Чем отличаются процессорные ядра, логические процессоры и потоки
При поиске процессора нужно учитывать многое. Ядра, потоки, тактовые частоты, кэш-память, потенциал разгона, рабочие температуры, TDP, IPC… список можно продолжать и продолжать.
Вполне естественно, что все эти спецификации могут сбивать с толку, когда речь заходит об их назначении.
В этой статье мы рассмотрим один из наиболее важных аспектов, связанных с производительностью процессора: его физические ядра, потоки и результирующие логические процессоры.
Что делает каждый из этих компонентов уникальным? Для чего они используются? Сколько вам нужно для ваших рабочих нагрузок?
И самое главное: работают ли потоки или логические процессоры так же, как ядра?
Что ж, прежде чем мы начнём, давайте подробнее рассмотрим, что они означают:
Что такое ядра центрального процессора
Ядро ЦП – это, собственно, и есть физическая форма процессора.
Хотя раньше процессоры работали только с одним ядром, современные процессоры преимущественно многоядерные. Это означает, что они имеют, по крайней мере, два или более ядра, установленных на кристалле интегральной схемы (или нескольких чипсетах), и поэтому могут обрабатывать две или более задач одновременно.
Обратите внимание, что каждое ядро может одновременно выполнять только одну задачу.
Если ядер ЦП недостаточно для количества обрабатываемых задач, происходит снижение производительности.
Это называется накладными расходами на переключение контекста. Чтобы ядро могло обрабатывать разные задачи, одну задачу нужно удалить, а следующую загрузить. Говоря иначе, Context Switch Overhead – это когда ЦП тратит много времени на переключение между задачами, а не на их обработку.
Это станет важным, когда мы посмотрим на потоки чуть ниже.
Что такое тактовая частота ядра?
Тактовая частота ядра является мерой его скорости обработки задач, которая не обязательно является мерой его общей производительности.
Если быть более точным, термин «тактовая частота» относится к количеству циклов вычислений, которые ядро выполняет в секунду. Этот показатель в настоящее время измеряется в гигагерцах: миллиарды циклов в секунду.
Причина, по которой тактовые частоты не являются единственным определяющим фактором производительности ЦП, заключается в том, что внутренняя архитектура – синергия между несколькими ядрами – и размер внутренних кэшей имеют первостепенное значение для обеспечения его общей производительности.
Один ЦП может обрабатывать больше за цикл, чем другой ЦП, просто из-за своей архитектуры.
Что такое базовая и повышенная тактовая частота?
Базовая тактовая частота ЦП – это минимальная частота, с которой ЦП будет работать в режиме ожидания или при обработке низкоуровневых рабочих нагрузок.
Напротив, тактовая частота Boost – это показатель того, насколько производительность ЦП может быть повышена при выполнении более ресурсоемких задач и процессов.
Тактовые частоты Boost применяются автоматически и ограничиваются результирующим теплом, которое может выдержать ЦП, прежде чем он достигнет небезопасного уровня операций (среди прочих факторов).
Ядра могут быть разогнаны с доступным запасом температуры и мощности. Когда это происходит, функция повышения тактовой частоты автоматически отключается или дросселируется.
Эта статья подробно рассматривает эту тему, если вы хотите узнать больше.
Лучше иметь больше ядер или меньше, более мощных ядер?
Ответ на этот вопрос зависит исключительно от типа рабочих нагрузок, с которыми будет работать ваш компьютер.
Если вы один из наших постоянных читателей, вы, скорее всего, знакомы с терминами «активные» и «пассивные» рабочие нагрузки.
Активные рабочие нагрузки относятся к любому процессу, который требует, чтобы пользователь вручную манипулировал данными или корректировал их в режиме реального времени для выполнения задачи.
Типичные примеры активных рабочих нагрузок включают взаимодействие с областью просмотра приложения в режиме реального времени в моушн-дизайне, 3D-моделировании, редактировании видео или играх.
С другой стороны, пассивные рабочие нагрузки – это задачи, которые обычно легко распараллеливаются и которые можно оставить без присмотра. В основном это относится к задачам рендеринга, таким как рендеринг CPU или GPU, рендеринг 3D, рендеринг видео.
Активные рабочие нагрузки
Активные рабочие нагрузки в большей степени зависят от высокой одноядерной производительности и повышенных тактовых частот. Следовательно, такие рабочие нагрузки потребуют меньшего количества, но более мощных ядер для более плавной работы в целом.
