Hyperthread control что это

Обновлено: 14.10.2024

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.

Уже в третьем квартале 2018 года, вероятнее всего в сентябре, компания Intel должна представить процессоры Core i9-9900K , Core i7-9700K , Core i5-9600K и Core i5-9400 . Напомним, что первые два будут восьмиядерными моделями, тогда как два других — шестиядерными. Из них всех поддержку многопоточности (Hyper-Threading) получит только старший Core i9-9900K. В будущем, Intel может и вовсе отказаться от многопоточности. Давайте разберемся что это такое.

Техническое описание технологии

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.

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

Рис.3 Чтение шестнадцатью потоками. Количество используемых логических процессоров равно четырем

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

Повышенная производительность для многих бизнес-приложений

Технология Intel® Hyper-Threading реализована в новейших процессорах Intel® Core™ vPro™, семействе процессоров Intel® Core™, семействе процессоров Intel® Core™ M и семействе процессоров Intel® Xeon®. При использовании одного из этих процессоров Intel® вместе с набором микросхем, а также операционной системы и BIOS с поддержкой технологии Intel® Hyper-Threading можно получить следующие преимущества.

Параллельная работа с несколькими ресурсоемкими приложениями при сохранении прежнего уровня быстродействия
Защита системы, сохранение эффективности и управляемости с минимальным влиянием на производительность
Возможность будущего развития предприятия и внедрения новых решений.

Превосходная графика без компромиссов

Технология Intel® Hyper-Threading позволяет энтузиастам мультимедийных технологий создавать, редактировать и кодировать файлы с большим объемом графических данных при параллельной работе нескольких фоновых приложений, таких как антивирусные программы, без ущерба для производительности системы.

Чем больше задач, тем выше эффективность работы

Процессоры с одновременной поддержкой технологий Intel® Hyper-Threading и Intel® Turbo Boost (или Intel® Turbo Boost 2.0, реализованной в новейших процессорах Intel® Core™ i5 и более производительных процессорах), обеспечивают более высокую производительность и увеличивают скорость выполнения задач. Такое сочетание технологий позволяет одновременно обрабатывать несколько потоков, динамически адаптироваться к нагрузке и автоматически отключать неактивные ядра. Это повышает тактовую частоту процессора в задействованных ядрах, обеспечивая еще большую производительность для многопоточных приложений.

Благодаря технологии Intel® Hyper-Threading предприятия получают следующие возможности:

Повышение эффективности за счет одновременного решения нескольких задач, устранение задержек
Уменьшение времени отклика интернет- и бизнес-приложений, повышение удобства работы пользователей
Увеличение количества одновременно обрабатываемых транзакций
Использование существующих технологий 32-разрядных приложений и готовность к будущему использованию 64-разрядных приложений

Оценка готовности системы

Технология Intel® Hyper-Threading используется в различных ноутбуках, настольных ПК, серверах и рабочих станциях. Выбирайте системы с логотипом технологии Intel® Hyper-Threading, который подтверждает, что производитель вашей системы использовал технологию Intel® Hyper-Threading.

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

Рис.4 Чтение шестнадцатью потоками. Количество используемых логических процессоров равно восьми

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

Технология Hyper-Threading: настройки и требования BIOS для настольных ПК и серверных плат Intel®

Технология Intel® Hyper-Threading (Intel® HT) обеспечивает два вычислительных потока для каждого физического ядра. Приложения с большим количеством потоков могут выполнять больше работы параллельно, выполняя задачи быстрее.

Отображение физических и логических процессоров на экране публикации

Физический подразумевается, когда количество процессоров указано на экране BIOS POST. Количество процессоров должно указывать на количество логических процессоров только в том случае, если оно указано явным образом. В системе BIOS должно распознаться два логических процессора, но только один физический процессор. Intel® настольные ПК/серверные платы, поддерживающие технологию Hyper-Threading, будут отображать только один физический процессор во время тестирования системы.

Опции настройки BIOS для процессоров с технологией Hyper-Threading

Для настройки Intel® настольные ПК/серверные платы — главное меню программы BIOS Setup.

Находится в том же окне меню, которое имеет тип процессора, тактовую частоту процессора, тактовую частоту системной шины и другие связанные с ними поля процессора.
Текст варианта установки
- Это поле называется технологией Hyper-Threading.
- Значения параметров установки включены и отключены.
Опции настройки BIOS для системных плат Intel® для настольных ПК

Опыт №1. Один поток

Рис.2 Чтение одним потоком

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

Еще раз о Hyper-Threading

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

Исследуемая платформа

Объект экспериментов – ноутбук ASUS N750JK c процессором Intel Core i7-4700HQ. Тактовая частота 2.4GHz, повышаемая в режиме Intel Turbo Boost до 3.4GHz. Установлено 16 гигабайт оперативной памяти DDR3-1600 (PC3-12800), работающей в двухканальном режиме. Операционная система – Microsoft Windows 8.1 64 бита.

Рис.1 Конфигурация исследуемой платформы.

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

Исследуемая операция

Исследовать будем зависимость скорости чтения блока данных от его размера. Для этого выберем наиболее производительный метод, а именно чтение 256-битных операндов посредством AVX-инструкции VMOVAPD. На графиках по оси X отложен размер блока, по оси Y – скорость чтения. В окрестности точки X, соответствующей размеру кэш-памяти первого уровня, ожидаем увидеть точку перегиба, поскольку производительность должна упасть после того, как обрабатываемый блок выйдет за пределы кэш-памяти. В нашем тесте, в случае многопоточной обработки, каждый из 16 инициируемых потоков, работает с отдельным диапазоном адресов. Для управления технологией Hyper-Threading в рамках приложения, в каждом из потоков используется API-функция SetThreadAffinityMask, задающая маску, в которой каждому логическому процессору соответствует один бит. Единичное значение бита разрешает использовать заданный процессор заданным потоком, нулевое значение – запрещает. Для 8 логических процессоров исследуемой платформы, маска 11111111b разрешает использовать все процессоры (Hyper-Threading включен), маска 01010101b разрешает использовать по одному логическому процессору в каждом ядре (Hyper-Threading выключен).

На графиках используются следующие сокращения:

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

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

TSC (Time Stamp Counter) – счетчик процессорных тактов.

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

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

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.

К тому же, недавно исследователи выявили новую уязвимость процессоров Intel на базе Hyper-Threading - TLBleed. Исследователи говорят, что им удалось использовать TLBleed для извлечения ключей шифрования из другой запущенной программы в 99,8 % тестов на процессоре Intel Skylake Core i7-6700K. Тесты с использованием других типов процессоров Intel тоже имели высокие показатели результативности атак.

Читайте также: