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超執行緒

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早期內含超執行緒技術的Pentium 4處理器之商標
後期內含超執行緒技術的Pentium 4處理器之商標

超執行緒HT, Hyper-Threading)[1]英特爾研發的一種技術,於2002年發布。超執行緒技術原先只應用於Xeon處理器中,當時稱為“Super-Threading”。之後陸續應用在Pentium 4中,將技術主流化。早期代號為Jackson。

通過此技術,英特爾實現在一個實體CPU中,提供兩個逻辑線程。之後的Pentium D縱使不支援超執行緒技術,但就集成了兩個實體核心,所以仍會見到兩個線程。超執行緒的未來發展,是提升處理器的逻辑線程。英特爾于2014年发布的Core i7-5960X便是將8核心的處理器,加上超執行緒技術,使之成為16個逻辑線程的產品。

英特爾表示,超執行緒技術讓(P4)處理器增加5%的裸晶面積,就可以換來15%~30%的效能提升。但實際上,在某些程式或未對多執行緒編譯的程式而言,超執行緒反而會降低效能。除此之外,超執行緒技術亦要作業系統的配合,普通支援多處理器技術的系統亦未必能充分發揮該技術。例如Windows 2000,英特爾並不鼓勵使用者在此系統中利用超執行緒。原先不支援多核心的Windows XP Home Edition卻支援超執行緒技術。

運作方式[编辑]

每個單位時間內,一個單執行管線的CPU只能處理一個執行緒作業系統:thread),以這樣的單位進行,如果想要在一單位時間內處理超過一個執行緒是不可能的,除非是有兩個CPU的實體單元。雙核心技術是將兩個一樣的CPU放置於一個封裝內(或直接將兩個CPU做成一個晶片),而英特爾的HT技術是在CPU內部僅複製必要的資源、讓兩個執行緒可同時執行;在一單位時間內處理兩個執行緒的工作,模擬實體雙核心、雙執行緒運作。

Intel自Pentium開始引入超純量亂序執行、大量的暫存器寄存器重命名、多指令解碼器預測執行等特性;這些特性的原理是讓CPU擁有大量資源,並可以預先執行及平行執行指令,以增加指令執行效率,可是在現實中這些資源經常閒置;為了有效利用這些資源,就乾脆再增加一些資源來執行第二個執行緒,讓這些閒置資源可執行另一個執行緒,而且CPU只要增加少數資源就可以模擬成兩個執行緒運作。

使用HT技術的CPU[编辑]

編號SL6WK支援HT的P4 3.0G
虛擬的2個CPU在工作管理員中顯示出都在運轉

Pentium 4 CPU中,Northwood及其之後推出的版本內建超執行緒技術;但在早期的Northwood核心中,一些型號的HT技術被關閉,縱使有軟體偵測到超執行緒技術的存在,使用者並不可以啟用;而雙核心的Pentium D中也只有EE版提供HT技術。英特爾的Core 2 Duo處理器則沒有HT技術。但處理器已集成了兩個實體CPU核心,所以仍然支援兩個執行緒。[2]

而在2008年推出的Intel Core i7Intel Atom處理器又支援類似HT的技術,在 Nehalem 中,Hyper-Threading 大舉捲土重來。在 Intel NetBurst 架構的 Northwood 版本中開始導入的 Hyper-Threading-在 Intel 世界之外稱為 Simultaneous Multi-Threading (SMT)-是善用執行緒平行性的方法,讓單一核心在應用軟體層能執行兩個邏輯線程

顧慮[编辑]

把執行管線的狀態,想像成流水線,資源A→資源B→資源C,來了兩條資料要計算, 一條需要消耗A的100%→B的50%→C的50%,另一條一樣需要消耗A的100%→B的50%→C的50%, 一條單純的(無HT)的執行管線的資源A需要先運用100%效能把第一條運算完才能再運算下一條,但後面的資源B跟C卻都有50%效能的浪費; 如果把執行管線的資源A,變成兩個,資源B跟C依然只有一個, 那這條管線就可以變成「兩個資源A同時消耗100%效能運算兩條資料,到了資源B跟C階段時,兩條資料再各自消耗50%的效能」, 即達成「不必增加一條完整的執行管線,卻能在一樣時間運算兩條執行緒」

但實際應用時,執行管線不會都是收到這麼完美的需運算資料, 可能會是需消耗「A的10%→B的70%→C的70%」+「A的30%→B的50%→C的70」+......等多種不同效能需求的需運算資料, 依照文件的統計數字,整體能夠提升的效能約為5~15%左右,且萬一發生資源互搶的情形時,整體效能反而會下降。 (以上是非常簡略地描述大略情形,實際的超執行緒架構從P4時代至i系列6代,每一代都有所進化)

要令電腦支持超執行緒技術,通常需作業系統和硬體的配合。晶片組需要支援具有HT技術之處理器。為此,當時的Intel推出了新的晶片組,i865PE和i875P。要充分發揮超執行緒的效能,使用者要使用Windows 2000之後的作業系統,而Windows XP家用版亦支援超執行緒技術。除了微軟的Windows外,Linux kernel 2.4.x亦開始支援該技術。軟體方面,通常優化多執行緒的程式都可以支援到。早期,遊戲軟體的支援是比較少。但隨著多核心技術的普及,愈來愈多遊戲軟體支援多執行緒的處理器。[3]

另見[编辑]

註腳[编辑]

外部連結[编辑]