Ядра работают не одинаково

Что удерживает ядра атомов?

Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?

Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы. Какие же силы удерживают ядро атома?

И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.

Рис. 1: противодействующие силы в ядре атома – электрическое отталкивание протонов и остаточное сильное ядерное взаимодействие протонов и нейтронов

Остаточное сильное ядерное взаимодействие

Если бы в природе существовали только гравитационное и электрическое взаимодействие, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, ядра с множеством протонов просто разлетелись бы: электрические силы, расталкивающие протоны друг от друга, в миллион миллионов миллионов раз превосходили бы их гравитационное притяжение. Так что должна существовать другая сила, обеспечивающая притяжение, пересиливающее электрическое отталкивание. Эта сила – сильное ядерное взаимодействие – хотя в самом ядре можно наблюдать лишь тень её истинного величия. Изучив структуру самих протонов и нейтронов, мы поймём истинные возможности сильного ядерного взаимодействия. А в ядре мы встречаем лишь то, что часто называют «остаточным взаимодействием» – а я буду называть его «остаточное сильное ядерное взаимодействие». Иногда этот термин не используется – его просто называют сильным ядерным взаимодействием, но такое различие делать полезно.

Предупреждение: в итоге получается, что хотя в целом сильное ядерное взаимодействие – сила, действующая между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона – достаточно проста, в каком-то смысле, остаточное сильное ядерное взаимодействие является сложным остатком различных взаимно уничтожающихся эффектов, в связи с чем не существует простой картинки, описывающей всю физику ядра. И это не удивительно, учитывая внутреннюю сложность строения протонов и нейтронов. Тут можно провести некую аналогию между атомами и молекулами.

В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.

После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.

Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.

Схема работы

Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.

И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:

• Чтобы протоны держались вместе, необходимы нейтроны, а чтобы нейтроны держались вместе, необходимы протоны.
• Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, тогда электрическое отталкивание протонов нужно компенсировать добавлением нескольких дополнительных нейтронов.

Иллюстрация последнего утверждения представлена на рис. 3, где показаны стабильные (чёрный) и относительно долгоживущие, но нестабильные (цветные) ядра, в виде графика зависимости количества протонов Z от количества нейтронов N, содержащихся в них. Обратите внимание, что у стабильных ядер Z и N примерно равны при малых значениях, но N постепенно становится больше, чем Z, с их увеличением. Также обратите внимание, что полоса стабильных и долгоживущих ядер остаётся довольно узкой для всех значений Z. Несмотря на потрясающий прогресс ядерной физики за последние 80 лет не существует общепризнанного и простого объяснения этого примечательного факта. Я думаю, его считают странным совпадением.

Рис. 3

Размер ядра

Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.

Как мы видели в предыдущей статье, то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:

• Масса атома практически равна массе его ядра,
• Размер атома (размер электронного облака) обратно пропорционален массе электрона и обратно пропорционален силе электромагнитного взаимодействия; принцип неопределённости квантовой механики играет тут критическую роль.

Что насчёт дейтрона? Он сходным образом состоит из двух объектов, но почти равной массы (масса нейтрона и протона отличается всего на 1/1500, по причинам, которые мы поймём позже), поэтому оба они одинаково важны в определении массы и размера дейтрона. Допустим, у нас была бы новая сила, притягивающая протон к нейтрону, похожая на электромагнитную (на самом деле всё не так, но просто представьте): тогда, по аналогии с водородом, мы бы ожидали, что размер дейтрона будет обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорционален силе нового взаимодействия. Если бы это взаимодействие было таким же сильным, на определённом расстоянии, как электромагнетизм, это означало бы, что, поскольку протон примерно в 1850 раз тяжелее электрона, что дейтрон (и любое ядро) должно быть по меньшей мере в 1000 раз меньше водорода.

Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:

• Протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов,
• На таких расстояниях сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами ядра во много раз сильнее, чем соответствующие электромагнитные силы (включая электромагнитное отталкивание протонов в ядре).

