Еще раз о Hyper-Threading. Что такое Hyper-threading в процессорах Intel

Под названием Hyper-Threading.

Терминология

Терминология в мире технологий может быть запутанной и легко
забывается, поэтому давайте начнем с разъяснения значения терминов,
которые я буду использовать здесь. Многоядерным процессором называется
процессор, содержащий более одного ядра в одной интегральной схеме.
Многочиповый означает несколько микросхем, объединенных вместе.
Многопроцессорный означает несколько отдельных процессоров, совместно
работающих в одной системе. И конечно, ЦП означает центральный
процессор, имеющий одно или более ядер, каждое из которых имеет
устройство выполнения (с которого и выполняется вся математика).

Hyper-Threading

Так что же такое технология hyper-threading? Термин Hyper-threading
используется компанией Intel для определения их технологии, которая
позволяет операционной системе воспринимать одно ядро ЦП, как два ядра.
Таким образом, операционная система работает с таким ядром так же, как с
любым многоядерным чипом, направляя на него одновременно несколько
процессов. Хотя при помощи этой технологии можно заставить систему
воспринимать одно ядро, как три или более ядер, сложность архитектуры
ограничила компанию Intel до выпуска hyper-threaded ядер, которые могут
восприниматься только как два ядра.

Здесь нет никакого фокуса. Компания Intel разработала архитектуру
чипа для обработки процессов так же, как это делают многоядерные
процессоры. По сути, компания Intel дублировала интенсивно используемые
области ядра ЦП и обеспечила использование этих секций несколькими
процессами одновременно. Поскольку эти области ядра являются раздельными
(они находятся на одном кристалле, но используют различные области
этого кристалла), эти процессы не мешают друг другу. Такие
hyper-threading-совместимые ядра представляют собой не совсем то же
самое, что многоядерные процессоры; не любой процесс может одновременно
выполняться с другим процессом, он должен использовать отдельную часть
ядра для своих операций.

Hyper-threading представляет собой пример одновременной
многопоточности (Simultaneous Multi-Threading - SMT). SMT является одним
из двух типов многопоточности. Другой тип называется временной
многопоточностью (Temporal Multi-Threading - TMT). При TMT ядро
процессора выполняет инструкции сначала от одного потока, затем от
другого, и затем снова от первого, и поэтому пользователю кажется, что
выполняется сразу два потока, когда на самом деле потоки просто делят
время ЦП между собой. При SMT инструкции от каждого потока могут
выполняться одновременно. Эти технологии могут использоваться для
повышения производительности.

Пользователям также следует знать, что не все ОС поддерживают
технологию hyper-threading. По заявлению компании Intel следующие ОС от
Microsoft полностью оптимизированы под поддержку технологии
hyper-threading:

Microsoft Windows XP Professional Edition

Microsoft Windows XP Home Edition

Microsoft Windows Vista Home Basic

Microsoft Windows Vista Home Premium

Microsoft Windows Vista Home Ultimate

Microsoft Windows Vista Home Business

И как говорят в компании Intel, следующие ОС не полностью
оптимизированы под технологию hyper-threading, и поэтому данная
технология должна быть отключена в настройках BIOS:

Microsoft Windows 2000 (все версии)

Microsoft Windows NT 4.0

Microsoft Windows ME

Microsoft Windows 98

Microsoft Windows 98 SE

Иногда у таких приложений, как FireFox ,
возникают проблемы с hyper-threading. Лучшим способом решения этой
проблемы является запуск приложения в режиме совместимости с Windows 98.
Для этого нужно нажать правой клавишей мыши на значке приложения,
перейти в свойства, выбрать совместимость и отметить флажком опцию
"Запустить приложение в режиме совместимости (Run this program in
compatibility mode)", выбрав Windows 98. Это отключит технологию
hyper-threading для данного приложения, поскольку Windows 98 не
поддерживает hyper-threading.

Преимущества Hyper-Threading

Есть множество преимуществ hyper-threading. Компания Intel
утверждает, что дублирование определенных областей ядра ЦП увеличивает
размер ядра примерно на 5 процентов, но при этом обеспечивает прирост
производительности на 30 процентов по сравнению с другими идентичными
ядрами процессоров без hyper-threading.

Недостатки Hyper-Threading

advertisement

//
//]]-->

Хотя hyper-threaded ядра ЦП не обеспечивают полного объема
преимуществ многоядерных процессоров, они все же имеют значительные
преимущества по сравнению с обычными одноядерными процессорами. Конечно,
всегда полезно знать о том, какие недостатки имеются у технологии,
прежде чем ее использовать. Одним недостатком многих применений является
высокий уровень энергопотребления. Поскольку все области ядра нуждаются
в питании (даже в режиме ожидания), общий уровень энергопотребления
hyper-threading ядер, а также всех ядер с поддержкой SMT, выше. Без
максимального использования улучшений скорости, предлагаемых
hyper-threaded ядром, оно просто будет ядром, потребляющим больше
электроэнергии. Для многих ситуаций, включая фермы серверов, и мобильные
компьютеры, такое повышенное энергопотребление нежелательно.

