Технология параллельных вычислений hyper threading. Что такое Hyper Threading? Как включить поддержку в BIOS? Техническое описание технологии

"…И мы горды — и враг наш горд
Рука, забудь о лени. Посмотрим,
кто у чьих ботфорт в конце
концов склонит свои колени…"
© х/ф "Д"артаньян и три мушкетера"

Некоторое время назад автор позволил себе "слегка поворчать" по поводу новой парадигмы от Intel — Hyper Threading. К чести корпорации Intel, недоумение автора не осталось ею незамеченной. А посему автору предложили помощь в выяснении (как деликатно дали оценку менеджеры корпорации ) "настоящей" ситуации с технологией Hyper Threading. Ну что же — желание выяснить истину можно только похвалить. Не так ли, уважаемый читатель? По крайней мере, именно так звучит одна из прописных истин: правда — это хорошо . Что ж, будем стараться действовать в соответствии с данной фразой. Тем более, что действительно появилось некоторое количество новых сведений.

Для начала сформулируем, что же именно мы знаем про технологию Hyper Threading:

1. Данная технология предназначена для увеличения эффективности работы процессора. Дело в том, что, по оценкам Intel, большую часть времени работает всего 30% (кстати, достаточно спорная цифра — подробности ее вычисления неизвестны ) всех исполнительных устройств в процессоре. Согласитесь, это достаточно обидно. И то, что возникла идея каким-то образом "догрузить" остальные 70% — выглядит вполне логично (тем более что сам по себе процессор Pentium 4, в котором и внедрят эту технологию, отнюдь не страдает от избыточной производительности на мегагерц ). Так что эту идею автор вынужден признать вполне здравой.

2. Суть технологии Hyper Threading состоит в том, что во время исполнения одной "нити" программы простаивающие исполнительные устройства могут заняться исполнением другой "нити" программы (или "нити" другой программы ). Или, например, исполняя одну последовательность команд, ожидать данных из памяти для исполнения другой последовательности.

3. Естественно, выполняя различные "нити", процессор должен каким-либо образом отличать, какие команды к какой "нити" относятся. Значит, есть какой-то механизм (некая метка ), благодаря которой процессор отличает, к какой "нити" относятся команды.

4. Ясно также, что, учитывая небольшое количество регистров общего назначения в архитектуре х86 (всего 8 ), у каждой нити свой набор регистров. Впрочем, это уже давно не новость — данное ограничение архитектуры уже довольно давно обходится при помощи "переименования регистров". Другими словами, физических регистров намного больше, чем логических. В процессоре Pentium III их 40. Наверняка это число для Pentium 4 больше — у автора есть ничем не обоснованное (кроме соображений "симметрии" :-) мнение, что их порядка сотни. Никаких достоверных сведений об их количестве найти не удалось. По неподтвержденным пока данным, их 256 . По другим данным — другое число. В общем, полная неопределенность…. Кстати, позиция Intel по этому поводу совершенно непонятна:-(— автору непонятно, чем вызвана подобная секретность .

5. Также известно, что в случае, когда несколько "нитей" претендуют на одни и те же ресурсы, либо одна из "нитей" ждет данных — во избежание падения производительности программисту необходимо вставлять специальную команду — "pause". Естественно, это потребует очередной перекомпиляции программ.

6. Также понятно, что возможны ситуации, когда попытки одновременного исполнения нескольких "нитей" приведут к падению производительности. Например, из-за того, что размер кэша L2 не бесконечный, а активные "нити" будут пытаться загрузить кэш — возможна ситуация, когда такая "борьба за кэш" приведет к постоянной очистке и перезагрузке данных в кэше второго уровня.

7. Intel утверждает, что при оптимизации программ под данную технологию выигрыш будет составлять до 30%. (Вернее, Intel утверждает, что на сегодняшних серверных приложениях и сегодняшних системах до 30% ) Гм…. Это более чем достаточный стимул для оптимизации.

Ну что же, некоторые особенности мы сформулировали. Теперь давайте попробуем обдумать некоторые следствия (по возможности опираясь на известные нам сведения ). Что же можно сказать? Ну, во-первых, необходимо тщательнее разобраться, что же именно нам предлагают. Так ли "бесплатен" этот сыр? Для начала разберемся, как именно будет происходить "одновременная" обработка нескольких "нитей". Кстати, что подразумевает корпорация Intel под словом "нить"?

У автора сложилось впечатление (возможно, ошибочное ), что в данном случае имеется ввиду программный фрагмент, который мультизадачная операционная система назначает на исполнение одному из процессоров мультипроцессорной аппаратной системы. "Постойте!" — заявит внимательный читатель — "это же одно из определений! Что тут нового?". А ничего — в данном вопросе автор на оригинальность не претендует. Разобраться бы, что "наоригинальничала" Intel:-). Ну что же — примем в качестве рабочей гипотезы.

Далее — исполняется некоторая нить. Тем временем декодер команд (кстати, полностью асинхронный и не входящий в пресловутые 20 стадий Net Burst ) осуществляет выборку и дешифрацию (со всеми взаимозависимостями ) в микроинструкции . Здесь надо пояснить, что автор подразумевает под словом "асинхронный" — дело в том, что результат "разваливания" х86 команд в микроинструкции происходит в блоке дешифрации. Каждая команда х86 может быть декодирована в одну, две, или более микроинструкций. При этом на стадии обработки выясняются взаимозависимости, доставляются необходимые данные по системной шине. Соответственно, скорость работы этого блока часто будет зависеть от скорости доступа данных из памяти — и в худшем случае определяется именно ею. Было бы логично "отвязать" его от того конвейера, в котором, собственно, и происходит выполнение микроопераций. Это было сделано путем помещения блока дешифрации перед trace cache. Чего мы этим добиваемся? А добиваемся мы при помощи такой "перестановки блоков" местами простой вещи — если в trace cache есть микроинструкции для исполнения — процессор работает более эффективно. Естественно, этот блок работает на частоте процессора — в отличие от Rapid Engine. Кстати, у автора сложилось впечатление, что данный декодер представляет собой нечто вроде конвейера длиной до 10–15 стадий. Таким образом, от выборки данных из кэша до получения результата проходит, по всей видимости, порядка 30 — 35 стадий (включая конвейер Net Burst , см. Microdesign Resources August2000 Microprocessor report Volume14 Archive8, page12).

