Технологии многопоточности процессоров: принцип работы и сферы применения
Содержание
Содержание
Физические ядра, логические ядра, технологии многопоточности — все это разрабатывалось инженерами для увеличения производительности компьютерного железа, требования к которому постоянно растут. Программы и игры требуют все больше ресурсов. Как же производители процессоров увеличивают мощность своих детищ? Процессор является «сердцем» компьютера и выполняет вычисления, необходимые для работы софта. Модели CPU отличаются между собой даже в рамках одного семейства. Например, Intel Core i7 отличается от i5 технологией многопоточности под названием «Hyper-Threading», о которой далее пойдет речь (Core i3, i9, и некоторые Pentium также обладают данной технологией).
Принцип работы процессорных ядер и многопоточности
В современных операционных системах одновременно работает множество процессов.
Нагрузка от операционной системы на процессор идет по так называемому конвейеру, на который «выкладываются» нужные задачи для ядра. В качестве примера возьмем одно ядро процессора на частоте 4 ГГц с одним ALU (арифметико-логическое устройство) и одним FPU (математический сопроцеесор). Частота в 4 ГГц означает, что ядро исполняет 4 миллиарда тактов в секунду. К ядру по конвейеру поступают задачи, требующие исполнительной мощности, на которые тратится процессорное время.
Часто происходят случаи, когда для выполнения необходимой операции процессору приходится ждать данные из кеша более низкой скорости (L3 кеш), или же оперативной памяти. Данная ситуация называется кэш-промах. Это происходит, когда в кэше ядра не была найдена запрошенная информация и приходится обращаться к более медленной памяти. Также существуют и другие причины, заставляющие прерывать выполнение операции ядром, что негативно сказывается на производительности.
Данный конвейер можно представить, как настоящую сборочную линию на заводе — рабочий (ядро) выполняет работу, поступающую к нему на ленту. И если необходимо взять нужный инструмент, работник отходит, оставляя конвейер простаивать без работы. То есть, исполняемая задача прерывается. Инструментом, за которым пошел рабочий, в данном случае является информация из оперативной памяти или же L3 кэша. Поскольку L1 и L2 кэш намного быстрее, чем любая другая память в компьютере, работа с вычислениями теряет в скорости.
На конвейере с одним потоком не могут выполняться одновременно несколько процессов. Ядро постоянно прерывает выполнение одной операции для другой, более приоритетной. Если появятся две одинаково приоритетные задачи, одна из них обязательно будет остановлена, ведь ядро не сможет работать над ними одновременно. И чем больше поступает задач одновременно, тем больше прерываний происходит.
Способы увеличения производительности процессоров
Разгон
При увеличении частоты ядра повышается количество исполняемых операций за секунду. Казалось бы, с возрастанием производительности процессора проблемы должны исчезнуть. Но все не так просто, как хотелось бы думать. Прирост от увеличения частоты ЦП нелинейный. Множество процессов все еще делят одно ядро между собой и обращаются к памяти. Кроме того, не решается проблема с кэш-промахами и прерываниями операций, поскольку объем кэша от разгона не изменяется. Разгон — не самый лучший способ решения проблемы нехватки потоков. В пример можно привести всю ту же сборочную линию: рабочий увеличивает темп работы, но по-прежнему не умеет собирать два и более заказа одновременно.
Увеличение количества потоков на ядро
В процессорах Intel данная технология носит название Hyper-Threading, а в процессорах от Amd — SMT. Производители добавляют еще один регистр для работы со вторым конвейером. Пока один поток простаивает, ожидая нужные данные, свободная вычислительная мощность может быть использована вторым потоком. На кристалл же добавлен еще один контроллер прерываний и набор регистров.
Появляется возможность избавиться от последствий прерывания операций и сокращения времени простоя процессорной мощности. Благодаря чему ядро с двумя потоками выполняет больше работы за одинаковый отрезок времени, нежели в случае с однопотоком. На примере с рабочим: у конвейера появляется вторая сборочная линия, на которую выкладываются заказы. Пока производство на первой ленте простаивает в ожидании нужных инструментов, рабочий приступает к работе на второй ленте, сокращая время перерыва.
Стоит учитывать, что логический поток это не второе ядро, как может показаться с первого взгляда. Это лишь дополнительная «линия производства», чтобы более эффективно использовать доступную мощность. Из минусов технологии Hyper-Threading или SMT можно выделить увеличение тепловыделения, недостаток кэша (кэш на два потока по-прежнему общий), и проблемы с оптимизацией некоторых программ или игр, не способных отличать настоящее ядро от логического потока.
Именно по этой причине процессоры серии i7 «горячее» и имеют больше кэша по сравнению с i5. Использование технологии многопоточности может принести примерно до 30 % прироста производительности. Все это применимо как к Intel Hyper-Threading, так и к AMD SMT, поскольку технологии во многом схожи. Может возникнуть вопрос: «Если можно добавить второй поток, то почему бы не добавить третий и четвертый?» Это реализуемо, но не имеет смысла, поскольку кэш одного ядра достаточно мал для большего количества потоков и прироста производительности практически не будет.