Более того, если сравнить hyper-threaded ядро ЦП с non-hyper-threaded
ядром, вы заметите значительное повышение переполнения кэша. ARM
утверждает, что это повышение может составлять до 42%. Сравните это
значение с многоядерными процессорами, где переполнение кэша снижено на
37%, и это действительно станет важным.

Теперь, после прочтения информации обо всех этих недостатках вы,
возможно, решите, что эти hyper-threaded ядра бесполезны. И вы правы, в
некоторых ситуациях. Например, если энергопотребление является основным
аспектом в вашей ситуации, то hyper-threaded ядра (или любые другие ядра
с поддержкой SMT) будут нежелательными. Однако даже если потребление
мощности стоит высоко в списке ваших требований, hyper-threaded ядра
могут быть подходящим вариантом. Возьмём для примера серверную ферму.
Обычно во внимание принимается энергопотребление фермами серверов (эти
счета могут составлять многие тысячи долларов в месяц!). Однако в
сегодняшних фермах серверов многие серверы являются виртуальными.
Поэтому вполне может быть, что у вас есть несколько виртуальных серверов
на одном физическом сервере, при этом требования производительности
этих серверов не выше среднего. Вполне возможно, что такой тип
конфигурации обеспечит достаточный уровень использования ЦП, чтобы
использовать максимальный объем производительности hyper-threaded ядер,
при этом энергопотребление будет сведено до минимума.

Как всегда, важно четко учитывать все рабочие обстоятельства, прежде
чем решить использовать технологию. Технологий без недостатков
практически не бывает. Как правило, польза или бесполезность
определенной технологии применительно к вашей ситуации выявляется только
после тщательного пересмотра всех ее достоинств и недостатков.
Hyper-threading - это всего лишь технология. Для дополнительной
информации по этой теме рекомендую прочесть две мои предыдущие статьи. Во-первых, статью о , в которой объясняется, как многоядерные процессоры получают доступ к кэш-памяти. Во-вторых, мою статью о сродстве процессоров ,
в которой говорится о взаимодействии между приложениями и
множественными ядрами. Если у вас возникли вопросы о моей статье,
присылайте их мне на почту, и я постараюсь ответить как можно быстрее.

Рассел
Хичкок (Russell Hitchcock) работает консультантом, в его обязанности
входит сетевое аппаратное обеспечение (networked hardware), контрольные
системы и антенны. Рассел также пишет технические статьи на различные

Если вы внимательно просматривали содержимое BIOS Setup, то вы вполне могли заметить там опцию CPU Hyper Threading Technology. И возможно, задавались вопросом, что же такое Hyper Threading(Сверехпоточность или гиперпоточность, официальное название - Hyper Threading Technology, HTT), и для чего нужна данная опция.

Hyper Threading – это сравнительно новая технология, разработанная компанией Intel для процессоров архитектуры Pentium. Как показала практика, использование технологии Hyper Threading позволило во многих случаях увеличить производительность CPU приблизительно на 20-30%.

Тут нужно вспомнить, как же вообще работает центральный процессор компьютера. Стоит вам включить компьютер и запустить на нем какую-либо программу, как CPU начинает читать содержащиеся в ней инструкции, записанные в так называемом машинном коде. Он поочередно читает каждую инструкцию и выполняет их одну за другой.

Однако многие программы имеют сразу несколько одновременно выполняющихся программных процессов. Кроме того, современные операционные системы позволяют пользователю иметь сразу несколько запущенных программ. И не просто позволяют – на самом деле, ситуация, когда в операционной системе выполняется один-единственный процесс, на сегодняшний день совершенно немыслима. Поэтому процессоры, разработанные по старым технологиям, имели низкую производительность в тех случаях, когда требовалось обрабатывать сразу несколько одновременных процессов.

Разумеется, для того чтобы решить эту проблему, можно включить в состав системы сразу несколько процессоров или процессоров, использующих несколько физических вычислительных ядер. Но такое усовершенствование получается дорогим, технически сложным и не всегда эффективным с практической точки зрения.

История разработки

Поэтому было принято решение создать такую технологию, которая позволяла бы обрабатывать несколько процессов на одном физическом ядре. При этом для программ дело будет внешне выглядеть так, как будто в системе существует сразу несколько процессорных ядер.

Поддержка технологии Hyper Threading впервые появилась в процессорах в 2002 году. Это были процессоры семейства Pentium 4 и серверные процессоры Xeon с тактовой частотой выше 2 ГГц. Первоначально технология носила кодовое название Jackson, но потом ее название сменилось на более понятное для широкой публики Hyper Threading – что можно перевести примерно как «сверхпоточность».