Полученный набор микроинструкций вместе со всеми взаимозависимостями накапливается в trace cache — в том самом, который приблизительно 12 000 микроопераций. По приблизительным оценкам источник такой оценки — строение микроинструкции P6; дело в том, что принципиально длина инструкций вряд ли кардинально поменялась (считая длину микроинструкции вместе со служебными полями порядка 100 бит ) размер trace cache получается от 96 КБ до 120 КБ!!! Однако! На фоне этого кэш данных размером 8 КБ выглядит как-то несимметрично:-)… и бледно. Конечно, при увеличении размера увеличиваются задержки доступа (к примеру, при увеличении до 32КБ задержки вместо двух тактов составят 4 ). Но неужели так важна скорость доступа в этот самый кэш данных, что увеличение задержки на 2 такта (на фоне общей длины всего конвейера ) делает такое увеличение объема невыгодным? Или дело просто в нежелании увеличивать размер кристалла? Но тогда при переходе на 0.13 мкм первым делом стоило увеличить именно этот кэш (а не кэш второго уровня ). Сомневающимся в данном тезисе стоило бы припомнить переход с Pentium на Pentium MMX — благодаря увеличению кэша первого уровня вдвое практически все программы получали 10 — 15% прироста производительности. Что же говорить об увеличении вчетверо (особенно учитывая, что скорости процессоров выросли до 2ГГц, а коэффициент умножения — с 2.5 до 20 )? По неподтвержденным данным, в следующей модификации ядра Pentium4 (Prescott) кэш первого уровня таки увеличат до 16 или 32 КБ. Также увеличится кэш второго уровня. Впрочем, на сегодняшний момент все это не более чем слухи. Откровенно говоря, слегка непонятная ситуация. Хотя — оговоримся — автор вполне допускает, что подобной идее мешает некая конкретная причина. Как пример — подойдут некие требования по геометрии расположения блоков или банальная нехватка свободного места вблизи конвейера (ясно ведь, что необходимо расположить кэш данных поближе к ALU ).

Не отвлекаясь, смотрим на процесс дальше. Конвейер работает — пусть нынешние команды задействуют ALU. Ясно, что FPU, SSE, SSE2 и прочие при этом простаивают. Не тут-то было — вступает в действие Hyper Threading. Заметив, что готовы микроинструкции вместе с данными для новой нити, блок переименования регистров выделяет новой нити порцию физических регистров. Кстати, возможны два варианта — блок физических регистров общий для всех нитей, или же отдельный для каждого. Судя по тому, что в презентации Hyper Threading от Intel в качестве блоков, которые надо изменять, блок переименования регистров не указан — выбран первый вариант. Это хорошо или плохо? С точки зрения технологов — явно хорошо, ибо экономит транзисторы. С точки зрения программистов — пока неясно. Если количество физических регистров действительно 128, то при любом разумном количестве нитей ситуации "нехватка регистров" возникнуть не может. Затем они (микроинструкции ) отправляются в планировщик, который, собственно, направляет их на исполнительное устройство (если оно не занято ) или "в очередь", если данное исполнительное устройство сейчас недоступно. Таким образом, в идеале достигается более эффективное спользование имеющихся исполнительных устройств. В это время сам процессор с точки зрения ОС выглядит как два "логических" процессора . Гм… Неужели все так безоблачно? Давайте присмотримся к ситуации: часть оборудования (как-то кэши, Rapid Engine, модуль предсказания переходов ) являются общими для обоих процессоров. Кстати, точность предсказания переходов от этого, скорее всего, слегка пострадает . Особенно, если исполняемые одновременно нити не связаны друг с другом. А часть (например, MIS — планировщик последовательности микрокоманд — подобие ПЗУ, содержащее набор заранее запрограммированных последовательностей обычных операций и RAT — таблица переименования [псевдонимов] регистров ) блоков должна отличать различные нити, запущенные на "разных" процессорах. Попутно (из общности кэша ) следует, что, если две нити являются "жадными" к кэшу (то есть увеличение кэша дает большой эффект ), то применение Hyper Threading способно даже снизить скорость . Это происходит потому, что на сегодняшний момент реализован "конкурентный" механизм борьбы за кэш — "активная" в данный момент нить вытесняет "неактивную". Впрочем, механизм кэширования, по-видимому, может измениться. Также понятно, что скорость (по крайней мере, на текущий момент ) будет снижаться в тех приложениях, в которых она снижалась и в честном SMP. Как пример — SPEC ViewPerf обычно на однопроцессорных системах показывает более высокие результаты. А посему наверняка на системе с Hyper Threading результаты будут меньше, чем без нее. Собственно, результаты практического тестирования Hyper Threading можно посмотреть по .

Кстати, в интернет проскакивала информация о том, что ALU в Pentium 4 16 разрядные . Сначала автор относился к подобной информации весьма скептически — дескать, чего завистники удумали:-). А потом публикация подобной информации в Micro Design Report заставила таки задуматься — а вдруг правда? И, хотя информация об этом к теме статьи прямого отношения не имеет - трудно удержаться:-). Насколько автору "хватило понимания", суть в том, что ALU действительно 16-разрядный. Подчеркиваю — только ALU . К разрядности самого процессора это отношения не имеет. Таким образом, за полтакта (это называется тик, tick ) ALU (удвоенной частоты, как Вы помните ) вычисляет только 16 разрядов. Вторые 16 вычисляются за следующие полтакта. Отсюда, кстати, легко понятна необходимость сделать ALU вдвое быстрее — это необходимо для своевременного "перемалывания" данных. Таким образом, полных 32 разряда вычисляются за полный такт. На самом деле, по-видимому, необходимы 2 такта из-за необходимости "склеивать" и "расклеивать" разряды — но этот вопрос необходимо уточнить. Собственно, раскопки (про которые можно написать отдельную поэму) дали следующее: каждое ALU поделено на 2 16-разрядные половинки. Первые полтакта первая половинка обрабатывает 16 разрядов двух чисел и формируют биты переносов для вторых половинок. Вторая половинка в это время заканчивает обработку предыдущих чисел. Второй тик — первая половинка ALU обрабатывает 16 разрядов от следующей пары чисел и формирует их переносы. Вторая половинка обрабатывает старшие 16 разрядов первой пары чисел и получает готовый 32-разрядный результат. Задержка получения 1 результата — 1 такт, но потом каждые полтакта вылезает по 1 32-разрядному результату. Достаточно остроумно и эффективно. Почему же была выбрана именно такая модель ALU? По видимому, подобной организацией Intel убивает несколько "зайцев":

1. Ясно, что конвейер "шириной" 16 разрядов разгонять легче, чем шириной 32 разряда — просто по причине наличия перекрестных помех и К о

2. По-видимому, Интел счел операции целочисленного вычисления достаточно часто встречающимися, чтобы ускорять именно ALU, а не, скажем, FPU. Вероятно, при вычислении результатов целочисленных операций используются либо таблицы, либо схемы "с накоплением переноса". Для сравнения, одна 32-битная таблица это 2E32 адресов, т.е. 4гигабайта. Две 16-разрядные таблицы это 2х64кб или 128 килобайт — почувствуйте разницу! Да и накопление переносов в двух 16-разрядных порциях происходит быстрее, чем в одной 32-разрядной.

