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超线程

2018-09-03 09:37:20     所属分类:并发计算
Hyper-threaded CPU.png

超线程HT, Hyper-Threading)[1]是英特尔研发的一种技术,于2002年发布。超线程技术原先只应用于Xeon 处理器中,当时称为“Super-Threading”。之后陆续应用在Pentium 4 HT中。早期代号为Jackson。

通过此技术,英特尔实现在一个实体CPU中,提供两个逻辑线程。之后的Pentium D纵使不支持超线程技术,但就集成了两个实体核心,所以仍会见到两个线程。超线程的未来发展,是提升处理器的逻辑线程。英特尔于2016年发布的Core i7-6950X便是将10核心的处理器,加上超线程技术,使之成为20个逻辑线程的产品。

英特尔表示,超线程技术让Pentium 4 HT处理器增加5%的裸晶面积,就可以换来15%~30%的性能提升。但实际上,在某些程序或未对多线程编译的程序而言,超线程反而会降低性能。除此之外,超线程技术亦要操作系统的配合,普通支持多处理器技术的系统亦未必能充分发挥该技术。例如Windows 2000,英特尔并不鼓励用户在此系统中利用超线程。原先不支持多核心的Windows XP Home Edition却支持超线程技术。

目录

  • 1 运作方式
  • 2 使用HT技术的CPU
  • 3 顾虑
  • 4 示例:获取物理内核数与逻辑内核数
  • 5 另见
  • 6 脚注
  • 7 外部链接

运作方式

每个单位时间内,一个单运行管线的CPU只能处理一个线程(操作系统:thread),以这样的单位进行,如果想要在一单位时间内处理超过一个线程是不可能的,除非是有两个CPU的实体单元。双核心技术是将两个一样的CPU放置于一个封装内(或直接将两个CPU做成一个芯片),而英特尔的HT技术是在CPU内部仅复制必要的资源、让两个线程可同时运行;在一单位时间内处理两个线程的工作,模拟实体双核心、双线程运作。

Intel自Pentium开始引入超标量、乱序运行、大量的寄存器及寄存器重命名、多指令解码器、预测运行等特性;这些特性的原理是让CPU拥有大量资源,并可以预先运行及平行运行指令,以增加指令运行效率,可是在现实中这些资源经常闲置;为了有效利用这些资源,就干脆再增加一些资源来运行第二个线程,让这些闲置资源可执行另一个线程,而且CPU只要增加少数资源就可以模拟成两个线程运作。

P4处理器需多加一个Logical CPU Pointer(逻辑处理单元)。因此P4 HT的die的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU(整数运算单元)、FPU(浮点运算单元)、L2 Cache(二级快取)并未增加,且是共享的。

使用HT技术的CPU

编号SL6WK支持HT的P4 3.0G
虚拟的2个CPU在任务管理器中显示出都在运转

Pentium 4 CPU中,Northwood及其之后推出的版本内置超线程技术;但在早期的Northwood核心中,一些型号的HT技术被关闭,纵使有软件侦测到超线程技术的存在,用户并不可以激活;而双核心的Pentium D中也只有EE版提供HT技术。英特尔的Core 2 Duo处理器则没有HT技术。但处理器已集成了两个实体CPU核心,所以仍然支持两个线程。[2]

而在2008年推出的Intel Core i7及Intel Atom处理器又支持类似HT的技术,在 Nehalem 中,Hyper-Threading 大举卷土重来。在 Intel NetBurst 架构的 Northwood 版本中开始导入的 Hyper-Threading-在 Intel 世界之外称为 Simultaneous Multi-Threading (SMT)-是善用线程平行性的方法,让单一核心在应用软件层能运行两个逻辑线程。Intel Core i3(第八代除外)和Intel Core i7支持该技术,双核心的Intel Core i5也支持该技术。从Kaby Lake Pentium开始,目前定位低级的Pentium(部分型号)也支持超线程技术。

顾虑

把运行管线的状态,想像成流水线,资源A→资源B→资源C,来了两条数据要计算, 一条需要消耗A的100%→B的50%→C的50%,另一条一样需要消耗A的100%→B的50%→C的50%, 一条单纯的(无HT)的运行管线的资源A需要先运用100%性能把第一条运算完才能再运算下一条,但后面的资源B跟C却都有50%性能的浪费; 如果把运行管线的资源A,变成两个,资源B跟C依然只有一个, 那这条管线就可以变成“两个资源A同时消耗100%性能运算两条数据,到了资源B跟C阶段时,两条数据再各自消耗50%的性能”, 即达成“不必增加一条完整的运行管线,却能在一样时间运算两条线程”