При этом, по утверждению Intel, поверхность кристалла процессора, поддерживающего Hyper Threading, увеличилась по сравнению с предшествующей моделью, ее не поддерживающей, всего на 5% при увеличении производительности в среднем на 20%.

Несмотря на то, что технология в целом хорошо себя зарекомендовала, тем не менее, по ряду причин корпорация Intel решила отключить технологию Hyper Threading в сменивших Pentium 4 процессорах семейства Core 2. Hyper Threading, однако, позже снова появилась в процессорах архитектур Sandy Bridge, Ivy Bridge и Haswell, будучи в них существенно переработанной.

Суть технологии

Понимание технологии Hyper Threading важно, поскольку она является одной из ключевых функций в процессорах Intel.

Несмотря на все успехи, которые были достигнуты процессорами, у них есть один существенный недостаток – они могут исполнять лишь одну инструкцию одновременно. Допустим, что вы запустили одновременно такие приложения, как текстовый редактор, браузер и Skype. С точки зрения пользователя, это программное окружение можно назвать многозадачным, однако, с точки зрения процессора это далеко не так. Ядро процессора будет выполнять по-прежнему одну инструкцию за определенный промежуток времени. При этом в задачу процессора входит распределение ресурсов процессорного времени между отдельными приложениями. Поскольку это последовательное выполнение инструкций происходит чрезвычайно быстро, вы этого не замечаете. И вам кажется, что никакой задержки не существует.

Но задержка все-таки есть. Задержка появляется из-за способа снабжения процессора данными каждой из программ. Каждый поток данных должен поступать в определенное время и обрабатываться процессором индивидуально. Технология Hyper Threading делает возможным каждому ядру процессора планировать обработку данных и распределять ресурсы одновременно для двух потоков.

Следует отметить, что в ядре современных процессоров существует сразу несколько так называемых исполнительных устройств, каждое из которых предназначено для выполнения определенной операции над данными. При этом некоторая часть этих исполнительных устройств во время обработки данных одного потока может простаивать.

Чтобы понять эту ситуацию, можно привести аналогию с рабочими, работающими в сборочном цехе на конвейере и обрабатывающими разнотипные детали. Каждый рабочий снабжен определенным инструментом, предназначенным для выполнения какой-либо задачи. Однако если детали поступают в неправильной последовательности, то случаются задержки – потому, что часть рабочих ждет своей очереди, чтобы начать работу. Hyper Threading можно сравнить с дополнительной лентой конвейера, которую проложили в цехе для того, чтобы простаивающие раньше рабочие выполняли бы свои операции независимо от других. Цех по-прежнему остался один, но детали обрабатываются более быстро и эффективно, поэтому сокращается время простоя. Таким образом, Hyper Threading позволила включить в работу те исполнительные устройства процессора, которые простаивали во время выполнения инструкций из одного потока.

Стоит вам включить компьютер с двуядерным процессором, поддерживающим Hyper Threading и открыть Windows Task Manager (Диспетчер задач) на вкладке Performance (Быстродействие), как вы обнаружите в нем четыре графика. Но это отнюдь не означает, что на самом деле у вас 4 ядра процессора.

Это происходит потому, что Windows считает, что у каждого ядра есть по два логических процессора. Термин «логический процессор» звучит забавно, но он означает процессор, которого физически не существует. Windows может посылать потоки данных к каждому логическому процессору, но на самом деле выполняет работу только одно ядро. Поэтому одно ядро с технологией Hyper Threading существенно отличается от раздельных физических ядер.

Для работы технологии Hyper Threading требуется ее поддержка со стороны следующих аппаратных и программных средств:

• Процессор
• Чипсет материнской платы
• Операционная система

Преимущества технологии

Теперь рассмотрим следующий вопрос – насколько все же технология Hyper Threading увеличивает производительность компьютера? В повседневных задачах, таких, как Интернет-серфинг и набор текстов, преимущества технологии не столь очевидны. Однако следует иметь в виду, что сегодняшние процессоры настолько мощны, что повседневные задачи редко загружают процессор полностью. Кроме того, многое зависит еще и от того, как написано программное обеспечение. У вас может быть запущено сразу несколько программ, однако, посмотрев на график загрузки, вы увидите, что используется только один логический процессор на ядро. Это происходит потому, что программное обеспечение не поддерживает распределение процессов между ядрами.