3. Экономит транзисторы и… тепло. Ведь ни для кого не секрет, что все эти архитектурные ухищрения греются. По видимому, это была достаточно большая (а, возможно, и главная ) проблема — чего стоит, к примеру, Thermal Monitor как технология! Ведь необходимости в подобной технологии как таковой не очень много — то есть, конечно, приятно, что она есть. Но давайте говорить честно — простой блокировки хватило бы для достаточной надежности. Раз такая сложная технология была предусмотрена — значит, всерьез рассматривался вариант, когда подобные изменения частоты на ходу были одним из штатных режимов работы. А, может, основным? Ведь не зря ходили слухи, что Pentium 4 задумывался с гораздо большим количеством исполнительных устройств. Тогда проблема тепла должна была стать просто основной. Вернее, по тем же слухам, тепловыделение должно было составить до 150 Вт . А тогда очень логично принять меры к тому, чтобы процессор работал "в полную силу" только в таких системах, где обеспечено нормальное охлаждение. Тем более, что большинство корпусов "китайского" происхождения продуманностью конструкции с точки зрения охлаждения отнюдь не блещут. Гм…. Далековато забрались:-)

Но все это теоретизирования. Есть ли сегодня процессоры, в которых применяется эта технология? Есть. Это Xeon (Prestonia ) и XeonMP. Причем, интересно, что XeonМР от Xeon отличается поддержкой до 4 процессоров (чипсеты типа IBM Summit поддерживают до 16 процессоров, методика приблизительно такая же, как и в чипсете ProFusion ) и наличием кэша третьего уровня объемом 512 КБ и 1 МБ, интегрированного в ядро. Кстати, а почему интегрировали кэш именно третьего уровня? Почему не увеличен кэш первого уровня ? Должна же быть какая-то разумная причина…. Почему не увеличили кэш второго уровня? Возможно, причина в том, что Advanced Transfer Cache нуждается в относительно небольших задержках. А увеличение объема кэша приводит к увеличению задержек. Посему кэш третьего уровня для ядра и кэша второго уровня вообще «представляется» как шина. Просто шина:-). Так что прогресс налицо — сделано все, чтобы данные подавались в ядро как можно быстрее (а, попутно, поменьше загружалась шина памяти ).

Ну что же — получается, никаких особо узких мест и нет? Что же автор, так и не сможет "поворчать"? Один процессор - а ОС видит два. Хорошо! Два процессора — а ОС видит 4! Кррасота! Стоп! А какая это ОС у нас работает с 4-мя процессорами? Операционные системы от Микрософт, которые понимают больше двух процессоров, стоят совсем других денег. Например, 2000 Professional, XP Professional, NT4.0 понимают только два процессора. А, учитывая, что пока что данная технология предназначается на рынок рабочих станций (и серверов ) и есть только в соответствующих процессорах - получается просто чертовски обидно. На сегодня мы можем использовать процессора с такой технологией, только купив двухпроцессорную плату и поставив один процессор. Чем дальше, тем "страньше", как говаривала Алиса в стране чудес…. То есть, человек, жаждущий использовать данную технологию, просто вынужден покупать версии Server и Advanced Server нынешних операционных систем. Ох, и дороговат выходит "бесплатный" процессор…. Стоит добавить, пожалуй, что в настоящий момент Intel активно "общается" с Microsoft, пытаясь привязать политику лицензирования к физическому процессору. По крайней мере, согласно документу , новые операционные системы от Microsoft будут лицензироваться по физическим процессорам. По крайней мере, WindowsXP лицензируется именно по количеству физических процессоров.

Естественно, всегда можно обратиться к операционным системам других производителей. Да только будем откровенными — это не очень хороший выход из текущей ситуации…. Так что можно понять колебания Интел, которая довольно долго думала — использовать эту технологию, или нет.

Ну что же — не забываем достаточно важный вывод: применение Hyper Threading способно привести как к выигрышу, так и к проигрышу в производительности . Ну а поскольку проигрыш нами уже обсужден — попробуем понять, что же необходимо для выигрыша: а для выигрыша необходимо, чтобы об этой технологии знали:

1. BIOS материнской платы
2. Операционная система (!!!)
3. Собственно, само приложение

Вот на этом моменте позвольте остановиться поподробнее — дело в том, что за BIOS дело не станет. Операционную систему мы обсудили чуть ранее. А вот в те нити, которые, например, ожидают данных из памяти — придется вводить специальную команду pause , чтобы не замедлять работу процессора; ведь при отсутствии данных нить способна блокировать те или иные исполнительные устройства. А чтобы вставить эту команду, приложения придется перекомпилировать — это не есть хорошо, но, с легкой руки Intel, к этому в последнее время все стали привыкать:-). Таким образом, основной (по мнению автора ) недостаток технологии Hyper Threading — это необходимость очередной компиляции. Основное преимущество такого подхода - подобная перекомпиляция попутно (и, скорее всего, более заметно:-) подымет производительность в "честных" двухпроцессорных системах — а это можно только приветствовать. Кстати, уже есть экспериментальные , которые подтверждают, что в большинстве случаев программы, оптимизированные под SMP , выигрывают от Hyper Threading от 15% до 18%. Это весьма неплохо. Кстати, там же можно увидеть, в каких случаях Hyper Threading приводит к падению производительности.

И напоследок давайте попробуем пофантазировать, что же может измениться (улучшиться ) в дальнейшем развитии этой идеи. Достаточно очевидно, что развитие данной технологии будет прямо связано с развитием ядра Pentium 4. Таким образом, представим себе потенциальные изменения в ядре. Что там у нас дальше по плану? 0.09 микронная технология, более известная как 90нм…. Автор склонен считать (на сегодняшний момент ), что развитие данного семейства процессоров пойдет сразу по нескольким направлениям:

• Благодаря более "тонкому" техпроцессу частота процессора станет еще выше.
• Будем надеяться, что кэш данных увеличат. Хотя бы до 32КБ.
• Сделают "честное", 32 разрядное ALU. Это должно поднять производительность.
• Увеличат скорость системной шины (впрочем, это уже в ближайших планах ).
• Сделают двухканальную DDR память (опять же, ждать осталось относительно недолго ).
• Возможно, введут аналог технологии х86-64, если данная технология (усилиями AMD ) приживется. При этом автор изо всех сил надеется, что этот аналог будет совместимым с х86-64. Хватит уже плодить несовместимых друг с другом расширений…. Опять же, небезынтересным для нас будет Джерри Сандерса, в котором тот заявил, что AMD и Intel в прошлом году договорились о кросс-лицензировании на все, кроме системной шины Pentium4. Значит ли это, что Intel встроит х86-64 в следующее ядро Pentium4 (Prescott), а AMD встроит в свои процессора Hyper Threading? Вопрос интересный….
• Возможно, будет увеличено количество исполнительных устройств. Правда, как и предыдущий, это достаточно спорный пункт, поскольку требует практически полного перепроектирования ядра — а это долгий и трудоемкий процесс.

