Сегодня я решил осветить тему целесообразности покупки процессоров с Hyper-Threading (Гипер Трейдингом) для игр.

Первое, что следует отметить — однозначного ответа на поставленный вопрос быть не может. Для кого-то Hyper-Threading необходимость, а для кого-то будет ненужной тратой денег. Я разберу оба варианта и после прочтения статьи (я надеюсь) каждый самостоятельно сможет оценить, какой из этих случаев его и соответственно сделает ВЗВЕШЕННЫЕ выводы о целесообразности покупки процессора с Hyper-Threading-ом именно для себя.

Hyper-Threading подразумевает разделение обработки данных ядром процессора на 2 параллельных потока. Суть хорошо передана следующей цитатой:

Когда при исполнении потока одним из логических процессоров возникает пауза (в результате кэш-промаха , ошибки предсказания ветвлений , ожидания результата предыдущей инструкции), то управление передаётся потоку в другом логическом процессоре. Таким образом, пока один процесс ожидает, например, данные из памяти, вычислительные ресурсы физического процессора используются для обработки другого процесса.

Приложения, в которых Hyper-Threading НЕ нужен.

Hyper-Threading НЕ нужен, для :

• 90% компьютерных игр, как современных, так и тех, которые выйдут в течении ближайших лет;
• офисных приложений.

Обоснование ненужности Hyper-Threading-a.

Hyper-Threading имеет серьезный разброс прироста производительности от 0% (т.е. полной бесполезности) до 30% (что весьма ощутим) который зависит от следующих факторов:

1. Оптимизация отдельно взятого приложения под работу с 8 и более потоками.

Если приложение не оптимизировано под 8 потоков, то в нем Hyper-Threading не даст никаких преимуществ.

В отдельных случаях попытки «необученного» софта работать с 8 ядрами и вовсе выливаются в то, что 8-ми поточный процессор показывает худший результат чем его «младший брат» без Hyper-Threading-а.

2. Процент загрузки процессора

Чем выше процент загрузки процессора, тем ощутимее влияние Hyper-Threading-а. И наоборот — при низкой загрузке вы не заметите его влияния.

Исходя из этих данных можно сделать вывод, что Hyper-Threading НЕ нужен для :

• 90% компьютерных игр, современных и тех, которые выйдут в течении ближайших лет. Они не обеспечивают достаточной нагрузки на процессор;
• офисных приложений.

Где Hyper-Threading НУЖЕН?

• Бесспорна польза Hyper-Threading-а в 3Д Максе и в других проф. приложениях. В моих экспериментах эта технология уменьшала время рендеринга на 30%;
• Hyper-Threading так же полезен и для 10% ТОПОВЫХ современных компьютерных игр (таких как Crysis 3), а так же подобных игр, которые выйдут в будущем.

Дополнительные доводы в пользу Hyper-Threading-а для игр

Несмотря на то, что сегодня на PC существует действительно мало игр, оптимизированных на 8 потоков я все же считаю, что в покупке i7 с 8 потоками есть смысл, особенно с прицелом на будущее.

Во-первых игровые компьютеры в моем понимании должны ориентироваться не на большинство игр, а на лучшие игры. А по факту уже сегодня есть игры оптимизированные на 8 потоков и обеспечивающие 70+% загрузки ЦП.

Во-вторых можно ожидать только улучшения игр и как следствие увеличение их требовательности к ЦП. Особенно принимая во внимание тот факт, что на консолях УЖЕ 8 ядер и это следует воспринимать как «планку» игровых систем на ближайшие годы.

Отмечу, что в данном случае речь идет не о домыслах отдельного блогера, а о прогнозах двух команд лучших профессионалов, которые работают над такими платформами, как PS и XBox.