Однако в более сложных задачах Hyper Threading может быть более полезной. Такие приложения, как программы для трехмерного моделирования, трехмерные игры, программы кодирования/декодирования музыки или видео и многие научные приложения написаны таким образом, чтобы максимально использовать многопоточность. Поэтому вы можете ощутить преимущества быстродействия компьютера с функцией Hyper Threading, играя в сложные игры, слушая музыку или просматривая фильмы. Повышение производительности может при этом достигать 30%, хотя могут случаться и такие ситуации, когда Hyper Threading не дает преимущества вовсе. Иногда, в том случае, если оба потока загружают все исполнительные устройства процессора одинаковыми заданиями, может даже наблюдаться и некоторое снижение производительности.

Возвращаясь к наличию в BIOS Setup соответствующей опции, позволяющей установить параметры Hyper Threading, то в большинстве случаев рекомендуется включить данную функцию. Впрочем, вы всегда сможете ее отключить, если окажется, что компьютер работает с ошибками или даже имеет меньшую производительность, чем вы ожидали.

Заключение

Поскольку максимальное повышение производительности при использовании Hyper Threading составляет 30%, то нельзя сказать, что технология эквивалентна удвоению количества ядер процессора. Тем не менее, Hyper Threading – это полезная опция, и вам, как владельцу компьютера, она не помешает. Ее преимущество особо заметно, например, в таких случаях, когда вы редактируете мультимедиа-файлы или используете компьютер в качестве рабочей станции для таких профессиональных программ, как Photoshop или Maya.

Многие процессоры Intel включают модули с поддержкой Hyper-Threading Technology, которая, в соответствии с идеей разработчиков, должна способствовать увеличению производительности микросхемы и ускорению работы ПК в целом. Какова специфика данного решения от американской корпорации? Каким образом можно использовать преимущества Hyper-Threading?

Основные сведения о технологии

Рассмотрим ключевые сведения о Hyper-Threading. Что это за технология? Ее разработала компания Intel и впервые представила общественности в 2001 году. Целью ее создания было увеличение производительности серверов. Основной принцип, реализованный в Hyper-Threading — распределение процессорных вычислений на несколько потоков. Причем это возможно, даже если на соответствующего типа микросхеме установлено только одно ядро (в свою очередь, если их 2 и более, и потоки в процессоре уже распределены — технология удачно дополняет этот механизм).

Обеспечение работы главной микросхемы ПК в рамках нескольких потоков осуществляется за счет создания копий архитектурных состояний в ходе вычислений. При этом задействуется один и тот же набор ресурсов на микросхеме. Если приложение использует соответствущую возможность, то практически значимые операции осуществляются намного быстрее. Важно также, чтобы технологию, о которой идет речь, поддерживала система ввода-вывода компьютера — BIOS.

Включение Hyper-Threading

Если процессор, установленный в ПК, поддерживает соответствующий стандарт, то он, как правило, активизируется автоматически. Но в некоторых случаях приходится осуществлять вручную необходимые действия, чтобы заработала технология Hyper-Threading. Как включить ее? Очень просто.

Необходимо войти в главный интерфейс BIOS. Для этого в самом начале загрузки компьютера нужно нажать DEL, иногда — F2, F10, реже — иные клавиши, но нужная всегда появляется в одной из строчек текста, отображаемых на экране сразу после включения ПК. В интерфейсе BIOS нужно найти пункт Hyper-Threading: в поддерживающих его версиях системы ввода-вывода он обычно расположен на видном месте. Выбрав соответствующую опцию, следует нажать Enter и активировать ее, отметив как Enabled. Если данный режим уже задан, то значит Hyper-Threading Technology работает. Можно задействовать все ее преимущества. Активировав технологию в настройках, следует сохранить все записи в BIOS, выбрав пункт Save and Exit Setup. После этого компьютер перезагрузится в режиме, когда процессор работает с поддержкой Hyper-Theading. Схожим образом осуществляется отключение Hyper-Threading. Для этого нужно выбрать в соответствующем пункте другую опцию - Disabled и сохранить настройки.

Изучив, как включить Hyper-Threading и дезактивировать данную технологию, рассмотрим ее особенности подробнее.

Процессоры с поддержкой Hyper Threading

Первый процессор, на котором была реализована рассматриваемая концепция компании, согласно некоторым данным — Intel Xeon MP, также известный как Foster MP. Данная микросхема в ряде архитектурных компонентов схожа с Pentium 4, на котором также впоследствии была реализована технология, о которой идет речь. Впоследствии функция многопоточных вычислений была внедрена на серверных процессорах Xeon с ядром Prestonia.

Если говорить о текущей распространенности Hyper-Threading — какие «процы» поддерживают ее? В числе самых популярных микросхем данного типа — те, что относятся к семействам Core и Xeon. Также есть сведения о том, что схожие алгоритмы внедрены в процессорах типа Itanium и Atom.

Изучив основные сведения о Hyper-Threading, процессоры с ее поддержкой, рассмотрим наиболее примечательные факты, касающиеся истории разработки технологии.

