сразу несколько программ, но если посмотреть на загрузочный график, то увидите, что используется лишь один логический процессор на 1 ядро. Это происходит из-за того, что программное обеспечение не поддерживает процессорное распределение между ядер.
Но при более сложных задачах такая технология может быть куда полезнее. Такие приложения, как трехмерные игры, программы для 3D моделирования, программы для декодирования или кодирования музыки/видеороликов и множество научных приложений написаны так, чтобы по максимуму использовать многопоточность. По этой причине вы сможете в полной мере ощутить все плюсы быстродействия персонального компьютера с Нуреr Thrеаding, прослушивая музыку, играя в «тяжелые» видеоигры или просматривая фильм.
Увеличение производительности может при этом достигнуть до 30%, хотя случаются и такие ситуации, когда технология вовсе не дает преимуществ изредка, в том случае, если сразу 2 потока загружают все исполнительные процессорные устройства одинаковыми задачами, может наблюдаться даже уменьшение уровня производительности. Если вернуться к наличию установочного меню Биос соответствующей опции, которые дают возможность устанавливать параметры Нуреr Thrеаding, то чаще всего мы советуем включать такую функцию. В целом, вы всегда можете отключить ее, если вдруг окажется, что персональный компьютер функционирует с ошибками или даже имеет меньший уровень производительности, нежели вы ожидали.
Заключение
Количество виртуальных ядер процессора – это важно, но куда важнее правильно ими пользоваться. Так как максимальное повышение уровня производительности при задействовании Нуреr Thrеаding составляет 25-30%, то нельзя сказать, что технология эквивалентна удваиванию числа процессорных ядер. И все же Нуреr Thrеаding является полезной опцией, и вам она не помешает, как пользователю персонального компьютера. Ее достоинство заметно, к примеру, в том случае, когда вы производите редактирование мультимедиа-файлов или пользуетесь ноутбуком/компьютером в роли рабочей станции для таких профессиональных программ, как Мауа или Фотошоп.
Выбираем IaaS: что такое vCPU, и сколько ядер вам нужно
От виртуальных процессоров во многом зависит производительность облачной инфраструктуры. Что такое vCPU, как рассчитать количество процессоров под конкретный проект, и в чем отличие от физических CPUs — рассказал Сергей Афанасьев, тимлид команды Compute в Selectel.
Что такое vCPU и какова его производительность
vCPU — это виртуальный процессор, который «отрезает» гипервизор от физического CPU при создании виртуальных машин (ВМ). vCPU содержит минимум одно ядро.
От количества ядер виртуального процессора зависит количество потоков, которыми может оперировать приложение, а следовательно — его возможности.
Гипервизор наряду с другими ресурсами может нарезать vCPU и отдавать его виртуальным машинам. Основная задача — правильно распределить время физических CPU между vCPU.
Чтобы собралась полная картина, сейчас необходимо ввести еще пару терминов.
Начнем с определения ядер. Ядра — это самостоятельные вычислительные блоки в архитектуре процессоров. Основная проблема ядер в том, что они выполняют команды последовательно. Если нагрузить одно ядро несколькими последовательностями задач, оно будет переключаться между ними по завершению каждой, что негативно повлияет на скорость работы системы.
Еще важно знать про потоки обработки. Этим термином называют выделенную область внутри физического ядра процессора. Ресурсы ядра разделяются по потокам. Это позволяет обрабатывать параллельно несколько последовательностей команд.
На уровне операционной системы каждый поток воспринимается как отдельный вычислительный центр, поэтому такая модель использования ресурсов ядра обладает большей скоростью вычислений.
Сам факт такого деления возможен, потому что даже самые интенсивные задачи не используют 100% ЦП все время. По этой причине vCPU иногда рассматривают не как отдельный процессор, а как часть времени, проведенного в ядре процессора.