В-третьих процессор стареет в 2-3 раза медленнее видеокарты. Этот факт позволяет заменить видеокарту, скажем через год-другой и таким образом получить возможность наслаждаться новыми актуальными играми. Но это возможно только в том, случае, если процессор потянет одновременно и новую видеокарту и новую игру. В противном случае, он станет лимитирующим звеном и не позволит проявить весь потенциал видеокарты в какой-то конкретной, требовательной к процессору игре.

Принимая в расчет все три пункта, покупка процессора с Hyper-Threading-ом выглядит весьма разумным решением для игровых компьютеров.

В сети встречается информация о бесполезности Гиперт-Трейдинга в принципе.

От себя я решил провести мини-тест, рендер небольшой сцены с включенным и выключенным Гипер-Трейдингом.

Итак сначала Гипер трейдинг выключен. Время рендеринга 188 сек.

Включаем. Время рендеринга уменьшается до 151 сек.

Одним из важнейших элементов в позиционировании процессоров Intel внутри линеек, является технология Hyper-Threading . А точнее, ее отсутствие в процессоре, или наличие. За что же отвечает эта технология? Intel Hyper-Threading , это технология для эффективного использования ресурсов ядер процессора (CPU), позволяя одновременно обрабатывать несколько потоков на одно ядро.

Попробуем привести пример аналогичной системы из жизни. Представьте себе пограничный пост с контролем каждой машины, множеством таможенников и одной полосой на подъезд для автомобилей. Скапливается пробка, процесс тормозится сам по себе даже вне зависимости от скорости работы сотрудников. А учитывая, что полоса одна, то половина сотрудников просто скучает. И тут внезапно открывают еще одну полосу для автотранспорта и автомобили начинают подъезжать в два потока. Скорость работы увеличивается, свободные сотрудники начинают работать, а пробка из желающих пересечь границу становится значительно меньше. Как итог, не увеличивая размеров таможни и количества сотрудников, увеличилась пропускная способность и эффективность работы одного поста.

Даже самое мощное процессорное ядро должно получать информацию без задержек, чтобы оперативно обрабатывать ее. Как только на входе образуется «пробка» из данных, процессор начинает простаивать, ожидая, когда же до него дойдет та, или иная информация для обработки.

Чтобы избежать этого, в далеком 2002 году появилась технология Hyper-Threading , которая имитировала появление второго ядра в системе, благодаря чему, заполнение мощностей ядра происходило оперативней.

Как показала практика, мало кто знает, как на самом деле работает технология Intel Hyper-Threading . Большинство уверено, что у них в процессоре просто живет несколько дополнительных виртуальных ядер. Но на самом деле, количество ядер не изменяется, изменяется именно количество потоков, и это критически важно. Просто у каждого ядра появляется дополнительный канал ввода-вывода информации. Ниже видео, как оно работает на самом деле.

Как же устроена технология HT, и откуда берутся дополнительные потоки? На самом деле, все достаточно просто. Для реализации этой технологии, к каждому ядру дополняется один контроллер и набор регистров. Таким образом, как только поток данных становится больше, чем пропускная способность одного канала, подключается второй канал. Таким образом, устраняется простой незадействованных блоков процессора.

В эпоху одноядерных процессоров (Intel Pentium 4), технология HT стала спасением для тех, кто не мог купить более дорогой процессор (Pentium D). Но сегодня известны случаи снижения производительности при активации HT. Почему так происходит? Все довольно просто. Для распараллеливания данных, и правильной обработки процесса тоже уходят некоторые мощности процессора. И как только физических ядер становится достаточно для обработки информации без простоя блоков, производительность немного снижается из-за отобранных технологией HT ресурсов. Поэтому самый худший вариант работы Hyper-Threading, это не отсутствие увеличения производительности, а ее снижение. Но на практике такое случается очень редко.

С выходом восьмитысячной линейки процессоров Intel семейства Core, этот вопрос стал особенно актуален – а нужен ли Hyper-Threading вообще? Ведь даже процессоры Core i5 несут в себе полноценные шесть ядер. Если не говорить о профессиональных приложениях по обработке графики, рендеринге и т.д., то есть вероятность, что шесть физических ядер хватит на все офисные приложения и игры. Поэтому, если изначально считалось, что технология HT прибавляет процессору до 30% производительности, то теперь это не аксиома, и все будет зависеть от вашего стиля работы за компьютером и набора пользуемых утилит.