Увеличение количества ядер
Это самый действенный способ решения проблемы, поскольку каждый конвейер теперь располагает своим FPU, ALU и кэшем, который не придется делить с другим потоком. Разные процессы используют разные ядра, из-за чего реже происходят кэш-промахи и конфликты приоритетных задач. Способ, разумеется, несет в себе некоторые издержки для производителей: дороговизна разработки и производства, увеличение тепловыделения и размера кристалла, и, как результат, повышается итоговая стоимость процессора.
Сферы применения многопоточных процессоров
С развитием компьютерных технологий перечень программ, использующих многопоточность, неуклонно растет. Это дает огромный простор разработчикам для создания нового софта и игр. Например, сейчас каждый современный triple-A проект оптимизирован для многопоточных процессоров, что позволяет наслаждаться игрой, получая высокий уровень fps на многоядерном CPU.
Еще больше распространены многоядерные системы в среде разработчиков. Программы для 3D-моделирования, монтажа видео и создания музыки требуют параллельного выполнения большого количества задач, с чем хорошо справляются системы с Hyper-Threading или SMT. В операционных системах мощность одного потока может тратиться на фоновые задачи (Skype, браузер, мессенджер), в то время как остальные задействуются для тяжелой игры или программы.
Но далеко не всегда увеличение количества потоков означает увеличение общей производительности. Почему же SMT процессоры порой уступают немногопоточным собратьям? Дело в программной поддержке. Иногда плохо оптимизированные программы не могут отличать логический поток от настоящего ядра, из-за чего на одно ядро может попасть две тяжелых задачи и замедлить работу. Тем не менее, подобные технологии имеют огромный потенциал, главное — грамотно реализовать его на программном уровне.
О потоках в процессоре
Добрый день. Сегодня хотелось бы разобрать, что такое потоки в процессоре. Те самые, о функциях и возможностях которых большинство и не догадывается, однако любят хвастаться остальным.
Если провести сравнение процессоров разных поколений, то можно заметить одну интересную тенденцию: многопоточность – штука полезная и здорово повышает суммарную производительность системы.
Начнем с того, что каждый современный процессор построен на физических ядрах с определенной частотой. Допустим, 1 ядро имеет тактовую частоту в 3 ГГц, т.е. может выполнить 3 млрд вычислительных операций за секунду (такт). Но современные ОС (Windows, Linux, MacOS) запускают более 3 млрд процессов, т.е. пользователь начинает сталкиваться с таким понятием как прерывание: ЦП физически не успевает обрабатывать все сразу и начинает переключаться на самые приоритетные задачи.
Логика здесь элементарная: присмотреться к многоядерным и многопоточным решениям. Разгон не дает линейного прироста в производительности, иначе такие гиганты как Intel и AMD выпускали бы процессоры на 5-6 и более ГГц.
Польза от повышения частоты есть, но она нивелируется увеличенным энергопотреблением и сокращением срока службы ЦП.
Многопоточность и все о ней
Многие наверняка слышали выражения из серии «2 потока», «4 потока», «8 потоков» и т.д. При этом физических ядер зачастую было в 2 раза меньше.
Эта технология имеет название HyperThreading (Intel) или SMT (AMD).
Многопоточность у красных появилась совсем недавно, с выходом чипов Ryzen на совершенно новом техпроцессе. Что это такое – тема отдельной статьи.
Цель функции заключается в том, что на 1 ядро может одновременно обрабатывать несколько потоков данных. Пока первый поток простаивает, а второй занимается вычислением, запущенное приложение может воспользоваться вакантной логической мощью для своих целей. В результате, прерывания случаются гораздо реже, а вы не ощущаете тормозов и прочих неудобств при работе.
Недостаток технологии заключается в следующем:
Если очень грубо, то все кирпичи с одного места на другое можно перенести в одной руке (1 поток), либо в двух (2 потока), но человек при этом один (1 ядро) и устает одинаково при любых условиях, хоть его производительность фактически увеличивается вдвое. Иными словами, мы упираемся в производительность ЦП, а конкретней в его частоту.
Знакомы с понятием Turbo Boost? Процесс кратковременно повышает частоту процессора на несколько сотен мегагерц в особо сложных сценариях, чтобы вы не испытывали проблем при обработке сложных данных.
Сколько нужно ядер и потоков современному обывателю?
Как я уже сказал выше, современные ОС падки на ресурсы процессора, поскольку отнимают часть мощностей на собственные службы, интерфейс, красивости и функции защиты в реальном времени. Но при этом пользователь хочет еще и работать с комфортом.
Вместо итогов
Практика показывает, что современный универсальный ПК должен иметь в своем распоряжении как минимум 4 ядра/8 потоков, чего будет достаточно для большинства задач, связанных с обработкой данных. Хотя варианты из серии 6/12 выглядят более обещающими по той причине, что стоят они не намного дороже, а пользы от них больше.
В качестве «золотой» середины можем предложить свежий вариант модели, построенный на обновленной архитектуре Zen2. Он отлично справляется с играми, программами, распараллеливанием и обработкой данных, при этом отлично гонится(одним словом — стал популярным (появился в июле 2019)).
Надеемся, что вы почерпнули для себя полезную информацию, которая пригодится при подборе процессора для будущей системы. Следите за дальнейшими обновлениями, чтобы не пропустить новые статьи об анатомии ЦП.