Эта наивная догадка привела нас к почти правильному ответу! Но она не полностью описывает всю сложность взаимодействий между протоном и нейтроном в дейтерии. Одна очевидная проблема – сила, похожая на электромагнетизм, но большая по мощности, очевидно, повлияла бы на повседневную жизнь, а мы ничего такого не наблюдаем. Так что что-то у этого взаимодействия должно отличаться от электрического.

Рис. 4

Малое расстояния действия этой силы

Отличается то, что это остаточное сильное ядерное взаимодействие очень важное и мощное для протонов и нейтронов, расположенных совсем недалеко друг от друга, но на достаточно больших расстояниях (на дистанции действия силы) она начинает очень быстро уменьшаться, гораздо быстрее электромагнитной. Дистанция – по какому-то совпадению – оказывается равной размеру относительно большого ядра, всего в несколько раз больше протона. Если свести протон и нейтрон вместе, на расстояние, сравнимое с этой дистанцией, они притянутся друг к другу и сформируют дейтрон. Если оставить их на большем расстоянии, они вообще почти не почувствуют притяжения. А если свести их очень близко вместе, так, чтобы они накладывались друг на друга, они начнут отталкиваться; чёрт, я предупреждал вас, что остаточное сильное ядерное взаимодействие очень сложное! Короче говоря:

• Остаточное сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее электромагнетизма на расстояниях гораздо больших размера типичного ядра, так что мы не встречаем его в повседневной жизни.
• На коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее – это притяжение (на не слишком малых дистанциях) способно превзойти электрическое отталкивание других протонов.

Более крупные ядра удерживаются более-менее тем же взаимодействием, что удерживает дейтрон, но детали этого процесса сложные и технические, и их нелегко описать. Да их и не до конца ещё понимают. Хотя общие контуры физики ядра хорошо понимают уже много десятилетий, многие важные детали всё ещё исследуют.

Источник

Ядра или тактовая частота процессора: выясняем, что важнее для работы и игр

Высокая частота или большое количество ядер — извечный вопрос, мучающий пользователей при сборке игрового или рабочего ПК. В данной статье мы комплексно сравним медленный процессор с большим количеством ядер и высокочастотный процессор со средним количеством ядер и выясним, что предпочтительней выбрать именно сейчас.

реклама

Цель данной статьи проста — выяснить, какой процессор окажется объективно лучше и актуальней в рабочих задачах и играх — с большим количеством ядер или с большей частотой. Для большей наглядности тестирования «типовые» процессоры будут отличаться между собой лишь тактовой частотой и количеством ядер.

Процессоры будут являться «синтетическими», «созданными» на основе многоядерного процессора Ryzen 7 2700. В связи с тем, что данный процессор отказывается запускаться на частоте в 2 GHz (но данное сравнение не имело бы никакого отношения с действительностью), удалось создать лишь два «типовых» процессора.

По задумке «синтетический Ryzen 5» будет иметь на 1/3 большее число ядер, чем соперник — «синтетический Ryzen 3». Последний в свою же очередь будет обладать на 1/3 большей тактовой частотой. Итого: «синтетический Ryzen 5» — это процессор с шестью ядрами, работающий на фиксированной частоте в 3 GHz с отключенной технологией SMT; «синтетический Ryzen 3» будет представлять из себя CPU с четырьмя ядрами без технологии SMT, находящимися в разгоне до частоты в 4 GHz. Остальные же параметры у данных процессоров будут идентичны Ryzen 7 2700.

реклама

Даже простым перемножением ядер на частоты, не сложно догадаться, что конфигурация с шестью ядрами, работающими на частоте в 3 GHz будет немного сильнее конфигурации с четырьмя ядрами, работающими на частоте 4 GHz. В условном «математическом бенчмарке» (данный «бенчмарк» справедлив только для «синтетических процессоров», различающихся лишь количеством и частотой ядер), суммарная производительность данных CPU будет сопоставима, как «18» и «16» в пользу процессора с большим количеством ядер, так как для большей справедливости данного тестирования, ему следовало «привязать» частоту в 2.66 GHz.