Разумеется, текст был бы неполным без тестирования. Поэтому мы возьмём имеющиеся у нас процессоры Intel Core i7 8700K и 7700K , и проверим в нескольких играх и приложениях производительность процессоров с активированным Hyper-Threading , и деактивированным. По итогу тестирования станет понятно, в каких приложениях виртуальные ядра добавляют производительности, а в каких остаются незамеченными.

Популярный 3DMark не особо охотно откликается на увеличение ядер и потоков. Прирост есть, но он ничтожный.

В различного рода вычислениях и обработке ядра и потоки всегда рулили. Здесь Hyper-Threading просто необходим, он очень сильно увеличивает производительность.

В играх ситуация проще. В большинстве случаев увеличение количества потоков не дает результатов, т.е. играм достаточно 4 физических ядер, а в большинстве случаев, даже меньше. Исключение составил лишь GTA5, которая очень хорошо отозвалась на отключение НТ, и прибавила 7% производительности, и только на шестиядерном процессоре 8700К. Отключение многопоточности на 7700К не дало никаких результатов. Мы несколько раз перепрогнали бенчмарки и результаты были неизменны. Но это скорее исключение из правил. Все протестированные игр легко довольствуются четырьмя ядрами.

Одним из важнейших элементов в позиционировании процессоров Intel внутри линеек, является технология Hyper-Threading. А точнее, ее отсутствие в процессоре, или наличие. За что же отвечает эта технология? Intel Hyper-Threading, это технология для эффективного использования ресурсов ядер процессора (CPU), позволяя одновременно обрабатывать несколько потоков на одно ядро. Попробуем привести пример аналогичной системы из жизни. Представьте себе пограничный пост с контролем каждой машины, множеством таможенников и одной полосой на подъезд для автомобилей. Скапливается пробка, процесс тормозится сам по себе даже вне зависимости от скорости работы сотрудников. А учитывая, что полоса одна, то половина сотрудников просто скучает. И тут внезапно открывают еще одну полосу для автотранспорта и автомобили начинают подъезжать в два потока. Скорость работы увеличивается, свободные сотрудники начинают работать, а пробка из желающих пересечь границу становится значительно меньше. Как итог, не увеличивая размеров таможни и количества сотрудников, увеличилась пропускная способность и эффективность работы одного поста. Даже самое мощное процессорное ядро должно получать информацию без задержек, чтобы оперативно обрабатывать ее. Как только на входе образуется «пробка» из данных, процессор начинает простаивать, ожидая, когда же до него дойдет та, или иная информация для обработки. Чтобы избежать этого, в далеком 2002 году появилась технология Hyper-Threading, которая имитировала появление второго ядра в системе, благодаря чему, заполнение мощностей ядра происходило оперативней. Как показала практика, мало кто знает, как на самом деле работает технология Intel Hyper-Threading. Большинство уверено, что у них в процессоре просто живет несколько дополнительных виртуальных ядер. Но на самом деле, количество ядер не изменяется, изменяется именно количество потоков, и это критически важно. Просто у каждого ядра появляется дополнительный канал ввода-вывода информации. Ниже видео, как оно работает на самом деле. Как же устроена технология HT, и откуда берутся дополнительные потоки? На самом деле, все достаточно просто. Для реализации этой технологии, к каждому ядру дополняется один контроллер и набор регистров. Таким образом, как только поток данных становится больше, чем пропускная способность одного канала, подключается второй канал. Таким образом, устраняется простой незадействованных блоков процессора. В эпоху одноядерных процессоров (Intel Pentium 4), технология HT стала спасением для тех, кто не мог купить более дорогой процессор (Pentium D). Но сегодня известны случаи снижения производительности при активации HT. Почему так происходит? Все довольно просто. Для распараллеливания данных, и правильной обработки процесса тоже уходят некоторые мощности процессора. И как только физических ядер становится достаточно для обработки информации без простоя блоков, производительность немного снижается из-за отобранных технологией HT ресурсов. Поэтому самый худший вариант работы Hyper-Threading, это не отсутствие увеличения производительности, а ее снижение. Но на практике такое случается очень редко. С выходом восьмитысячной линейки процессоров Intel семейства Core, этот вопрос стал особенно актуален – а нужен ли Hyper-Threading вообще? Ведь даже процессоры Core i5 несут в себе полноценные шесть ядер. Если не говорить о профессиональных приложениях по обработке графики, рендеринге и т.д., то есть вероятность, что шесть физических ядер хватит на все офисные приложения и игры. Поэтому, если изначально считалось, что технология HT прибавляет процессору до 30% производительности, то теперь это не аксиома, и все будет зависеть от вашего стиля работы за компьютером и набора пользуемых утилит. Разумеется, текст был бы…