Интересно, будет ли развиваться идея Hyper Threading? Дело в том, что в количественном отношении ей развиваться особо некуда — понятно, что два физических процессора лучше трех логических. Да и позиционировать будет нелегко…. Интересно, что Hyper Threading может пригодиться и при интегрировании двух (или более ) процессоров на кристалл. Ну а под качественными изменениями автор имеет ввиду, что наличие такой технологии в обычных десктопах приведет к тому, что фактически большинство пользователей будут работать на [почти] двухпроцессорных машинах — что очень хорошо. Хорошо потому, что подобные машины работают не в пример "плавнее" и "отзывчивее" на действия пользователя даже под большой нагрузкой. Сие, с точки зрения автора, есть весьма хорошо.

Вместо послесловия

Автор должен признаться, что в течение работы над статьей его отношение к Hyper Threading неоднократно менялось. По мере того, как собиралась и обрабатывалась информация — отношение становилось то в целом положительным, то наоборот:-). На сегодняшний момент можно написать следующее:

есть только два способа повышать производительность — повышать частоту, и повышать производительность за такт. И, если вся архитектура Pentium4 рассчитана на первый путь, то Hyper Threading — как раз второй. Уже с этой точки зрения ее можно только приветствовать. Так же Hyper Threading несет несколько интересных следствий, как-то: изменение парадигмы программирования, привнесение многопроцессорности в массы, увеличение производительности процессоров. Однако, на этом пути есть несколько "больших кочек", на которых важно не "застрять": отсутствие нормальной поддержки со стороны операционных систем и, самое главное, необходимость перекомпиляции (а в некоторых случаях и смены алгоритма ) приложений, чтобы они в полной мере смогли воспользоваться преимуществами Hyper Threading. К тому же, наличие Hyper Threading сделало бы возможной действительно параллельную работу операционной системы и приложений — а не "кусками" по очереди, как сейчас. Конечно, при условии, что хватит свободных исполнительных устройств.

Автор хотел подчеркнуть бы свою признательность Максиму Леню (aka C.A.R.C.A.S.S.) и Илье Вайцману (aka Stranger_NN) за неоднократную и неоценимую помощь при написании статьи.
Также хотелось бы сказать спасибо всем участникам форума, которые неоднократно высказывали ценные замечания.

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.

В прошлом мы рассказывали о технологии одновременной многопоточности (Simultaneous Multi-Threading - SMT), которая применяется в процессорах Intel. И хотя первоначально она создавалась под кодовым именем "технология Джексона" (Jackson Technology) как возможный, вероятный вариант, Intel официально анонсировала свою технологию на форуме IDF прошлой осенью. Кодовое имя Jackson было заменено более подходящим Hyper-Threading. Итак, для того чтобы разобраться, как работает новая технология, нам нужны кое-какие первоначальные знания. А именно, нам нужно знать, что такое поток, как выполняются эти потоки. Почему работает приложение? Как процессор узнает, какие операции и над какими данными он должен совершать? Вся эта информация содержится в откомпилированном коде выполняемого приложения. И как только приложение получает от пользователя какую-либо команду, какие-либо данные, – процессору сразу же отправляются потоки, в результате чего он и выполняет то, что должен выполнить в ответ на запрос пользователя. С точки зрения процессора, поток – это набор инструкций, которые необходимо выполнить. Когда в вас попадает снаряд в Quake III Arena, или когда вы открываете документ Microsoft Word, процессору посылается определенный набор инструкций, которые он должен выполнить.

Процессор точно знает, где брать эти инструкции. Для этой цели предназначен редко упоминаемый регистр, называемый счетчиком команд (Program Counter, PC). Этот регистр указывает на место в памяти, где хранится следующая для выполнения команда. Когда поток отправляется на процессор, адрес памяти потока загружается в этот счетчик команд, чтобы процессор знал, с какого именно места нужно начать выполнение. После каждой инструкции значение этого регистра увеличивается. Весь этот процесс выполняется до завершения потока. По окончании выполнения потока, в счетчик команд заносится адрес следующей инструкции, которую нужно выполнить. Потоки могут прерывать друг друга, при этом процессор запоминает значение счетчика команд в стеке и загружает в счетчик новое значение. Но ограничение в этом процессе все равно существует – в каждую единицу времени можно выполнять лишь один поток.

Существует общеизвестный способ решения данной проблемы. Заключается он в использовании двух процессоров – если один процессор в каждый момент времени может выполнять один поток, то два процессора за ту же единицу времени могут выполнять уже два потока. Отметим, что этот способ не идеален. При нем возникает множество других проблем. С некоторыми, вы уже, вероятно, знакомы. Во-первых, несколько процессоров всегда дороже, чем один. Во-вторых, управлять двумя процессорами тоже не так-то просто. Кроме того, не стоит забывать о разделении ресурсов между процессорами. Например, до появления чипсета AMD 760MP, все x86 платформы с поддержкой многопроцессорности разделяли всю пропускную способность системной шины между всеми имеющимися процессорами. Но основной недостаток в другом – для такой работы и приложения, и сама операционная система должны поддерживать многопроцессорность. Способность распределить выполнение нескольких потоков по ресурсам компьютера часто называют многопоточностью. При этом и операционная система должна поддерживать многопоточность. Приложения также должны поддерживать многопоточность, чтобы максимально эффективно использовать ресурсы компьютера. Не забывайте об этом, когда мы будем рассматривать ещё один подход решения проблемы многопоточности, новую технологию Hyper-Threading от Intel.

Производительности всегда мало

Об эффективности всегда много говорят. И не только в корпоративном окружении, в каких-то серьезных проектах, но и в повседневной жизни. Говорят, homo sapiens лишь частично задействуют возможности своего мозга. То же самое относится и к процессорам современных компьютеров.

Взять, к примеру, Pentium 4. Процессор обладает, в общей сложности, семью исполнительными устройствами, два из которых могут работать с удвоенной скоростью – две операции (микрооперации) за такт. Но в любом случае, вы бы не нашли программы, которая смогла бы заполнить инструкциями все эти устройства. Обычные программы обходятся несложными целочисленными вычислениями, да несколькими операциями загрузки и хранения данных, а операции с плавающей точкой остаются в стороне. Другие же программы (например, Maya) главным образом загружают работой устройства для операций с плавающей точкой.

Чтобы проиллюстрировать ситуацию, давайте вообразим себе процессор с тремя исполнительными устройствами: арифметико-логическим (целочисленным – ALU), устройством для работы с плавающей точкой (FPU), и устройством загрузки/хранения (для записи и чтения данных из памяти). Кроме того, предположим, что наш процессор может выполнять любую операцию за один такт и может распределять операции по всем трем устройствам одновременно. Давайте представим, что к этому процессору на выполнение отправляется поток из следующих инструкций:

Рисунок ниже иллюстрирует уровень загруженности исполнительных устройств (серым цветом обозначается незадействованное устройство, синим – работающее устройство):

Итак, вы видите, что в каждый такт используется только 33% всех исполнительных устройств. В этот раз FPU остается вообще незадействованным. В соответствии с данными Intel, большинство программ для IA-32 x86 используют не более 35% исполнительных устройств процессора Pentium 4.

