Что такое Hyper-Threading

В традиционном процессоре без Hyper-Threading каждое ядро может обрабатывать только один поток за раз. Однако в реальных условиях ядра процессоров часто простаивают, ожидая выполнения различных операций — например, доступа к памяти или вводу-выводу. Hyper-Threading позволяет использовать это время, запуская второй поток команд.

Ключевые термины

Для начала разберемся с базовыми понятиями: потоками, ядрами и многопоточностью.

Потоки и ядра

Ядро процессора — это основная рабочая единица CPU, которая выполняет инструкции программы. Современные процессоры содержат несколько ядер и могут работать с несколькими задачами одновременно. Например, двухъядерный процессор может параллельно обрабатывать два различных потока команд. 

Поток — это последовательность инструкций, которые CPU выполняет поочередно. Каждый поток — отдельная задача, которую процессор должен обработать.

Многопоточность

Аппаратная многопоточность — это технология, которая позволяет одному ядру процессора выполнять несколько потоков команд одновременно. Ядро может делить свои ресурсы между несколькими потоками. Благодаря этому процессор можно использовать более эффективно, а простаивание сводится к минимуму. 

Для ОС многопоточный процессор выглядит как несколько логических процессоров. Их количество соответствует числу потоков, которые он может обрабатывать одновременно. Hyper-Threading относится именно к аппаратному типу многопоточности.

Программная многопоточность — это управление несколькими потоками внутри одного процесса. Реализуется в коде программы, но поддерживается на уровне ОС. 

Как работает многопоточность процессора

Процессоры, поддерживающие многопоточность, могут обрабатывать одновременно два логических потока на одном физическом ядре. Такие процессоры обладают следующими свойствами.

• Хранение информации о потоках. Процессор способен хранить данные о нескольких работающих потоках одновременно.
• Выделение ресурсов для логических процессоров. Каждый логический процессор имеет свой собственный набор регистров и контроллер прерываний. Регистры — это быстрая память внутри процессора, а контроллеры прерываний обрабатывают запросы на прерывания от различных устройств.

Представьте, что процессору нужно выполнить две задачи. Если он содержит одно физическое ядро без многопоточности, то будет запускать задачи последовательно. С многопоточностью в тех же условиях можно обрабатывать две задачи параллельно, используя свободные блоки процессора.

Сравнение выполнения задач процессором с многопоточностью и без него изображено на рисунке ниже. Здесь строки — это блоки процессора (например, ALU, FPU), столбцы — временной интервал выполнения задачи, а желтые и оранжевые квадраты — две различные задачи.

При работе над одной задачей процессор редко  занят на 100%. Некоторые блоки могут простаивать из-за задержек в доступе к ресурсам или вовсе не быть нужными. Многопоточность использует их для выполнения второй задачи. Это позволяет одновременно обрабатывать два потока команд на одном ядре.

Преимущества Hyper-Threading

Эффективность использования Hyper-Threading зависит от параметров многопоточности самих приложений и задач, которые выполняются на процессоре. В общих чертах из преимуществ можно отметить рост производительности, более быстрый отклик на команды и экономию электроэнергии.

Рост производительности

Hyper-Threading увеличивает производительность процессора на 15-30%. Время простоя снижается благодаря эффективному распределению ресурсов CPU между потоками. Такая способность полезна при рендеринге видео, научных расчетах, работе с базами данных и серверными приложениями.

Сокращение времени отклика на команды

Hyper-Threading улучшает время отклика системы путем одновременной обработки нескольких потоков команд. Технология обеспечивает более быструю реакцию на запросы пользователя, повышая общую отзывчивость системы.

Экономия электроэнергии

Увеличение производительности при включении Hyper-Threading составляет в среднем до 30% в многопоточных задачах. При этом энергопотребление возрастает всего на 7-10%​.

Таким образом, несмотря на временное увеличение энергопотребления, Hyper-Threading приводит к общей экономии энергии. Это объясняется более быстрым завершением задач. Когда они выполнены, процессор переходит в режим пониженного энергопотребления.

Заблуждение: Hyper-Threading — это удвоение ядер

Hyper-Threading часто ошибочно принимают за технологию, которая удваивает количество физических ядер процессора. Это приводит к неверным ожиданиям относительно роста производительности. Hyper-Threading не увеличивает количество ядер вдвое, а задействует их свободные блоки для одновременной обработки разных задач. Это позволяет эффективнее использовать ресурсы процессора.

Чтобы узнать количество ядер и логических процессоров в ОС Windows, необходимо открыть диспетчер задач и перейти на вкладку «Производительность». В Linux-системах данную информацию можно получить, например, с помощью команды lscpu, в выводе которой CPU(s) показывает количество физических ядер, а Thread(s) per core — количество логических процессоров в одном ядре.

Что нужно для работы Hyper-Threading

Для работы технологии Hyper-Threading необходимы оборудование и ОС, которые поддерживают данную технологию. А также конфигурация BIOS и оптимизированные приложения.

Оборудование

Многопоточность реализована на процессорах Intel и AMD. У первого производителя она называется Hyper-Threading (HT), у второго — Simultaneous MultiThreading (SMT).