История разработки

Как мы отметили выше, компания Intel показала концепцию, о которой идет речь, общественности в 2001 году. Но первые шаги в создании технологии были сделаны еще в начале 90-х. Инженерами американской компании было замечено, что ресурсы процессоров ПК при выполнении ряда операций задействуются не полностью.

Как подсчитали специалисты Intel, во время работы пользователя на ПК микросхема в рамках значительных интервалов — едва ли не основную часть времени - задействуется не слишком активно - примерно на 30%. Мнения экспертов касательно этой цифры очень разные — кто-то считает ее явно заниженной, другие — вполне соглашаются с тезисом американских разработчиков.

Однако большинство IT-специалистов сходилось во мнении, что пусть и не 70% мощностей процессора простаивает, но весьма значительный их объем.

Главная задача разработчиков

Компания Intel решила исправить это положение дел за счет качественно нового подхода к обеспечению эффективности работы главных микросхем ПК. Было предложено создать технологию, которая бы способствовала более активному использованию возможностей процессоров. В 1996 году специалисты Intel начали ее практическую разработку.

Согласно концепции американской корпорации, процессор, обрабатывая данные от одной программы, мог бы направлять простаивающие ресурсы на работу с другим приложением (или компонентом текущего, но имеющим иную структуру и требующим задействования дополнительных ресурсов). Соответствующий алгоритм также предполагал эффективное взаимодействие с другими аппаратными компонентами ПК — оперативной памятью, чипсетом, а также программами.

Intel удалось решить поставленную задачу. Изначально технология называлась Willamette. В 1999 году она была внедрена в архитектуру некоторых процессоров, и началось ее тестирование. Вскоре технология получила современное название — Hyper-Threading. Что это именно было - простой ребрендинг или кардинальные корректировки платформы, сказать сложно. Дальнейшие факты, касающиеся появления технологии на публике и ее реализации в различных моделях процессоров Intel, нам уже известны. В числе распространенных сегодня наименований разработки — Hyper-Threading Technology.

Аспекты совместимости с технологией

Насколько качественно реализована поддержка технологии Hyper-Threading в операционных системах? Можно отметить, что если речь идет о современных версиях Windows, то никаких проблем с тем, чтобы пользователь полноценно задействовал преимущества Intel Hyper-Threading Technology, не возникнет. Разумеется, очень важно также и то, чтобы технологию поддерживала система ввода-вывода — об этом мы сказали выше.

Программные и аппаратные факторы

Касательно старых версий ОС — Windows 98, NT и относительно устаревшей XP, необходимое условие совместимости с Hyper-Threading — поддержка ACPI. Если в ОС она не реализована, то не все потоки вычислений, которые образованы соответствующими модулями, будут распознаны компьютером. Отметим, что Windows XP в целом обеспечивает задействование преимуществ рассматриваемой технологии. Также крайне желательно, чтобы алгоритмы многопоточности были реализованы и в используемых владельцем ПК приложениях.

Иногда может потребоваться ПК — в случае установки на ней процессоров с поддержкой Hyper-Threading вместо тех, которые стояли на ней изначально и не были совместимы с технологией. Однако, как и в случае с операционными системами, особых проблем не будет, если в распоряжении пользователя — современный ПК или хотя бы соответствующий по компонентам «железа» первым процессорам Hyper Threading, как мы отметили выше, реализован в линейке Core, и адаптированные к нему чипсеты на материнских платах полностью поддерживают соответствующие функции микросхемы.

Критерии ускорения

Если компьютер на уровне аппаратных и программных компонентов не будет совместим с Hyper-Threading, то данная технология, в теории, может даже замедлить его работу. Такое положение дел заставило некоторых IT-специалистов усомниться в перспективности решения от Intel. Они решили, что не технологический скачок, а маркетинговый ход лежит в основе концепции Hyper Threading, что который в силу своей архитектуры не способен заметно ускорить работу ПК. Но сомнения критиков были достаточно быстро развеяны инженерами Intel.

Итак, базовые условия для того, чтобы технология была успешно задействована:

Поддержка Hyper-Threading системой ввода-вывода;

Совместимость материнской платы с процессором соответствующего типа;

Поддержка технологии операционной системой и конкретным приложением, работающим в ней.

Если по первым двум пунктам особых проблем не должно появиться, то в аспекте совместимости программ с Hyper-Threading все же могут возникать некоторые накладки. Но можно отметить, что если приложение поддерживает, к примеру, работу с двухъядерными процессорами, то оно будет совместимо, практически гарантированно, с технологией от Intel.

По крайней мере есть исследования, подтверждающие рост производительности программ, адаптированных к двухъядерным микросхемам, примерно на 15-18%, если в процессоре работают модули Intel Hyper Threading. Как отключить их — мы уже знаем (на случай, если у пользователя возникнут сомнения в целесообразности задействования технологии). Но ощутимых поводов для их появления, вероятно, очень немного.