Представим себе ещё один поток, отправим его на выполнение процессору. На этот раз он будет состоять из операций загрузки данных, сложения и сохранения данных. Они будут выполняться в следующем порядке:

И снова загруженность исполнительных устройств составляет лишь на 33%.

Хорошим выходом из данной ситуации будет параллелизм на уровне инструкций (Instruction Level Parallelism - ILP). В этом случае одновременно выполняются сразу нескольких инструкций, поскольку процессор способен заполнять сразу несколько параллельных исполнительных устройств. К сожалению, большинство x86 программ не приспособлены к ILP в должной степени. Поэтому приходится изыскивать другие способы увеличения производительности. Так, например, если бы в системе использовалось сразу два процессора, то можно было бы одновременно выполнять сразу два потока. Такое решение называется параллелизмом на уровне потоков (thread-level parallelism, TLP). К слову сказать, такое решение достаточно дорогое.

Какие же ещё существуют способы увеличения исполнительной мощи современных процессоров архитектуры x86?

Hyper-Threading

Проблема неполного использования исполнительных устройств связана с несколькими причинами. Вообще говоря, если процессор не может получать данные с желаемой скоростью (это происходит в результате недостаточной пропускной способности системной шины и шины памяти), то исполнительные устройства будут использоваться не так эффективно. Кроме того, существует ещё одна причина – недостаток параллелизма на уровне инструкций в большинстве потоков выполняемых команд.

В настоящее время большинство производителей улучшают скорость работы процессоров путем увеличения тактовой частоты и размеров кэша. Конечно, таким способом можно увеличить производительность, но все же потенциал процессора не будет полностью задействован. Если бы мы могли одновременно выполнять несколько потоков, то мы смогли бы использовать процессор куда более эффективно. Именно в этом и заключается суть технологии Hyper-Threading.

Hyper-Threading – это название технологии, существовавшей и ранее вне x86 мира, технологии одновременной многопоточности (Simultaneous Multi-Threading, SMT). Идея этой технологии проста. Один физический процессор представляется операционной системе как два логических процессора, и операционная система не видит разницы между одним SMT процессором или двумя обычными процессорами. В обоих случаях операционная система направляет потоки как на двухпроцессорную систему. Далее все вопросы решаются на аппаратном уровне.

В процессоре с Hyper-Threading каждый логический процессор имеет свой собственный набор регистров (включая и отдельный счетчик команд), а чтобы не усложнять технологию, в ней не реализуется одновременное выполнение инструкций выборки/декодирования в двух потоках. То есть такие инструкции выполняются поочередно. Параллельно же выполняются лишь обычные команды.

Официально технология была объявлена на форуме Intel Developer Forum прошлой осенью. Технология демонстрировалась на процессоре Xeon, где проводился рендеринг с помощью Maya. В этом тесте Xeon с Hyper-Threading показал на 30% лучшие результаты, чем стандартный Xeon. Приятный прирост производительности, но больше всего интересно то, что технология уже присутствует в ядрах Pentium 4 и Xeon, только она выключена.

Технология пока ещё не выпущена, однако те из вас, кто приобрел 0,13 мкм Xeon, и установил этот процессор на платы с обновленным BIOS, наверняка были удивлены, увидев в BIOS опцию включения/отключения Hyper-Threading.

А пока Intel будет оставлять опцию Hyper-Threading отключенной по умолчанию. Впрочем, для ее включения достаточно просто обновить BIOS. Все это касается рабочих станций и серверов, что же до рынка персональных компьютеров, в ближайшем будущем у компании планов касательно этой технологии не имеется. Хотя возможно, производители материнских плат предоставят возможность включить Hyper-Threading с помощью специального BIOS.

Остается очень интересный вопрос, почему Intel хочет оставить эту опцию выключенной?

Углубляемся в технологию

Помните те два потока из предыдущих примеров? Давайте на этот раз предположим, что наш процессор оснащен Hyper-Threading. Посмотрим, что получится, если мы попытаемся одновременно выполнить эти два потока:

Как и ранее, синие прямоугольники указывают на выполнение инструкции первого потока, а зеленые - на выполнение инструкции второго потока. Серые прямоугольники показывают незадействованные исполнительные устройства, а красные - конфликт, когда на одно устройство пришло сразу две разных инструкции из разных потоков.

Итак, что же мы видим? Параллелизм на уровне потоков дал сбой – исполнительные устройства стали использоваться ещё менее эффективно. Вместо параллельного выполнения потоков, процессор выполняет их медленнее, чем если бы он выполнял их без Hyper-Threading. Причина довольно проста. Мы пытались одновременно выполнить сразу два очень похожих потока. Ведь оба они состоят из операций по загрузке/сохранению и операций сложения. Если бы мы параллельно запускали "целочисленное" приложение и приложение, работающее с плавающей точкой, мы бы оказались куда в лучшей ситуации. Как видим, эффективность Hyper-Threading сильно зависит от вида нагрузки на ПК.

В настоящий момент, большинство пользователей ПК используют свой компьютер примерно так, как описано в нашем примере. Процессор выполняет множество очень схожих операций. К сожалению, когда дело доходит до однотипных операций, возникают дополнительные сложности с управлением. Случаются ситуации, когда исполнительных устройств нужного типа уже не осталось, а инструкций, как назло, вдвое больше обычного. В большинстве случаев, если бы процессоры домашних компьютеров использовали технологию Hyper-Threading, то производительность бы от этого не увеличилась, а может быть, даже снизилась на 0-10%.

На рабочих же станциях возможностей для увеличения производительности у Hyper-Threading больше. Но с другой стороны, все зависит от конкретного использования компьютера. Рабочая станция может означать как high-end компьютер для обработки 3D графики, так и просто сильно нагруженный компьютер.

Наибольший же прирост в производительности от использования Hyper-Threading наблюдается в серверных приложениях. Главным образом это объясняется широким разнообразием посылаемых процессору операций. Сервер баз данных, использующих транзакции, может работать на 20-30% быстрее при включенной опции Hyper-Threading. Чуть меньший прирост производительности наблюдается на веб-серверах и в других сферах.