В прошлом мы рассказывали о технологии одновременной многопоточности (Simultaneous Multi-Threading - SMT), которая применяется в процессорах Intel. И хотя первоначально она создавалась под кодовым именем "технология Джексона" (Jackson Technology) как возможный, вероятный вариант, Intel официально анонсировала свою технологию на форуме IDF прошлой осенью. Кодовое имя Jackson было заменено более подходящим Hyper-Threading. Итак, для того чтобы разобраться, как работает новая технология, нам нужны кое-какие первоначальные знания. А именно, нам нужно знать, что такое поток, как выполняются эти потоки. Почему работает приложение? Как процессор узнает, какие операции и над какими данными он должен совершать? Вся эта информация содержится в откомпилированном коде выполняемого приложения. И как только приложение получает от пользователя какую-либо команду, какие-либо данные, – процессору сразу же отправляются потоки, в результате чего он и выполняет то, что должен выполнить в ответ на запрос пользователя. С точки зрения процессора, поток – это набор инструкций, которые необходимо выполнить. Когда в вас попадает снаряд в Quake III Arena, или когда вы открываете документ Microsoft Word, процессору посылается определенный набор инструкций, которые он должен выполнить.

Процессор точно знает, где брать эти инструкции. Для этой цели предназначен редко упоминаемый регистр, называемый счетчиком команд (Program Counter, PC). Этот регистр указывает на место в памяти, где хранится следующая для выполнения команда. Когда поток отправляется на процессор, адрес памяти потока загружается в этот счетчик команд, чтобы процессор знал, с какого именно места нужно начать выполнение. После каждой инструкции значение этого регистра увеличивается. Весь этот процесс выполняется до завершения потока. По окончании выполнения потока, в счетчик команд заносится адрес следующей инструкции, которую нужно выполнить. Потоки могут прерывать друг друга, при этом процессор запоминает значение счетчика команд в стеке и загружает в счетчик новое значение. Но ограничение в этом процессе все равно существует – в каждую единицу времени можно выполнять лишь один поток.

Существует общеизвестный способ решения данной проблемы. Заключается он в использовании двух процессоров – если один процессор в каждый момент времени может выполнять один поток, то два процессора за ту же единицу времени могут выполнять уже два потока. Отметим, что этот способ не идеален. При нем возникает множество других проблем. С некоторыми, вы уже, вероятно, знакомы. Во-первых, несколько процессоров всегда дороже, чем один. Во-вторых, управлять двумя процессорами тоже не так-то просто. Кроме того, не стоит забывать о разделении ресурсов между процессорами. Например, до появления чипсета AMD 760MP, все x86 платформы с поддержкой многопроцессорности разделяли всю пропускную способность системной шины между всеми имеющимися процессорами. Но основной недостаток в другом – для такой работы и приложения, и сама операционная система должны поддерживать многопроцессорность. Способность распределить выполнение нескольких потоков по ресурсам компьютера часто называют многопоточностью. При этом и операционная система должна поддерживать многопоточность. Приложения также должны поддерживать многопоточность, чтобы максимально эффективно использовать ресурсы компьютера. Не забывайте об этом, когда мы будем рассматривать ещё один подход решения проблемы многопоточности, новую технологию Hyper-Threading от Intel.