但实际应用时,运行管线不会都是收到这么完美的需运算数据, 可能会是需消耗“A的10%→B的70%→C的70%”+“A的30%→B的50%→C的70”+......等多种不同性能需求的需运算数据, 依照文件的统计数字,整体能够提升的性能约为5~15%左右,且万一发生资源互抢的情形时,整体性能反而会下降。 (以上是非常简略地描述大略情形,实际的超线程架构从P4时代至i系列6代,每一代都有所进化)

要令计算机支持超线程技术,通常需操作系统和硬件的配合。芯片组需要支持具有HT技术之处理器。为此,当时的Intel推出了新的芯片组,i865PE和i875P。要充分发挥超线程的性能,用户要使用Windows 2000之后的操作系统,而Windows XP家用版亦支持超线程技术。除了微软的Windows外,Linux kernel 2.4.x亦开始支持该技术。软件方面,通常优化多线程的程序都可以支持到。早期,游戏软件的支持是比较少。但随着多核心技术的普及,愈来愈多游戏软件支持多线程的处理器。[3]

示例:获取物理内核数与逻辑内核数

Windows API的GetLogicalProcessorInformation可获取当前计算机的物理内核数与逻辑内核数:

DWORD GetProcessorCoreCount(DWORD &PhysicalProcessorCoreCount,DWORD &LogicalProcessorCoreCount )
{
	typedef BOOL(WINAPI *LPFN_GLPI)(
		PSYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION,
		PDWORD);

	LPFN_GLPI glpi = (LPFN_GLPI)GetProcAddress(GetModuleHandle(TEXT("kernel32")), "GetLogicalProcessorInformation");

	if (NULL == glpi)
		return 0;

	PSYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION buffer = NULL;
	DWORD returnLength = 0;
	 PhysicalProcessorCoreCount = 0;
	 LogicalProcessorCoreCount = 0;
	while (true)
	{
		DWORD rc = glpi(buffer, &returnLength);

		if (FALSE == rc)
		{
			if (GetLastError() == ERROR_INSUFFICIENT_BUFFER)
			{
				if (buffer)
					free(buffer);

				buffer = (PSYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION)malloc(
					returnLength);

				if (NULL == buffer)
					return 0;
			}
			else
			{
				return 0;
			}
		}
		else
		{
			break;
		}
	}

	PSYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION ptr = buffer;

	DWORD byteOffset = 0;
	while (byteOffset + sizeof(SYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION) <= returnLength)
	{
		switch (ptr->Relationship)
		{
		case RelationProcessorCore:
		{
			++PhysicalProcessorCoreCount;

			// count the logical processor, which is equal the count of digital 1's of ptr->ProcessorMask
			ULONG_PTR   ProcessorMask = ptr->ProcessorMask;
			while (ProcessorMask != 0)
			{
				ProcessorMask &= ProcessorMask - 1;
				LogicalProcessorCoreCount++;
			}
			break;
		}
		default:
			break;
		}
		byteOffset += sizeof(SYSTEM_LOGICAL_PROCESSOR_INFORMATION);
		++ptr;
	}
	free(buffer);
	return -1;
}

上述程序在32位编程时最多能枚举32个逻辑内核,在64位编程时最多枚举64个逻辑内核。如果超过64,应该使用processor group.

另见

  • 多线程
  • 对称多处理机
  • Pentium D 处理器列表
  • Intel Pentium 4处理器列表

脚注

  1. ^ 超线程 (HT) 技术 互联网档案馆的存档,存档日期2011-03-17.
  2. ^ 含超线程(HT) 技术的Intel® Pentium® 4 处理器极致版 互联网档案馆的存档,存档日期2011-10-27.
  3. ^ 笔记本电脑 - 我可以升级我的系统并使用 Intel® HT 技术吗?

外部链接

  • (英文) Intel® Hyper-Threading Technology (Intel® HT Technology)
  • (繁体中文) Hyper-Threading 卷土重来
  • (简体中文) CPU : 超线程技术HT
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