Пассивные рабочие нагрузки
Пассивные рабочие нагрузки выигрывают от большого количества ядер и более высоких базовых тактовых частот. Этим процессам потребуются процессоры с большим количеством ядер, такие как серия AMD Threadripper .
Что такое потоки процессора
Ещё одним аспектом, от которого выигрывают пассивные рабочие нагрузки, является большое количество потоков и возможности гиперпоточности.
Но, что это за «потоки»?
Поток в процессоре – это набор данных, который отправляется из приложения в ЦП для обработки.
Потоки не являются физическими компонентами ЦП, а скорее индикатором количества процессов, которые могут обрабатываться ядрами.
Помните про накладные расходы на переключение контекста, о которых мы говорили ранее в разделе «Ядра»?
Поскольку большая часть производительности ядра тратится на переключение между задачами, многопоточность создаёт несколько виртуальных ядер из каждого физического ядра (обычно два потока на ядро).
Это позволяет оптимизировать постановку задач в очередь и гораздо эффективнее использовать реальное ядро.
Возможность обработки нескольких потоков позволяет вашему процессору беспрепятственно переключаться между рабочими нагрузками и задачами.
Что такое гиперпоточность?
Гиперпоточность в процессорах Intel и SMT (одновременная многопоточность) в процессорах AMD – это названия процесса разделения физических ядер на виртуальные, что позволяет одному ядру более эффективно обрабатывать несколько потоков.
По сути, это способ планирования потоков, которые будут выполняться ядром без простоев. Это достигается путём подготовки потока к обработке во время выполнения другого потока.
На самом деле, Hyperthreading и SMT – это не одновременная обработка двух потоков одним физическим ядром, а эффективный способ подготовки двух потоков к оптимизированной обработке – по одному за раз.
Все ли процессоры поддерживают Hyperthreading или SMT?
Большинство процессоров имеют поддержку Hyperthreading или SMT и способны запускать два потока на ядро.
Однако есть некоторые процессоры, такие как процессоры Intel Celeron или AMD Ryzen 3 более низкого уровня, которые не поддерживают Hyperthreading или SMT и, следовательно, будут иметь только один поток, работающий на ядро.
Intel специально отключает поддержку Hyperthreading на некоторых процессорах более высокого уровня, в основном по причинам сегментации рынка, поэтому обязательно ознакомьтесь с описанием продукта для ядер и потоков, прежде чем покупать процессоры ещё более высокого уровня.
Являются ли потоки такими же быстрыми, как ядра?
Потоки не так быстры, как ядра.
Hyperthreading или SMT позволяет планировать задачи более эффективно, то есть они могут использовать части ядра, которые в настоящее время не обрабатывают задачу активно.
В лучшем случае потоки обеспечивают примерно на 50% большую производительность по сравнению с физическим ядром.
Вам нужен ЦП с поддержкой Hyperthreading или SMT?
Это зависит от вашей загруженности.
Поскольку задача всегда предпочтёт выполняться на свободном ядре, а не на свободном потоке (поскольку ядра быстрее, чем потоки), в зависимости от ваших типичных рабочих нагрузок вы можете вообще не использовать потоки ЦП.
Если вы выполняете активные рабочие нагрузки, такие как 3D-моделирование или игры, в течение обычного дня, скорее всего, вы не будете использовать все свои ядра, поскольку такие рабочие нагрузки не могут быть легко распараллелены и обычно выполняются только на одном или двух ядрах.
Тем не менее, для рабочих нагрузок, таких как рендеринг на ЦП, которые используют 100% ваших ядер, и легко используют все доступные потоки, наличие ЦП с поддержкой Hyperthreading или SMT может существенно повлиять на производительность.
Что такое логические процессоры
Теперь, когда мы рассмотрели, что такое ядра и потоки, определение логических процессоров стало гораздо более простой задачей.
Логические процессоры – это виртуализированные процессоры, к которым система может обращаться и получать к ним доступ. Логические процессоры – это просто мера того, сколько ядер операционная система видит и может адресовать.
Таким образом, это произведение (умножение) количества физических ядер на количество потоков, которые может обрабатывать каждое ядро.
Допустим, у вас есть 8-ядерный 8-поточный процессор. Количество логических процессоров у вас будет 8. Это значение является произведением количества физических ядер (8) и количества потоков, которые они могут обрабатывать (1).
Но что, если ваш процессор поддерживает гиперпоточность?
Что ж, тогда каждое ядро может обрабатывать два потока, поэтому 8-ядерный процессор будет иметь 8×2 = 16 логических процессоров.
Как узнать, сколько логических процессоров у вашего процессора?
Если вы хотите узнать, сколько логических процессоров имеет ваш ЦП, просто откройте диспетчер задач в ОС Windows (нажмите одновременно клавиши Ctrl + Shift + Esc ) и откройте вкладку Производительность, затем выделите вкладку ЦП и посмотрите на нижнюю правую часть окна.
Прямо под количеством ядер ЦП будет количество логических процессоров.
Логические процессоры против физических ядер
Что ценнее? Логические процессоры или физические ядра?
Это простой ответ: физические ядра.
Помните, что при многопоточности вы не обрабатываете два потока одновременно, вы просто планируете потоки так, чтобы одно физическое ядро могло обрабатывать их максимально эффективно.
Логические процессоры (или потоки) в лучшем случае обеспечат повышение производительности на 50% в рабочих нагрузках, которые хорошо распараллелены, таких как рендеринг ЦП.
Физические ядра продемонстрируют 100% прирост производительности в таких рабочих нагрузках.
В однопоточных рабочих нагрузках вы, скорее всего, вообще не увидите увеличения производительности при переключении с ЦП без поддержки потоков на ЦП с поддержкой потоков (при прочих равных условиях).
Выводы
Логические процессоры – это количество потоков ЦП, которые операционная система видит и может адресовать.
Поскольку ваш ПК всегда будет сначала планировать задачи на физических ядрах, прежде чем переходить к использованию потоков, наличие ЦП с Hyperthreading или SMT принесёт вам наибольшую пользу, если вы сможете использовать все ядра ЦП в рабочих нагрузках, таких как рендеринг на ЦП.
Вот упрощение: ваше ядро ЦП – это рот, а две руки – это потоки ядра. Задача, которая должна быть обработана: еда.
Если вы берёте еду в одну руку и кладете её в рот, затем пережевываете и глотаете, и только после того, как вы закончите это делать, вы протягиваете руку, чтобы взять ещё немного еды, рот «праздно ожидает», когда поступит ещё порция.
Это пустая трата времени обработки.
Двумя руками (двумя потоками) вторая рука уже может класть еду в рот для обработки, а первая рука искать следующую порцию.
Что значит физическое и логическое ядро процессора?
Физическое ядро — физически установленные процессоры (существуют материнские платы, поддерживающие два и более физических процессора, тоесть конкретно установленно две микросхемы с двумя отдельными радиаторами)
Логическое ядро -колличество процессоров установленных в одном физическом процессоре (точно та же ситуация, что и с микросхемами, но с одним отличием. . имеется в виду колличество процессоров в одном корпусе с одним радиатором.. )
как правило подразумевается колличество ядер.. ведь ядро это отдельный процессор, а не часть в составе одного процессора. .
не следует путать технологию НТ, ядро это физически разделённый процессор, но находящийся на одном кристалле (подложке) в одном корпусе с другими ядрами и элементами (такими как кэш). . у каждого ядра может быть два разделённых потока обработки данных (в данном случаи технология НТ). . ядер в одном корпусе может быть сколько угодно, не обязательно чётное колличество, увеличение ядер увеличивает не только производительность системы, но и ускоряет процесс обработки данных, так же уменшает стоимость всего компьютера.. (лишь бы программисты успевали клепать программы для такого колличества процессоров)
в те времена когда производство процессоров было сложным и ёмким, а производительности требовались большие, создавали материнские платы с несколькими процессорами, это сопрягалась с определёнными трудностями, во первых необходимо было ставить обсолютно одиннаковые процессоры (по всем параметрам, даже по модельному имени). . во вторых за несколько процессоров приходилось и платить в несколько раз больше, в третьих появлялась проблемма с оперативной памятью (необходимо было ставить парную высокоскоростную, а значит и очень дорогую, память)
затем следовали проблеммы с высоким потреблением и хорошим охлаждением, а значит и вес и шум кулеров. .
так же существовала проблемма с програмным обеспечением, поэтому в основном разрабатывалось ПО для найболее необходимых системм -серверов. .
затем научились делать двухпотоковые технологии НТ, а затем стали загонять два процессора в один корпус, что сразу получило широкое применение и в домашних системах, теперь программистам ПО приходится разрабатывать программы умеющие работать с несколькими процессорами. .