Производительности всегда мало

Об эффективности всегда много говорят. И не только в корпоративном окружении, в каких-то серьезных проектах, но и в повседневной жизни. Говорят, homo sapiens лишь частично задействуют возможности своего мозга. То же самое относится и к процессорам современных компьютеров.

Взять, к примеру, Pentium 4. Процессор обладает, в общей сложности, семью исполнительными устройствами, два из которых могут работать с удвоенной скоростью – две операции (микрооперации) за такт. Но в любом случае, вы бы не нашли программы, которая смогла бы заполнить инструкциями все эти устройства. Обычные программы обходятся несложными целочисленными вычислениями, да несколькими операциями загрузки и хранения данных, а операции с плавающей точкой остаются в стороне. Другие же программы (например, Maya) главным образом загружают работой устройства для операций с плавающей точкой.

Чтобы проиллюстрировать ситуацию, давайте вообразим себе процессор с тремя исполнительными устройствами: арифметико-логическим (целочисленным – ALU), устройством для работы с плавающей точкой (FPU), и устройством загрузки/хранения (для записи и чтения данных из памяти). Кроме того, предположим, что наш процессор может выполнять любую операцию за один такт и может распределять операции по всем трем устройствам одновременно. Давайте представим, что к этому процессору на выполнение отправляется поток из следующих инструкций:

Рисунок ниже иллюстрирует уровень загруженности исполнительных устройств (серым цветом обозначается незадействованное устройство, синим – работающее устройство):

Итак, вы видите, что в каждый такт используется только 33% всех исполнительных устройств. В этот раз FPU остается вообще незадействованным. В соответствии с данными Intel, большинство программ для IA-32 x86 используют не более 35% исполнительных устройств процессора Pentium 4.

Представим себе ещё один поток, отправим его на выполнение процессору. На этот раз он будет состоять из операций загрузки данных, сложения и сохранения данных. Они будут выполняться в следующем порядке:

И снова загруженность исполнительных устройств составляет лишь на 33%.

Хорошим выходом из данной ситуации будет параллелизм на уровне инструкций (Instruction Level Parallelism - ILP). В этом случае одновременно выполняются сразу нескольких инструкций, поскольку процессор способен заполнять сразу несколько параллельных исполнительных устройств. К сожалению, большинство x86 программ не приспособлены к ILP в должной степени. Поэтому приходится изыскивать другие способы увеличения производительности. Так, например, если бы в системе использовалось сразу два процессора, то можно было бы одновременно выполнять сразу два потока. Такое решение называется параллелизмом на уровне потоков (thread-level parallelism, TLP). К слову сказать, такое решение достаточно дорогое.

Какие же ещё существуют способы увеличения исполнительной мощи современных процессоров архитектуры x86?

Hyper-Threading

Проблема неполного использования исполнительных устройств связана с несколькими причинами. Вообще говоря, если процессор не может получать данные с желаемой скоростью (это происходит в результате недостаточной пропускной способности системной шины и шины памяти), то исполнительные устройства будут использоваться не так эффективно. Кроме того, существует ещё одна причина – недостаток параллелизма на уровне инструкций в большинстве потоков выполняемых команд.

В настоящее время большинство производителей улучшают скорость работы процессоров путем увеличения тактовой частоты и размеров кэша. Конечно, таким способом можно увеличить производительность, но все же потенциал процессора не будет полностью задействован. Если бы мы могли одновременно выполнять несколько потоков, то мы смогли бы использовать процессор куда более эффективно. Именно в этом и заключается суть технологии Hyper-Threading.