Практическая полезность Hyper-Threading

Дала ли технология, о которой идет речь, ощутимые компании Intel? Есть разные мнения на этот счет. Но очень многие отмечают: настолько стала востребованной технология Hyper-Threading, что это решение стало незаменимым для многих производителей серверных систем, к тому же было положительно встречено рядовыми пользователями ПК.

Аппаратная обработка данных

Основное преимущество технологии — в том, что она реализована в аппаратном формате. То есть основная часть вычислений будет производиться внутри процессора на специальных модулях, а не в виде программных алгоритмов, передаваемых на уровень основного ядра микросхемы — что предполагало бы снижение общей производительности ПК. В целом, как отмечают IT-эксперты, инженерам Intel удалось решить задачу, которая была определена ими в начале разработки технологии — заставить процессор функционировать эффективнее. Действительно, как показали тесты, при решении многих практически значимых для пользователя задач использование Hyper-Threading позволило существенно ускорить работу.

Можно отметить, что среди 4 те микросхемы, которые были оснащены модулями поддержки рассматриваемой технологии, работали существенно эффективнее первых модификаций. Во многом это выражалось в способности ПК функционировать в режиме реальной многозадачности — когда открыто несколько разнотипных приложений Windows, и крайне нежелательно, чтобы в силу активизации потребления ресурсов системы одним из них снижалась скорость работы других.

Одновременное решение разных задач

Таким образом, процессоры с поддержкой Hyper-Threading лучше адаптированы, чем микросхемы, несовместимые с ней, к одновременному запуску, к примеру, браузера, проигрыванию музыки и работе с документами. Разумеется, все эти преимущества чувствуются пользователем на практике, только если программные и аппаратные компоненты ПК характеризуются достаточной совместимостью с подобным режимом работы.

Аналогичные разработки

Технология Hyper-Threading — не единственная, которая создана с целью повышения производительности ПК за счет многопоточных вычислений. У нее есть аналоги.

Например, в процессорах POWER5, выпущенных компанией IBM, также реализована поддержка многопоточности. То есть каждое из (всего на нем установлено 2 соответствующих элемента), может выполнять задачи в рамках 2 потоков. Тем самым микросхема обрабатывает 4 потока вычислений одновременно.

В компании AMD также есть отличные результаты работы в области концепций многопоточности. Так, известно, что в архитектуре Bulldozer задействуются алгоритмы, схожие с Hyper-Threading. Особенность решения от AMD в том, что каждый из потоков обрабатывает отдельные блоки процессора. При второго уровня остается общим. Схожие концепции реализованы и в разработанной AMD архитектуре Bobcat, которая адаптирована для ноутбуков и небольших ПК.

Разумеется, прямыми аналогами концепции от AMD, IBM и Intel считать можно очень условно. Равно как и подходы к конструированию архитектуры процессоров в целом. Но принципы, реализованные в соответствующих технологиях, можно считать вполне схожими, а цели, которые поставлены разработчиками в аспекте повышения эффективности функционирования микросхем — очень близкими по сути, если не идентичными.

Таковы ключевые факты, касающиеся интереснейшей технологии от Intel. Что она собой представляет, как включить Hyper-Threading или, наоборот, дезактивировать, мы определили. Дело, вероятно, в практическом использовании ее преимуществ, которые можно задействовать, убедившись, что ПК в аппаратных и программных компонентах поддерживает технологию.

Было время, когда понадобилось оценить производительность памяти в контексте технологии Hyper-threading . Мы пришли к выводу, что ее влияние не всегда позитивно. Когда появился квант свободного времени, возникло желание продолжить исследования и рассмотреть происходящие процессы с точностью до машинных тактов и битов, используя программное обеспечение собственной разработки.

Исследуемая платформа

Рис.1 Конфигурация исследуемой платформы.

Процессор исследуемой платформы содержит 4 ядра, что при включении технологии Hyper-Threading обеспечивает аппаратную поддержку 8 потоков или логических процессоров. Эту информацию Firmware платформы передает операционной системе посредством ACPI-таблицы MADT (Multiple APIC Description Table). Поскольку платформа содержит только один контроллер оперативной памяти, таблица SRAT (System Resource Affinity Table), декларирующая приближенность процессорных ядер к контроллерам памяти, отсутствует. Очевидно, исследуемый ноутбук не является NUMA-платформой , но операционная система, в целях унификации, рассматривает его как NUMA-систему с одним доменом, о чем говорит строка NUMA Nodes = 1. Факт, принципиальный для наших экспериментов – кэш память данных первого уровня имеет размер 32 килобайта на каждое из четырех ядер. Два логических процессора, разделяющие одно ядро, используют кэш-память первого и второго уровней совместно.