Логические процессоры что это?
Всем привет. Поговорим мы сегодня о таком как логические процессоры, узнаем что к чему. Значит логические процессоры это никакие не процессоры, и даже не ядра, это только потоки процессора. То есть еще раз — логические процессоры это не процессоры, не ядра, а только потоки. Одно ядро может иметь два потока, и вот в Windows эти потоки почему-то назвали логическими процессорами
Ну а теперь немного об этом всем поподробнее. Значит как я уже написал, одно ядро может иметь два потока. Если вообще эти потоки есть в процессоре, а их может не быть. Вот например взять процессоры Intel, раньше было как? Core i3 имел 2 ядра и 4 потока, i5 имел просто 4 ядра, а i7 имел 4 ядра и 8 потоков. Но это было раньше, теперь уже все смешалось, теперь у i3 идет 4 ядра, у i5 идет 6 ядер, а у i7 тоже 6 ядер но и при этом есть еще потоки, в итоге 12 потоков.. но это все я имею ввиду поколение процессоров Coffee Lake, и вообще это уже совсем другая история ребята…
Если потоки процессором поддерживаются, то знайте что на 1 ядро идет 2 потока. То есть сколько бы не было ядер, потоков будет в два раза больше. Ну так было всегда и наверно будет. Если потоки процессор не поддерживает, то 1 ядро будет иметь 1 поток, то есть ничего сверхьестественного не будет.
А вот у AMD вроде как потоки появились только недавно.. пришли они с серией Ryzen, но это так.. как бэ.. просто раньше у AMD были процессоры серии FX, и там как бы не было потоков, но вот в сети много говорили, что на самом деле то что AMD раньше считала ядрами, то у Intel считалось потоками. Вообще если брать производительность на ядро, то AMD раньше сильно проигрывала, но вот с серией Ryzen все изменилось.. но это тоже совсем другая история уже…
Ну а теперь посмотрим картинки, вот диспетчер задач где эти потоки и отображаются (вкладка Производительность, раздел ЦП):
Тут же в разделе ЦП есть шкала, которая показывает загрузку проца, и тут можно выбрать или чтобы показывалась общая загрузка или по отдельности, то есть по потокам. Собственно на этой картинке все понятно без слов:
Чтобы выбрать как показывать, то нужно нажать правой кнопкой по графику ну и выбрать.
Чтобы узнать так бы сказать максимум инфы, то есть узнать и потоки и количество ядер.. хотя все это и написано в диспетчере, но вот чтобы вообще много чего узнать о своем проце, то советую прогу CPU-Z — она бесплатная и маленькая:
Как видите то там внизу указано и количество ядер (Core) и количество потоков (Threads).
Вообще у Intel за потоки отвечает технология Hyper-Threading. Эта технология была еще давно, ну в Pentium 4 например она была уже. Но теперь конечно технологию уже прилично допилили и с потоками процессор как бэ все таки мощнее, чем без. Просто гуляет в интернете мнение, что потоки не особо повышают производительность. Но мое мнение что повышают, конечно это не полноценные ядра, но все же. Вот кстати картинка по поводу этой технологии:
А вы знаете что есть такой процессор серверный Xeon E5-2683 v3 с частотой 2 ГГц.. ну да.. частота не оч высокая, но у него 14 ядер, 28 потоков! Вот это да, ну и дела! Но это еще не все, есть серверные платы и там можно ставить.. как раз два процессора, не логических, а настоящие два процессора! И вот как это добро выглядит в диспетчере задач Windows 10:
28 ядер и 56 потоков, ну просто бомба! Даже не смотря на невысокую частоту, я думаю что все равно этот процессор мощный, ну а два их.. то вообще.. тоже хотел бы комп с двумя такими процессорами.
Ребята, а тут я еще такое нашел.. это просто нереальное что-то.. Короче смотрите.. я даже не знаю как это написать. Я просто напишу а вы прочтите молча.. Значит смотрите — 1 терабайт оперативки, 8 физических процессоров.. 160 логических процессоров.. вы себе это можете представить? 160 логических процессоров, даже если это все потоки, то реально будет 80 ядер.. и каждое из низ по 2.4 ГГц.. да, частота небольшая, но 80 ядер и все это я увидел вот тут:
Да, разумеется это не простой комп, это серверный. Но все равно.. мощь просто нереальная.. Правда наверно и света такой комп кушает прилично. Думаю что не меньше киловата, а то может и все два.. а два киловата это ребята прилично.. ну как чайник, только тут комп работает постоянно…
Кстати то гнездо куда ставится процессор, то оно называется сокет. Ну это так, просто вам на заметку.