Настройки BIOS

Обычно эта опция находится в разделе настроек процессора и включена по умолчанию. При отключении Hyper-Threading в BIOS операционная система и приложения не смогут ее использовать.

Операционная система

Современные версии Windows, Linux и macOS совместимы с Hyper-Threading и способны оптимально распределять задачи между логическими ядрами. Если Hyper-Threading включен в BIOS, проверить его совместимость с можно, выполнив следующие действия.

Инструкция для Windows

1. Нажмите Ctrl + Shift + Esc, чтобы открыть диспетчер задач.
2. Перейдите на вкладку Производительность.
3. Выберите ЦП. Если логических процессоров больше, чем физических ядер, значит Hyper-Threading поддерживается и включен.

Инструкция для Linux

1. Откройте терминал.
2. Введите команду lscpu.
3. Найдите строку Thread(s) per core. Если значение больше 1, то Hyper-Threading поддерживается и включен.

Инструкция для macOS

1. Нажмите на логотип Apple в верхнем левом углу и выберите Об этом Mac.
2. Нажмите кнопку Отчет о системе.
3. В разделе Аппаратное обеспечение найдите информацию о процессоре. Если в описании указано больше потоков, чем ядер, Hyper-Threading поддерживается и включен.

Оптимизированные приложения

Чтобы использовать Hyper-Threading по полной, приложения должны быть оптимизированы. Так они смогут эффективно распределять рабочую нагрузку.

В каких задачах использовать Hyper-Threading

Видеомонтаж и рендеринг

При обработке видео и рендеринге 3D-графики используют сложные алгоритмы, которые требуют значительных вычислительных ресурсов. Программное обеспечение для видеомонтажа (Adobe Premiere Pro, Final Cut Pro) и 3D-рендеринга (Blender, Autodesk 3ds Max) эффективно распределяет задачи на несколько потоков, что позволяет быстрее обрабатывать кадры и эффекты.

Научные вычисления

Многопоточность особенно полезна в научных вычислениях, где обработка больших объемов данных и сложных математических моделей требуют значительных мощностей. Различное ПО, например MATLAB, Wolfram Mathematica и ANSYS, используют многопоточность для параллельного выполнения задач.

Серверные приложения, СУБД

Серверные приложения и системы управления базами данных, например Apache HTTP Server, Microsoft SQL Server и MySQL, используют многопоточность для одновременной обработки множества запросов. Тем самым — повышают общую производительность и скорость ответа сервера.

Игры и интерактивные приложения

Современные компьютерные игры и интерактивные приложения активно используют многопоточность. Она помогает одновременно обрабатывать физику, AI и другие данные.

С помощью Hyper-Threading процессор может обрабатывать больше операций за единицу времени. Это ведет к более  FPS. 

Обработка больших данных (Big Data)

В проектах анализа данных, машинном обучении и искусственном интеллекте Hyper-Threading позволяет эффективно обрабатывать огромные объемы информации. Например, Apache Hadoop и Apache Spark используют многопоточность для параллельной обработки данных, что ускоряет анализ и позволяет быстрее получать результаты.

Для чего Hyper-Threading не подходит

Однопоточные приложения

Однопоточные приложения разработаны для последовательного выполнения операций. Такие программы не могут использовать преимущества Hyper-Threading, так как не распределяют задачи между несколькими потоками. Процессор с поддержкой многопоточности не улучшит производительность таких приложений.

• Многие старые компьютерные игры, особенно выпущенные до 2000-х годов, были однопоточными. Например, Doom, Quake и StarCraft.
• Ранние версии офисных пакетов (Microsoft Word, Excel 97) были в основном однопоточными, так как разрабатывались для одноядерных процессоров.
• Ранние версии веб-браузеров (Internet Explorer 6, Netscape Navigator) в основном работали в однопоточном режиме, так как веб-страницы были менее сложными и особо не требовали вычислительных ресурсов.

Realtime-системы с жесткими временными ограничениями

Системы реального времени, которые требуют жесткого соблюдения временных ограничений, могут сталкиваться с проблемами при использовании Hyper-Threading. Технология может привести к непредсказуемым задержкам из-за конкурентности за блок процессора.

Например, системы мониторинга пациента или устройства, поддерживающие функции жизненно важных органов, должны обеспечивать точное и своевременное выполнение задач и работать в однопоточном режиме.

Программы с высокой зависимостью между операциями

Задачи, где операции сильно зависят друг от друга, не подходят для многопоточности. Также Hyper-Threading не подходит для задач, которые должны обрабатываться в строгой последовательности. Их параллельное выполнение может привести к состояниям гонки или частой синхронизации потоков.

Яркий пример —  компиляция программного обеспечения. Хоть она и может частично использовать многопоточность, некоторые этапы, например перевод в байт-код кода и оптимизация, требуют строгого порядка операций.

Заключение

Hyper-Threading в большинстве случаев дает значительный прирост к эффективности работы процессора. Однако в некоторых задачах эта технология может ухудшить производительность. Для работы с Hyper-Threading следует изучить возможности оборудования и ПО, а также оценить все плюсы и минусы технологии в различных сценариях использования.