Но данное действие было невозможно по той же причине, по которой в тестировании отсутствует «синтетический Ryzen 7 / Xeon» с частотой в 2 GHz. Материнская плата ASUS TUF B450M-PRO GAMING не может запустить процессор Ryzen 7 2700 с частотой ниже 2.8 GHz: во-первых, это не подразумевается, так как минимальный множитель для данного процессора равен 28; во-вторых, при попытке «взятия» необходимой частоты посредством комбинации множитель/делитель (формула следующая: Ratio=2*FID/DID), система отказывается запускаться с любым напряжением, даже в значении «авто».

И кто-то заметит, что данное сравнение двух математически не равных процессоров якобы теряет смысл, так как «итак понятно, что процессор с шестью ядрами окажется чуть сильней». Но в данном случае частоты процессоров приближены к реальным, а сравнить процессоры на 2 GHz, 2,66GHz и 4 GHz, было бы как минимум нелепо, так как процессоров Ryzen с такими низкими частотами попросту нет. И опять же, это ни в коем случае не «симуляция известных процессоров», это всего лишь попытка сравнения высокой частоты и большого количества ядер, что важнее сейчас.

В общем, далее нет смысла вдаваться в нюансы данного эксперимента, предлагаем же перейти к реальному исследованию.

реклама

Но для начала осмотр тестовой конфигурации.

«Синтетические» процессоры тестировались на следующей конфигурации:

• Системная плата: Asus TUF B450M PRO GAMING;
• ОЗУ: CRUCIAL Ballistix BL2K16G30C15U4B 2×16 Гб, 3333 MHz CL14
• Система охлаждения процессора: AMD Wraith Spire ;
• Термопаста: AMD;
• Видеоадаптер: GeForce GTX 1060 Xtreme Gaming 6G;
• Накопители: Samsung SSD 850 120GB (под Windows), Western Digital WD Blue 1 TB (под игры);
• Блок питания: Enermax Revolution D.F. , 650 Ватт;
• Корпус: Thermaltake View 31 TG;
• Монитор: Sharp Aquos lc-26le320e-bk ;
• Операционная система: Windows 10 Pro x64 (1909).

Вольтаж для процессора с шестью ядрами был подобран 0.8125 вольта, вольтаж же для процессора с четырьмя разогнанными ядрами составил 1.25 вольта. LLC был отрегулирован так, что напряжение при возрастании нагрузки оставалось стабильным.

Тестирование энергопотребления / уровня шума / температурных показателей

Тестирование процессоров проводилось посредством 10-минутного теста OCCT версии 5.5.7 с использованием AVX2 инструкций.

реклама

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Таким образом, в тестировании OCCT процессор с шестью медленными ядрами оказался более «прохладным», чем процессор с разогнанными четырьмя ядрами. Но результаты данного тестирования нельзя интерпретировать на якобы Ryzen 5 3500X и Ryzen 3 3100/3300X. Все процессоры уникальны и данный тест лишь показывает серьезно возросшие показатели тепловыделения при небольшом разгоне, что характерно для всех процессоров Ryzen.

Тестирование в синтетических программах: CPU-Z

Теперь, когда мы разобрались с поведением двух экземпляров в стресс-тесте, предлагаю сравнить производительность процессоров в CPU-Z.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Результаты «математического бенчмарка» подтвердились. Четыре разогнанных ядра хоть и обошли шесть маломощных ядер в однопоточной производительности, но серьезно уступили во многоядерной производительности. Медленные шесть ядер обходят четыре быстрых на 12.5%, данная разница была известна еще заранее из «математического бенчмарка»: разница между 18 и 16 составляет 12.5%.