Hyper-Threading – это название технологии, существовавшей и ранее вне x86 мира, технологии одновременной многопоточности (Simultaneous Multi-Threading, SMT). Идея этой технологии проста. Один физический процессор представляется операционной системе как два логических процессора, и операционная система не видит разницы между одним SMT процессором или двумя обычными процессорами. В обоих случаях операционная система направляет потоки как на двухпроцессорную систему. Далее все вопросы решаются на аппаратном уровне.

В процессоре с Hyper-Threading каждый логический процессор имеет свой собственный набор регистров (включая и отдельный счетчик команд), а чтобы не усложнять технологию, в ней не реализуется одновременное выполнение инструкций выборки/декодирования в двух потоках. То есть такие инструкции выполняются поочередно. Параллельно же выполняются лишь обычные команды.

Официально технология была объявлена на форуме Intel Developer Forum прошлой осенью. Технология демонстрировалась на процессоре Xeon, где проводился рендеринг с помощью Maya. В этом тесте Xeon с Hyper-Threading показал на 30% лучшие результаты, чем стандартный Xeon. Приятный прирост производительности, но больше всего интересно то, что технология уже присутствует в ядрах Pentium 4 и Xeon, только она выключена.

Технология пока ещё не выпущена, однако те из вас, кто приобрел 0,13 мкм Xeon, и установил этот процессор на платы с обновленным BIOS, наверняка были удивлены, увидев в BIOS опцию включения/отключения Hyper-Threading.

А пока Intel будет оставлять опцию Hyper-Threading отключенной по умолчанию. Впрочем, для ее включения достаточно просто обновить BIOS. Все это касается рабочих станций и серверов, что же до рынка персональных компьютеров, в ближайшем будущем у компании планов касательно этой технологии не имеется. Хотя возможно, производители материнских плат предоставят возможность включить Hyper-Threading с помощью специального BIOS.

Остается очень интересный вопрос, почему Intel хочет оставить эту опцию выключенной?

Углубляемся в технологию

Помните те два потока из предыдущих примеров? Давайте на этот раз предположим, что наш процессор оснащен Hyper-Threading. Посмотрим, что получится, если мы попытаемся одновременно выполнить эти два потока:

Как и ранее, синие прямоугольники указывают на выполнение инструкции первого потока, а зеленые - на выполнение инструкции второго потока. Серые прямоугольники показывают незадействованные исполнительные устройства, а красные - конфликт, когда на одно устройство пришло сразу две разных инструкции из разных потоков.

Итак, что же мы видим? Параллелизм на уровне потоков дал сбой – исполнительные устройства стали использоваться ещё менее эффективно. Вместо параллельного выполнения потоков, процессор выполняет их медленнее, чем если бы он выполнял их без Hyper-Threading. Причина довольно проста. Мы пытались одновременно выполнить сразу два очень похожих потока. Ведь оба они состоят из операций по загрузке/сохранению и операций сложения. Если бы мы параллельно запускали "целочисленное" приложение и приложение, работающее с плавающей точкой, мы бы оказались куда в лучшей ситуации. Как видим, эффективность Hyper-Threading сильно зависит от вида нагрузки на ПК.

В настоящий момент, большинство пользователей ПК используют свой компьютер примерно так, как описано в нашем примере. Процессор выполняет множество очень схожих операций. К сожалению, когда дело доходит до однотипных операций, возникают дополнительные сложности с управлением. Случаются ситуации, когда исполнительных устройств нужного типа уже не осталось, а инструкций, как назло, вдвое больше обычного. В большинстве случаев, если бы процессоры домашних компьютеров использовали технологию Hyper-Threading, то производительность бы от этого не увеличилась, а может быть, даже снизилась на 0-10%.

На рабочих же станциях возможностей для увеличения производительности у Hyper-Threading больше. Но с другой стороны, все зависит от конкретного использования компьютера. Рабочая станция может означать как high-end компьютер для обработки 3D графики, так и просто сильно нагруженный компьютер.