Максимум эффективности от Hyper-Threading

Вы думаете, Intel разработала Hyper-Threading только лишь для своей линейки серверных процессоров? Конечно же, нет. Если бы это было так, они бы не стали впустую тратить место на кристалле других своих процессоров. По сути, архитектура NetBurst, использующаяся в Pentium 4 и Xeon, как нельзя лучше подходит для ядра с поддержкой одновременной многопоточности. Давайте ещё раз представим себе процессор. На этот раз в нем будет ещё одно исполнительное устройство – второе целочисленное устройство. Посмотрим, что случится, если потоки будут выполняться обоими устройствами:

С использованием второго целочисленного устройства, единственный конфликт случился только на последней операции. Наш теоретический процессор в чем-то похож на Pentium 4. В нем имеется целых три целочисленных устройства (два ALU и одно медленное целочисленное устройство для циклических сдвигов). А что ещё более важно, оба целочисленных устройства Pentium 4 способны работать с двойной скоростью – выполнять по две микрооперации за такт. А это, в свою очередь, означает, что любое из этих двух целочисленных устройств Pentium 4/Xeon могло выполнить те две операции сложения из разных потоков за один такт.

Но это не решает нашей проблемы. Было бы мало смысла просто добавлять в процессор дополнительные исполнительные устройства с целью увеличения производительности от использования Hyper-Threading. С точки зрения занимаемого на кремнии пространства это было бы крайне дорого. Вместо этого, Intel предложила разработчикам оптимизировать программы под Hyper-Threading.

Используя инструкцию HALT, можно приостановить работу одного из логических процессоров, и тем самым увеличить производительность приложений, которые не выигрывают от Hyper-Threading. Итак, приложение не станет работать медленнее, вместо этого один из логических процессоров будет остановлен, и система будет работать на одном логическом процессоре – производительность будет такой же, что и на однопроцессорных компьютерах. Затем, когда приложение сочтет, что от Hyper-Threading оно выиграет в производительности, второй логический процессор просто возобновит свою работу.

На веб-сайте Intel имеется презентация , описывающая, как именно необходимо программировать, чтобы извлечь из Hyper-Threading максимум выгоды.

Выводы

Хотя мы все были крайне обрадованы, когда до нас дошли слухи об использовании Hyper-Threading в ядрах всех современных Pentium 4/Xeon, все же это не будет бесплатной производительностью на все случаи жизни. Причины ясны, и технологии предстоит преодолеть ещё многое, прежде чем мы увидим Hyper-Threading, работающую на всех платформах, включая домашние компьютеры. А при поддержке разработчиков, технология определенно может оказаться хорошим союзником Pentium 4, Xeon, и процессорам будущего поколения от Intel.

При существующих ограничениях и при имеющейся технологии упаковки, Hyper-Threading кажется более разумным выбором для потребительского рынка, чем, например, подход AMD в SledgeHammer – в этих процессорах используется целых два ядра. И до тех пор, пока не станут совершенными технологии упаковки, такие как Bumpless Build-Up Layer , стоимость разработки многоядерных процессоров может оказаться слишком высокой.

Интересно заметить, насколько разными стали AMD и Intel за последние несколько лет. Ведь когда-то AMD практически копировала процессоры Intel. Теперь же компании выработали принципиально иные подходы к будущим процессорам для серверов и рабочих станций. AMD на самом деле проделала очень длинный путь. И если в процессорах Sledge Hammer действительно будут использоваться два ядра, то по производительности такое решение будет эффективнее, чем Hyper-Threading. Ведь в этом случае кроме удвоения количества всех исполнительных устройств снимаются проблемы, которые мы описали выше.

Hyper-Threading ещё некоторое время не появится на рынке обычных ПК, но при хорошей поддержке разработчиков, она может стать очередной технологией, которая опустится с серверного уровня до простых компьютеров.

Впервые технология Hyper-Threading (HT, гиперпоточность) появилась 15 лет назад - в 2002 году, в процессорах Pentium 4 и Xeon, и с тех пор то появлялась в процессорах Intel (в линейке Core i, некоторых Atom, в последнее время еще и в Pentium), то исчезала (ее поддержки не было в линейках Core 2 Duo и Quad). И за это время она обросла мифическими свойствами - дескать ее наличие чуть ли не удваивает производительность процессора, превращая слабые i3 в мощные i5. При этом другие говорят что HT - обычная маркетинговая уловка, и толку от нее мало. Правда как обычно по середине - местами толк от нее есть, но двухкртаного прироста ждать точно не стоит.

Техническое описание технологии

Начнем с определения, данного на сайте Intel:

Технология Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) обеспечивает более эффективное использование ресурсов процессора, позволяя выполнять несколько потоков на каждом ядре. В отношении производительности эта технология повышает пропускную способность процессоров, улучшая общее быстродействие многопоточных приложений.

В общем понятно то, что ничего не понятно - одни общие фразы, однако вкраце технологию они описывают - HT позволяет одному физическому ядру обрабатывать одновременно несколько (обычно два) логических потока. Но как? Процессор, поддерживающий гиперпоточность:

• может хранить информацию сразу о нескольких выполняющихся потоках;
• содержит по одному набору регистров (то есть блоков быстрой памяти внутри процессора) и по одному контроллеру прерываний (то есть встроенному блоку процессора, отвечающему за возможность последовательной обработки запросов о наступлении какого-либо события, требующего немедленного внимания, от разных устройств) на каждый логический процессор.

Разберем на простом примере:

Допустим перед процессором стоят две задачи. Если процессор имеет одно ядро, то он будет выполнять их последовательно, если два - то параллельно на двух ядрах, и время выполнения обеих задач будет равно времени, затраченному на более тяжелую задачу. Но что если процессор одноядерный, но поддерживает гиперпоточность? Как видно на картинке выше при выполнении одной задачи процессор не занят на 100% - какие-то блоки процессора банально не нужны в данной задаче, где-то ошибается модуль предсказания переходов (который нужен для предсказания, будет ли выполнен условный переход в программе), где-то происходит ошибка обращения к кэшу - в общем и целом при выполнении задачи процессор редко бывает занят больше, чем на 70%. А технология HT как раз «подпихивает» незанятым блокам процессора вторую задачу, и получается что одновременно на одном ядре обрабатываются две задачи. Однако удвоения производительности не происходит по понятным причинам - очень часто получается так, что двум задачам нужен один и тот же вычислительный блок в процессоре, и тогда мы видим простой: пока одна задача обрабатывается, выполнение второй на это время просто останавливается (синие квадраты - первая задача, зеленые - вторая, красные - обращение задач к одному и тому же блоку в процессоре):

В итоге время, затраченное процессором с HT на две задачи, оказывается больше времени, требуемого на вычисление самой тяжелой задачи, но меньше того времени, которое нужно для последовательного вычисления обеих задач.

Плюсы и минусы технологии

С учетом того, что кристалл процессора с поддержкой HT физчески больше кристалла процессора без HT в среднем на 5% (именно столько занимают дополнительные блоки регистров и контроллеры прерываний), а поддержка HT позволяет нагрузить процессор на 90-95%, то в сравнении с 70% без HT мы получаем, что прирост в лучшем случае будет 20-30% - цифра достаточно большая.