Исследуемая операция

На графиках используются следующие сокращения:

MBPS (Megabytes per Second) – скорость чтения блока в мегабайтах в секунду ;

CPI (Clocks per Instruction) – количество тактов на инструкцию ;

TSC (Time Stamp Counter) – счетчик процессорных тактов .

Примечание.Тактовая частота регистра TSC может не соответствовать тактовой частоте процессора при работе в режиме Turbo Boost. Это необходимо учитывать при интерпретации результатов.

В правой части графиков визуализируется шестнадцатеричный дамп инструкций, составляющих тело цикла целевой операции, выполняемой в каждом из программных потоков, или первые 128 байт этого кода.

Опыт №1. Один поток

Максимальная скорость 213563 мегабайт в секунду. Точка перегиба имеет место при размере блока около 32 килобайт.

Опыт №2. 16 потоков на 4 процессора, Hyper-Threading выключен

Hyper-Threading выключен. Максимальная скорость 797598 мегабайт в секунду. Точка перегиба имеет место при размере блока около 32 килобайт. Как и ожидалось, по сравнению с чтением одним потоком, скорость выросла приблизительно в 4 раза, по количеству работающих ядер.

Опыт №3. 16 потоков на 8 процессоров, Hyper-Threading включен

Hyper-Threading включен. Максимальная скорость 800722 мегабайт в секунду, в результате включения Hyper-Threading почти не выросла. Большой минус – точка перегиба имеет место при размере блока около 16 килобайт. Включение Hyper-Threading немного увеличило максимальную скорость, но падение скорости теперь наступает при вдвое меньшем размере блока – около 16 килобайт, поэтому существенно упала средняя скорость. Это не удивительно, каждое ядро имеет собственную кэш-память первого уровня, в то время, как логические процессоры одного ядра, используют ее совместно.

Выводы

15.03.2013

Технология Hyper-Threading появилась в процессорах Intel, страшно сказать, уже больше 10 лет назад. И в данный момент она является важным элементов процессоров Core. Однако вопрос в необходимости HT в играх все еще до конца не понятен. Мы решили провести тест, чтобы понять, нужен ли геймерам Core i7, или лучше обойтись Core i5. А также выяснить насколько Core i3 лучше Pentium.

И необходимо признать, что технология Hyper-Threading полезна, и позитивно влияет на производительность, иначе Intel не стала бы использовать ее для позиционирования своих процессоров внутри линейки. Причем не как второстепенный элемент, а один из важнейших, если не самый важный. Чтобы было понятно, о чем мы говорим, мы подготовили табличку, которая позволяет легко оценить принцип сегментирования процессоров Intel.

В итоге чуть больший кэш и поддержка Hyper-Threading позволят выставлять значительно более высокие цены на процессоры. Для примера процессоры линейки Pentium (около 10 тыс. тенге) примерно в два раза дешевле, чем Core i3 (около 20 тыс. тенге), и это притом, что физически, на аппаратном уровне они абсолютно одинаковы, и, соответсвенно, имеют одинаковую себестоимость. Разница в цене между Core i5 (около 30 тыс. тенге) и Core i7 (около 50 тыс. тенге) также очень велика, хоть и меньше двух крат в младших моделях.

Перед тем как переходить к тестам, давайте вспомним (ну или узнаем), что такое Hyper-Threading Technology. Как высказывалась сама Intel, представляя данную технологию много лет назад, ничего особенно сложного в ней нет. Фактически, все что нужно для внесения HT на физическом уровне – это добавление к одному физическому ядру не одного набора регистров и контроллера прерываний, а двух. В процессорах Pentium 4 эти дополнительные элементы увеличивали количество транзисторов всего на пять процентов. В современных ядрах Ivy Bridge (равно как и в Sandy Bridge, и будущем Haswell) дополнительные элементы даже для четырех ядер не увеличивают кристалл даже на 1 процент.

Но идеальные условия для Hyper-Threading бывают далеко не всегда. И что самое важное – худший результат работы HT – это не отсутствие прироста производительности, а ее снижение. То есть при определенных условиях, производительность процессора с HT будет падать относительно процессора без HT из-за того, что накладные расходы на разделение потоков и организацию очереди будут значительно превышать прирост от обсчета параллельных потоков, который возможен в данном конкретном случае. И такие случаи встречаются гораздо чаще, чем хотелось бы Intel. Причем многие годы использования Hyper-Threading не улучшили ситуацию. Особенно это касается игр, весьма сложных и отнюдь нешаблонных с точки зрения обсчета данных, приложений.