Наибольший же прирост в производительности от использования Hyper-Threading наблюдается в серверных приложениях. Главным образом это объясняется широким разнообразием посылаемых процессору операций. Сервер баз данных, использующих транзакции, может работать на 20-30% быстрее при включенной опции Hyper-Threading. Чуть меньший прирост производительности наблюдается на веб-серверах и в других сферах.

Максимум эффективности от Hyper-Threading

Вы думаете, Intel разработала Hyper-Threading только лишь для своей линейки серверных процессоров? Конечно же, нет. Если бы это было так, они бы не стали впустую тратить место на кристалле других своих процессоров. По сути, архитектура NetBurst, использующаяся в Pentium 4 и Xeon, как нельзя лучше подходит для ядра с поддержкой одновременной многопоточности. Давайте ещё раз представим себе процессор. На этот раз в нем будет ещё одно исполнительное устройство – второе целочисленное устройство. Посмотрим, что случится, если потоки будут выполняться обоими устройствами:

С использованием второго целочисленного устройства, единственный конфликт случился только на последней операции. Наш теоретический процессор в чем-то похож на Pentium 4. В нем имеется целых три целочисленных устройства (два ALU и одно медленное целочисленное устройство для циклических сдвигов). А что ещё более важно, оба целочисленных устройства Pentium 4 способны работать с двойной скоростью – выполнять по две микрооперации за такт. А это, в свою очередь, означает, что любое из этих двух целочисленных устройств Pentium 4/Xeon могло выполнить те две операции сложения из разных потоков за один такт.

Но это не решает нашей проблемы. Было бы мало смысла просто добавлять в процессор дополнительные исполнительные устройства с целью увеличения производительности от использования Hyper-Threading. С точки зрения занимаемого на кремнии пространства это было бы крайне дорого. Вместо этого, Intel предложила разработчикам оптимизировать программы под Hyper-Threading.

Используя инструкцию HALT, можно приостановить работу одного из логических процессоров, и тем самым увеличить производительность приложений, которые не выигрывают от Hyper-Threading. Итак, приложение не станет работать медленнее, вместо этого один из логических процессоров будет остановлен, и система будет работать на одном логическом процессоре – производительность будет такой же, что и на однопроцессорных компьютерах. Затем, когда приложение сочтет, что от Hyper-Threading оно выиграет в производительности, второй логический процессор просто возобновит свою работу.

На веб-сайте Intel имеется презентация , описывающая, как именно необходимо программировать, чтобы извлечь из Hyper-Threading максимум выгоды.

Выводы

Хотя мы все были крайне обрадованы, когда до нас дошли слухи об использовании Hyper-Threading в ядрах всех современных Pentium 4/Xeon, все же это не будет бесплатной производительностью на все случаи жизни. Причины ясны, и технологии предстоит преодолеть ещё многое, прежде чем мы увидим Hyper-Threading, работающую на всех платформах, включая домашние компьютеры. А при поддержке разработчиков, технология определенно может оказаться хорошим союзником Pentium 4, Xeon, и процессорам будущего поколения от Intel.

При существующих ограничениях и при имеющейся технологии упаковки, Hyper-Threading кажется более разумным выбором для потребительского рынка, чем, например, подход AMD в SledgeHammer – в этих процессорах используется целых два ядра. И до тех пор, пока не станут совершенными технологии упаковки, такие как Bumpless Build-Up Layer , стоимость разработки многоядерных процессоров может оказаться слишком высокой.

Интересно заметить, насколько разными стали AMD и Intel за последние несколько лет. Ведь когда-то AMD практически копировала процессоры Intel. Теперь же компании выработали принципиально иные подходы к будущим процессорам для серверов и рабочих станций. AMD на самом деле проделала очень длинный путь. И если в процессорах Sledge Hammer действительно будут использоваться два ядра, то по производительности такое решение будет эффективнее, чем Hyper-Threading. Ведь в этом случае кроме удвоения количества всех исполнительных устройств снимаются проблемы, которые мы описали выше.