Однако не все так хорошо: бывает, что прироста производительности от HT нет вообще, и даже бывает так, что HT ухудшает производительность процессора. Это бывает по многим причинам:

• Нехватка кэш-памяти. К примеру в современных четырехядерных i5 находится 6 мб кэша L3 - по 1.5 мб на ядро. В четырехядерных i7 с HT кэша уже 8 мб, но так как логических ядер 8, то мы получаем уже только 1 мб на ядро - при вычислениях некоторым программам этого объема может не хватать, что приводит к падению производительности.
• Отсутствие оптимизации ПО. Самая основная проблема - программы считают логические ядра физическими, из-за чего при параллельном выполнении задач на одном ядре часто возникают задержки из-за обращения задач к одному и тому же вычислительному блоку, что в итоге сводит сводит прирост производительности от HT на нет.
• Зависимость данных. Вытекает из предыдущего пункта - для выполнения одной задачи требуется результат другой, а она еще не выполнена. И опять же мы получаем простой, снижение загрузки на процессор и небольшой прирост от HT.

Программы, умеющие работать с гиперпоточностью

Таких много, ибо для вычислений HT это манна небесная - тепловыделение практически не растет, процессор особо больше не становится, а при правильной оптимизации можно получить прирост до 30%. Поэтому ее поддержку быстро внедрили в те программы, где легко можно сделать распараллеливание нагрузки - в архиваторы (WinRar), программы для 2D/3D моделирования (3ds Max, Maya), программы для обрабокти фото и видео (Sony Vegas, Photoshop, Corel Draw).

Программы, плохо работающие с гиперпоточностью

Традиционно это большинство игр - их обычно бывает трудно грамотно распараллелить, поэтому зачастую четырех физических ядер на высоких частотах (i5 K-серии) более чем хватает для игр, распараллелить которые под 8 логических ядер в i7 оказывается непосильной задачей. Однако стоит учитывать и то, что есть фоновые процессы, и если процессор не поддерживает HT, то их обработка ложится на физические ядра, что может замедлить игру. Тут i7 с HT оказывается в выигрыше - все фоновые задачи традиционно имеют пониженный приоритет, поэтому при одновременной работе на одном физическом ядре игры и фоновой задаче игра будет получать повышенный приоритет, и при этом фоновая задача не будет «отвлекать» занятые игрой ядра - именно поэтому для стриминга или записи игр лучше брать i7 с гиперпоточностью.

Итоги

Пожалуй тут остается только один вопрос - так имеет ли смысл брать процессоры с HT или нет? Если вы любите держать одновременно открытыми пяток программ и при этом играть в игры, или же занимаетесь обработкой фото, видео или моделированием - да, разумеется стоит брать. А если вы привыкли перед запуском тяжелой программы закрывать все другие, и не балуетесь обработкой или моделированием, то процессор с HT вам ни к чему.

Еще в далеком феврале 2002 года дебютировала фирменная технология от компании «Интел» - Hyper-Threading. Что этотакое и почему она получила на сегодняшний день практически повсеместное распространение? Ответ на этот вопрос и не только будет рассмотрен в данном материале.

История появления технологии HT

Первым настольным процессором с поддержкой логической многопоточности стал четвертого поколения Pentium. Hyper-Threading - технология, котораяв этом случае позволяла на одном физическом ядре обрабатывать сразу два потока данных. Причем чип этот устанавливался в процессорный разъем PGA478, функционировал он в режиме 32-битных вычислений, а его тактовая частота была равна 3,06 ГГц. До этого ее можно было встретить лишь в серверных процессорных устройствах серии XEON.

После получения успешных результатов в этой нише компания «Интел» решила распространить HT и в настольный сегмент. В дальнейшем в рамках PGA478 было выпущено целое семейство таких процессоров. После того как дебютировал сокет LGA775, НТ была временно призабыта. Но с началом продаж LGA1156 она получила второе дыхание в 2009 году. С тех пор она стала обязательным атрибутом процессорных решений от «Интел», причем как в ультрапроизводительном сегменте, так в бюджетных компьютерных системах.

Концепция данной технологии

Суть технологии Intel Hyper-Threadingсводится к тому, что путем минимальных изменений в компоновке микропроцессорного устройства разработчики добиваются того, что на уровне системного и программного обеспечения код обрабатывается в два потока на одном физическом ядре. Все элементы вычислительного модуля при этом остаются без изменений, добавляются лишь специальные регистры и переработанный контроллер прерываний.

Если по каким-либо причинам физический модуль вычислений начинает простаивать, то на нем запускается второй программный поток, а первый при этом дожидается получения необходимых данных или информации. То есть если раньше простои в работе вычислительной части чипов были достаточно частыми, то практически полностью исключает такую возможность Hyper-Threading. Что это за технология, рассмотрим ниже.

На аппаратном уровне

Повышенные требования выдвигаются к аппаратному обеспечению в случае использования Hyper-Threading. Материнская плата, BIOS и процессор должны поддерживать ее. По крайней мере, в рамках процессорного разъема PGA478 на подобную совместимость необходимо было обращать повышенное внимание. Не все наборы системной логики в этом случае были ориентированы на использование НТ, как и процессорные устройства. И даже если в номенклатуре системной платы присутствовала столь желанная аббревиатура, то это вовсе не означало, что чипы правильно инициировались по той причине, что необходимо было обновить BIOS.

Кардинально изменилась ситуация в этом случае начиная с LGA1156. Данная вычислительная платформа была изначально заточена под применение Hyper-Threading. Поэтому каких-либо существенных проблем с применением последней в данном случае у пользователей не возникало. Это же самое справедливо и для последующих процессорных разъемов, таких как LGA1155, LGA1151 и LGA1150.

Аналогичным отсутствием проблем с применением НТ могли похвастаться и высокопроизводительные сокеты LGA1366, LGA2011 и LGA2011-v3. В довершение к этому прямой конкурент «Интел» - компания AMD - в последнем поколении своих процессоров для АМ4 реализовала весьма схожую технологию логической многозадачности - SMT. Она использует практически идентичную концепцию. Отличие заключается лишь в названии.

Основные компоненты со стороны программного обеспечения

Нужно отметить, что даже в случае полноценной поддержки НТ со стороны аппаратных ресурсов не всегда она будет успешно работать на уровне программного обеспечения. Для начала операционная система должна уметь работать одновременно с несколькими вычислительными ядрами. В устаревших на сегодняшний день версиях системного софта MS-DOS или Windows 98 такой возможности нет. А вот в случае Windows 10 каких-либо проблем не возникает, и эта операционная система уже изначально заточена под такие аппаратные ресурсы персонального компьютера.

Теперь разберемся с тем, как включить Hyper-Threading в Windows.Для этого на компьютере должно быть установлено все необходимое управляющее прикладное программное обеспечение. Как правило, это специальная утилита с компакт-диска системной платы. В ней есть специальная вкладка, на которой можно в режиме реального времени изменить значения в БИОСе. Это, в свою очередь, приводит к тому, что уже в нем опция Hyper-Threading переходит в положение Enabled, а также активируются дополнительные логические потоки, причем даже без перезагрузки операционной системы.