Для того чтобы выяснить влияние Hyper-Threading на игровую производительность, мы вновь использовали наш многострадальный тестовый процессор Core i7-2700K, и симулировали с помощью отключения ядер и включения/выключения HT, сразу четыре процессора. Условно их можно назвать Pentium (2 ядра, HT выключен), Core i3 (2 ядра, HT включен), Core i5 (4 ядра, HT выключен), и Core i7 (4 ядра, HT включен). Почему условно? Прежде всего, потому, что по некоторым характеристикам они не соответствуют реальным продуктам. В частности отключение ядер не ведет к соответствующему урезанию объема кэша третьего уровня – его объем для всех равен 8 мегабайтам. А, кроме того, все наши “условные” процессоры работают на одинаковой частоте 3,5 гигагерца, которая пока достигнута не всеми процессорами линейки Intel.

Ну что же, вроде все вопросы относительно методики тестирования, а также особенностей функционирования Hyper-Threading Technology обсуждены, а потому пора переходить к самому интересному – тестам.

Еще в тесте, в котором мы изучали влияние количества процессорных ядер на игровую производительность, мы выяснили, что 3DMark 11 совершенно спокойно относится к производительности CPU, отлично работая даже на одном ядре. Такое же “мощное” влияние оказал и Hyper-Threading. Как видите, тест абсолютно не замечает различий между Pentium и Core i7, не говоря уже о промежуточных моделях.

Metro 2033

А вот Metro 2033 явно заметила появление Hyper-Threading. И отреагировала на него негативно! Да, именно так: включение HT в данной игре оказывает негативное влияние на производительность. Небольшое влияние, конечно – 0,5 кадра в секунду при четырех физических ядрах, и 0,7 при двух. Но этот факт дает все основания заявить, что в Metro 2033 Pentium быстрее, чем Core i3, а Core i5 лучше, чем Core i7. Вот оно подтверждение того факта, что Hyper-Threading показывает свою эффективность не всегда и не везде.

Crysis 2

Эта игра показала очень интересные результаты. Прежде всего, отметим, что влияние Hyper-Threading хорошо заметно в двуядерных процессорах – Core i3 опередил Pentium почти на 9 процентов, что для этой игры совсем немало. Победа HT и Intel? Не совсем, так как Core i7 не показал никакого прироста относительно заметно более дешевого Core i5. Но этому есть разумное объяснение – Crysis 2 не умеет использовать больше четырех потоков данных. Из-за этого мы видим хороший прирост у двуядерника с HT – все же лучше четыре потока, хоть и логических, чем два. С другой стороны, дополнительные потоки Core i7 девать уже было некуда, там вполне хватало четырех физических ядер. Так что по результатам данного теста можно отметить положительное влияние HT в Core i3, который здесь заметно лучше Pentium. А вот среди четырехядерников Core i5 вновь выглядит более разумным решением.

Battlefield 3

Здесь результаты очень странные. Если в тесте на количество ядер, battlefield был образцом микроскопического, но линейного прироста, то включение Hyper-Threading внесло в результаты хаос. По факту можно констатировать, что Core i3, со своими двумя ядрами и HT оказался лучшим из всех, опередив даже Core i5 и Core i7. Странно, конечно, но, в то же время, Core i5 и Core i7 вновь оказались на одном уровне. Чем это объясняется не ясно. Скорее всего тут сыграла свою роль методика тестирования в этой игре, которая дает большие погрешности, нежели стандартные бенчмарки.

В прошлом тесте F1 2011 проявила себя как одна из игр, очень критично относящихся к количеству ядер, а в этом вновь удивила отменным влиянием на производительность технологии Hyper-Threading. Причем вновь, как и в Crysis 2, очень хорошо включение HT показало себя на двуядерных процессорах. Посмотрите на разницу между нашими условными Core i3 и Pentium – она более чем двукратная! Явно видно, что игре очень сильно не хватает двух ядер, и при этом ее код так хорошо распараллеливается, что эффект получился потрясающим. С другой стороны, против четырех физических ядер не попрешь – Core i5 заметно быстрее Core i3. А вот Core i7, вновь, как и в предыдущих играх не показал ничего выдающегося на фоне Core i5. Причина все та же – игра не умеет использовать больше 4 потоков, а накладные расходы на работу HT снижают производительность Core i7 ниже уровня Core i5.

Старому вояке Hyper-Threading не нужнее, чем ежу футболка – его влияние отнюдь не так ярко заметно как в F1 2011 или Crysis 2. При этом все же отметим, что 1 лишний кадр включение HT на двуядерном процессоре принесло. Этого конечно маловато, чтобы сказать, что Core i3 лучше, чем Pentium. По крайней мере, это улучшение явно не соответствует разнице в цене этих процессоров. А уж о разнице в цене между Core i5 и Core i7 даже вспоминать не стоит, так как процессор без поддержки HT вновь оказался быстрее. Причем заметно быстрее – на 7 процентов. Как ни крути, а вновь констатируем факт, что четыре потока это максимум для этой игры, а потому HyperThreading в данном случае не помогает Core i7, а мешает.