Тестирование в синтетике: Cinebench R20, CPU Queen, CPU PhotoWorxx

Перед тем, как мы перейдем непосредственно к играм, предлагаю ознакомиться со сводным тестированием процессоров в популярной синтетике.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Как мы можем наблюдать, процессоры очень близки по своей производительности в синтетических тестах. Но у процессора с низкой частотой и шестью ядрами закономерный отрыв в Cinebench R20 и небольшое превосходство в CPU PhotoWorxx. По результатам «общей синтетики» трудно выявить явного фаворита, процессоры очень близки, но за счет чисто «математического превосходства», 6 ядер с частотой в 3 GHz становятся более предпочтительными.

«Игровая синтетика»: Ashes of the Singularity: Escalation

Тестирование производилось с акцентом именно на CPU.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Стоит отметить, что оба процессора посредственно справились с данной игрой, но визуально плавность картинки была все-таки за процессором с шестью ядрами.

Assassin’s Creed Odyssey

Настройки графики — минимально возможные.

Дополнительные слабые ядра положительно сказались на производительности в игре Assassin’s Creed Odyssey.

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

Даже на минимальные настройки графики не смогли «спасти» четыре разогнанных ядра от проигрыша в Assassin’s Creed Odyssey. К сожалению, разница в гигагерц не дала фору четырем ядрам.

Far Cry New Dawn

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

В данной игре шесть низкочастотных ядер потерпели разгромное поражение по плавности, проиграв четырем быстрым ядрам.

Metro Exodus

Для упрощения восприятия результатов тестирования, все данные были отображены в виде диаграммы с таблицей значений.

И опять с крохотным отрывом победу одержали четыре быстрых ядра. Но не стоит забывать, что это самые минимальные настройки графики, если бы видеокарта позволяла выставить максимальные настройки графики без «бутылочного горлышка», то процессор с четырьмя ядрами, скорее всего, серьезно бы уступил более медленному процессору, но с большим количеством ядер.

Заключение

Четыре ядра, шесть ядер, низкая частота, высокая частота имеет ли это такое большое значение, если итоговая производительность «гуляет» от игры к игре, а в синтетических тестах разница между этими решениями настолько мала, что становится трудно «рассудить», какой типовой процессор действительно лучший? Все зависит от ваших конкретных задач.

Единственно, что можно вычленить из всего этого тестирования — покупайте процессоры холодные, производительные и современные, особое внимание уделяйте микроархитектуре процессора, не гонитесь за парой лишних ядер при низкой частоте, но и не акцентируйте внимание на высоких частотах. Совсем скоро пред многими предстанет выбор бюджетного процессора для игр и мультимедиа — Ryzen 5 1600AF и Ryzen 3 3100. Какой процессор выбрать по моему мнению — никакой, а чуть переплатить и забрать Ryzen 5 3500X. А все потому что процессоры из одного ценового сегмента примерно равны по производительности, либо же созданы под определенные задачи, на которые и вам стоит ориентироваться.

Самое простое в выборе процессора из одного ценового сегмента — сравнить процессоры именно в тех задачах, которые вам интересны и выбрать именно тот процессор, который покажет себя лучше в приоритетных для вас задачах.

Следовательно, если вы играете в игры, то оптимальным вариантом будет приобретение процессора с шестью производительными ядрами , если вас интересуют онлайн игры, то хорошим бюджетным решением будет четырехъядерный процессор с высокой производительностью на ядро, желательно с технологией многопоточности. А если вам нужен процессор для работы , тогда стоит обратить внимание на многоядерные процессоры с наименьшей ценой за ядро при большом количестве ядер. Отличный пример — Ryzen 9 3900 PRO.

Если же вы собираете универсальный компьютер с прицелом на будущее, то отличным решением для вас будет покупка современного процессора с восемью ядрами: Ryzen 7 1700 / 1700X / 2700 / 2700X — бюджетные универсальные процессоры для тех, кто не гонится за максимальным FPS в играх; Ryzen 7 3700X / I7 9700KF — максимальный FPS за разумные деньги с прицелом на будущее; I9 9900KF — лучший выбор энтузиаста-максималиста, если в ближайшие 5-7 лет планируется апгрейд только видеокарты.

А что вы считаете по этому поводу и по какому принципу выбираете процессор для себя ?

Источник