Ну и бонус.. у вас есть потоки? Или несколько ядер? Знаете как сделать так, чтобы прога работала только на одном ядре или одном потоке, ну или на нескольких.. в общем идете в диспетчер, нажимаете по процессу правой кнопкой, выбираете там пункт Задать сходство:
И тут галочками отмечаете те ядра, на которых будет работать процесс:
Но вот как понять где тут ядра, а где потоки.. не знаю.. Хотя если подумать логически — 1 ядро имеет 2 потока. И смотрите, если у вас в процессоре 4 ядра и 8 потоков, то.. в окошке Соответствие процессоров если будет 4 пункта — значит это только ядра. Если 8 — значит это только потоки, не ядра и потоки, а только потоки. Ну и исходя из этого вы уже выбираете — 1 поток будет слабее одного ядра, а 2 потока уже чуть производительнее. Надеюсь вы поняли что я тут хотел вам сказать.
На этом все ребята, удачи вам и пусть у вас все будет хорошо, берегите себя!
Процессоры, ядра и потоки. Топология систем
В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.
Используемая далее терминология используется в документации процессорам Intel. Другие архитектуры могут иметь другие названия для похожих понятий. Там, где они мне известны, я буду их упоминать.
Цель статьи — показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).
Процессор
Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин — это «процессор».
В современном мире процессор — это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.
Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.
Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает, что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.
Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память — RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.
К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS
Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.
Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах — как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент — схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер, во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.
Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.
В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.
Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.
Гиперпоток
До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология — гипертреды или гиперпотоки, — Intel® HyperThreading (далее HT).
Ничто не ново под луной. HT — это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния — регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня — это зависит от конкретной системы.
Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии. Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.
Ограничения потоков
В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это — частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение — здесь нужны «честные» ядра.
Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.
Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре — уникальная для IA-32 конфигурация.
Логический процессор
Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?
Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x, y, z), где x — это число процессоров, y — число ядер в каждом процессоре, а z — число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией — устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.
Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) — ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая — два ядра, а третья — всего лишь два потока.
Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?
Linux top показывает 4 логических процессора.
Это довольно удобно для создателей прикладных приложений — им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.
Программное определение топологии
Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.
Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи [2]:
Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к [2], в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».
APIC ID
Local APIC (advanced programmable interrupt controller) — это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) — для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .
В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше — только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX[31:0] возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.
Выяснение родственных связей
Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два — внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX[5:0] (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня — гиперпоток, ядро или процессор, — в ECX[15:8].
У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, — все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.
Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.
Отмечу, что CPUID.0xB — не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI [3, 4].
Операционные системы и топология
Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.
В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:
В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:
В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.
Также их предоставляет консольная утилита Sysinternals Coreinfo и API вызов GetLogicalProcessorInformation.
Полная картина
Проиллюстрирую ещё раз отношения между понятиями «процессор», «ядро», «гиперпоток» и «логический процессор» на нескольких примерах.
Система (2, 2, 2)
Система (2, 4, 1)
Система (4, 1, 1)
Прочие вопросы
В этот раздел я вынес некоторые курьёзы, возникающие из-за многоуровневой организации логических процессоров.
Как я уже упоминал, кэши в процессоре тоже образуют иерархию, и она довольно сильно связано с топологией ядер, однако не определяется ей однозначно. Для определения того, какие кэши для каких логических процессоров общие, а какие нет, используется вывод CPUID.4 и её подлистов.
Лицензирование
Некоторые программные продукты поставляются числом лицензий, определяемых количеством процессоров в системе, на которой они будут использоваться. Другие — числом ядер в системе. Наконец, для определения числа лицензий число процессоров может умножаться на дробный «core factor», зависящий от типа процессора!
Виртуализация
Системы виртуализации, способные моделировать многоядерные системы, могут назначить виртуальным процессорам внутри машины произвольную топологию, не совпадающую с конфигурацией реальной аппаратуры. Так, внутри хозяйской системы (1, 2, 2) некоторые известные системы виртуализации по умолчанию выносят все логические процессоры на верхний уровень, т.е. создают конфигурацию (4, 1, 1). В сочетании с особенностями лицензирования, зависящими от топологии, это может порождать забавные эффекты.