Включение технологии

Многие начинающие пользователи достаточно часто на первоначальном этапе использования нового компьютера задаются одним важным вопросом относительно Hyper-Threading: как включитьее? Существует два возможных способа решения этой задачи. Один из них - это использование БИОСа. В этом случае необходимо выполнить такие действия:

• При включении ПК инициализируем процедуру входа в БИОС. Для этого достаточно при появлении тестового экрана зажать кнопку DEL (в некоторых случаях необходимо зажимать F2).
• После появления синего экрана переходим с применением навигационных клавиш на вкладку ADVANCED.
• Затем на ней находим пункт Hyper-Threading.
• Напротив него необходимо установить значение Enabled.

Ключевой недостаток данного способа - это необходимость перезагрузки персонального компьютера для выполнения данной операции. Реальной альтернативой ей является использование конфигурационной утилиты системной платы. Этот метод был детально описан в предыдущем разделе. И в этом случае заходить в БИОС совсем не обязательно.

Отключение НТ

По аналогии со способами включения НТ существует два способа дезактивации данной функции. Один из них можно выполнить лишь только в процессе инициализации компьютерной системы. Это, в свою очередь, не совсем удобно на практике. Поэтому специалисты останавливают свой выбор на втором методе, который основывается на использовании компьютерной утилиты материнской платы. В первом случае выполняются такие манипуляции:

1. При загрузке электронно-вычислительной машины заходим в базовую систему ввода — вывода (второе ее название BIOS) по ранее изложенной методике.
2. Перемещаемся с применением клавиш управления курсором в пункт меню Advanced.
3. Далее необходимо найти пункт меню Hyper-Threading (в некоторых моделях системных плат он может обозначаться как НТ). Напротив него с помощью кнопок PG DN и PG UP устанавливаем значение Disabled.
4. Сохраняем снесенные изменения с помощью F10.
5. Выходим из БИОСа и перезагружаем персональный компьютер.

Во втором случае при использовании диагностической утилиты системной платы нет необходимости перезагружать ПК. Это ключевое его преимущество. Алгоритм в этом случае идентичный. Разница состоит в том, что здесь используется предустановленная специальная утилита от производителя системной платы.

Ранее были описаны два основные способа того, как отключить Hyper-Threading. Хоть и более сложным номинально считается второй из них, но он более практичный по той причине, что не требует перезагрузки компьютера.

Модели процессоров с поддержкой НТ

Изначально, как было уже отмечено ранее, поддержка Hyper-Threading была реализована лишь только в процессорных устройствах серии Pentium 4 и только в исполнении PGA478. А вот уже в рамках LGA1156 и более поздних вычислительных платформ рассматриваемая в рамках данного материала технология использовалась практически во всех возможных моделях чипов. С ее помощью процессоры Celeron превращались из одноядерного в двухпоточное решение. В свою очередь, Penrium и i3 с ее помощью могли уже обрабатывать 4 потока кода. Ну а флагманские решения серии i7 способны одновременно работать с 8 логическими процессорами.

Для наглядности приведем применение НТ в рамках актуальной вычислительной платформы от Intel - LGA1151:

• ЦПУ серии Celeron не поддерживают эту технологию и имеют всего 2 вычислительных блока.
• Чипы линейки Pentium оснащены 2 ядрами и четырьмя потоками. Как результат, НТ в этом случае поддерживается в полном объеме.
• Аналогичную компоновку имеют и более производительные процессорные устройства модельного ряда Core i3: 2 физических модуля могут работать в 4 потока.
• Как и наиболее бюджетные чипы Celeron, Core i5 не оснащены поддержкой НТ.
• Флагманские решения i7 тоже поддерживают HT. Только в этом случае вместо 2 реальны ядер есть уже 4 блока обработки кода. Они, в свою очередь, уже могут работать в 8 потоков.

Hyper-Threading - что этоза технология и каково ее основное назначение? Это логическая многозадачность, которая позволяет путем минимальных корректировок аппаратного обеспечения увеличить производительность компьютерной системы в целом.

В каких случаях эту технологию наиболее оптимально использовать?

В некоторых случаях, как было отмечено ранее, НТ увеличивает быстродействие, с которым обрабатывает программный код процессор. Hyper-Threading может эффективно работать только с распаленным софтом. Типичными его примерами являются кодировщики видео и аудиоконтента, профессиональные графические пакеты и архиваторы. Также наличие такой технологии позволяет существенно улучшить быстродействие серверной системы. А вот при однопоточной реализации программного кода нивелируется наличие Hyper-Threading, то есть получается обычный процессор, который решает на одном ядре одну задачу.

Преимущества и недостатки

Есть определенные недостатки у технологии Intel Hyper-Threading. Первый из них - это возросшая стоимость ЦПУ. Но большее быстродействие и улучшенная компоновка кремниевого кристалла в любом случае увеличат цену ЦПУ. Также возросшая площадь полупроводниковой основы процессорного устройства приводит к повышению уровня потребляемой мощности и температуры. Разница в этом случае несущественная, и она не превышает 5 %, но она все-таки есть. Больше каких-либо существенных недостатков в этом случае нет.

Теперь о преимуществах. На быстродействие и производительность фирменная технология НТ от компании «Интел» не оказывает, то есть ниже определенного порога у такого компьютера опуститься не получится. Если же программное обеспечение прекрасно поддерживает распараллеленные вычисления, то будет наблюдаться определённый прирост быстродействия и, конечно же, производительности.

Как показывают тесты, в некоторых случаях прирост может достигать 20 %. Наиболее оптимизированным софтом в этом случае являются различные перекодировщики мультимедийного контента, архиваторы и графические пакеты. А вот с играми все уж не так и хорошо. Они, в свою очередь, способны работать в 4 потока, и, как результат, флагманские чипы не способны в этом случае опередить процессорные решения среднего уровня.

Современная альтернатива от AMD

Технология Hyper-Threadingне единственная в своем роде на сегодняшний день. У нее есть реальная альтернатива. Компания AMD с выпуском платформы АМ4 предложила ей достойного конкурента в лице SMT. На аппаратном уровне это идентичные решения. Только вот флагман от «Интел» может обработать 8 потоков, а ведущий чип AMD - 16. Уже одно это обстоятельство указывает на то, что более перспективным является второе решение.

Поэтому компания «Интел» вынуждена в срочном порядке корректировать свои планы по выпуску продукции и предлагать совершенно новые процессорные решения, которые смогут составить достойную конкуренцию новичкам от AMD. Только вот на сегодняшний день они еще не переставлены. Поэтому если нужна доступная компьютерная платформа, то лучше выбирать LGA1151 от «Интел». Если необходим задел по производительности, то предпочтительней будет уже АМ4 от AMD.