Сколько vCPU выбрать в зависимости от проекта
Оценить производительность vCPU можно на примере параметра CPU Usage. Он как раз показывает процент использования CPU за заданный период времени. Если ядра виртуальной машины стабильно нагружаются до 80% и выше, то такие показатели говорят о том, что она близка или находится на пике своей нагрузки. В таком случае можно посоветовать увеличить количество vCPU или же мигрировать ВМ на сервер с более производительными процессорами. Второй путь сложнее, поскольку не каждый провайдер может предоставить подходящую конфигурацию.
Важно понимать, что ядра виртуальной машины не должны нагружаться до своего пика, всегда должен быть запас (в 40-50%). В противном случае виртуальная машина может не справиться с поступающей на нее нагрузкой, которая может внезапно резко возрасти.
Для расчета правильного количества vCPU для проекта нет единой формулы — это число обычно выявляется эмпирическим путем. Для этого нужно знать характер задач приложения.
Например, в случае с интернет-магазином нагрузка прямо пропорциональна количеству активных пользователей: чем их больше, тем выше нагрузка. Вряд ли на старте в один момент у него окажется 10000 пользователей, которые обеспечат высокую нагрузку. Поэтому вкладываться заранее в ресурсы неэффективно. Масштабироваться следует постепенно, в зависимости от фактической нагрузки на сайт или приложение. Важно, чтобы со стороны провайдера этот процесс был выстроен максимально комфортно: панель управления интуитивно понятна, поддержка работает 24/7.
Можно подключить системы мониторинга для отслеживания показателей виртуальной машины, нагрузки в частности. Такой подход поможет оперативно реагировать на резко возрастающую нагрузку и не дать « захлебнуться » приложению от нее. В период маркетинговых активностей и праздников присматривать за системой следует плотнее.
Стоит также обратить внимание на параметр CPU Steal Time. Он показывает время, в течение которого виртуальная машина должна была получать ресурсы от хостовой ОС, но что-то пошло не так, и по итогу они не были получены. А значит и вычисления ВМ также не были выполнены. Нормой для этого параметра считаются значения не более 5-10%.
Причин возникновения steal может быть несколько: одна из них — высокая загруженность хоста виртуализации. Это может быть спровоцировано системными задачами хоста или же большим количеством других виртуальных машин, которые тоже его нагружают. В таком случае увеличение количества vCPU никак не поможет в решении этой проблемы, от этого ВМ никак не станет производительнее.
В большинстве случаев это решается на стороне облачного провайдера, например, изменением значения параметра переподписки (vCPU:pCPU) или же уменьшением количества виртуальных машин на этом хосте. Обычно облачные провайдеры следят за этим и стараются не допускать превышения допустимого порога значений.
Можно ли управлять количеством и производительностью vCPU в виртуальной машине
На начальном этапе даже базовая конфигурация ВМ может быть избыточна, а платить за неиспользуемые ресурсы — сомнительное удовольствие. В этих случаях отлично работает нарезка ядер на доли для рабочих ВМ.
Часть настроек, связанных с ресурсами ВМ, находится на стороне провайдера, поэтому изменить их можно только по запросу. Впрочем, обычно это не занимает много времени.
С облачными серверами Shared Line ситуация намного проще. В этой линейке можно выбрать любую производительность ядра: 10%, 20% или 50% в зависимости от задач и не платить за остальное. Если остальные ресурсы ядра доступны, то производительность увеличивается вплоть до 100% без каких-либо доплат. Этого вполне хватает для поддержки dev-сред, хостинга простых сайтов, чат-ботов/Telegram-ботов или квизов.
Если оставшуюся часть сервера никто в этот момент не использует — производительность может доходить до 100%.
Главное, что следует учитывать при распределении vCPU — историю наблюдений и фактор сезонности, а также маркетинговые активности (например, можно зарезервировать ресурсы перед началом распродажи).
Возможно, в какие-то месяцы количество пользователей резко увеличивается, поэтому следует предоставить им должный уровень сервиса и выделить достаточно ресурсов.