Hyper-Threading ещё некоторое время не появится на рынке обычных ПК, но при хорошей поддержке разработчиков, она может стать очередной технологией, которая опустится с серверного уровня до простых компьютеров.

20 января 2015 в 19:43

Еще раз о Hyper-Threading

• Тестирование IT-систем ,
• Программирование

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.

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.

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.

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.

Выводы

Исследованная операция достаточно хорошо масштабируется на многоядерном процессоре. Причины – каждое из ядер содержит собственную кэш-память первого и второго уровней, размер целевого блока сопоставим с размером кэш-памяти, и каждый из потоков работает со своим диапазоном адресов. В академических целях мы создали такие условия в синтетическом тесте, понимая, что реальные приложения обычно далеки от идеальной оптимизации. А вот включение Hyper-Threading, даже в этих условиях дало негативный эффект, при небольшой прибавке пиковой скорости, имеет место существенный проигрыш в скорости обработки блоков, размер которых находится в диапазоне от 16 до 32 килобайт.

15.03.2013

Технология Hyper-Threading появилась в процессорах Intel, страшно сказать, уже больше 10 лет назад. И в данный момент она является важным элементов процессоров Core. Однако вопрос в необходимости HT в играх все еще до конца не понятен. Мы решили провести тест, чтобы понять, нужен ли геймерам Core i7, или лучше обойтись Core i5. А также выяснить насколько Core i3 лучше Pentium.

Hyper-Threading Technology, разработанная компанией Intel, и эксклюзивно используемая в процессорах компании, начиная с достопамятного Pentium 4, в данный момент является чем-то само собой разумеющимся. Ею оснащено значительное число процессоров текущего и предыдущих поколений. Будет она использоваться и в ближайшем будущем.

И необходимо признать, что технология Hyper-Threading полезна, и позитивно влияет на производительность, иначе Intel не стала бы использовать ее для позиционирования своих процессоров внутри линейки. Причем не как второстепенный элемент, а один из важнейших, если не самый важный. Чтобы было понятно, о чем мы говорим, мы подготовили табличку, которая позволяет легко оценить принцип сегментирования процессоров Intel.

Как видите отличий между Pentium и Core i3, а также между Core i5 и Core i7 совсем мало. Фактически модели i3 и i7, отличаются от Pentium и i5 только размером кэша третьего уровня приходящимся на одного ядро (не считая тактовой частоты, конечно). У первой пары это 1,5 мегабайта, а у второй – 2 мегабайта. Это отличие не может коренным образом повлиять на производительность процессоров, так как разница в объеме кэша сильно мала. Именно поэтому Core i3 и Core i7 получили поддержку технологии Hyper-Threading, которая и является главным элементом, позволяющим этим процессорам иметь преимущество в производительности над Pentium и Core i5, соответсвенно.

В итоге чуть больший кэш и поддержка Hyper-Threading позволят выставлять значительно более высокие цены на процессоры. Для примера процессоры линейки Pentium (около 10 тыс. тенге) примерно в два раза дешевле, чем Core i3 (около 20 тыс. тенге), и это притом, что физически, на аппаратном уровне они абсолютно одинаковы, и, соответсвенно, имеют одинаковую себестоимость. Разница в цене между Core i5 (около 30 тыс. тенге) и Core i7 (около 50 тыс. тенге) также очень велика, хоть и меньше двух крат в младших моделях.

Насколько обоснована такая прибавка в цене? Какой реальный прирост дает Hyper-Threading? Ответ давно известен: прирост бывает разный – все зависит от приложения и его оптимизации. Мы решили проверить, что дает HT в играх, как одним из самых требовательных “бытовых” приложений. К тому же данный тест будет отличным дополнением к нашему предыдущему материалу посвященному влиянию количества ядер в процессоре на игровую производительность .

Перед тем как переходить к тестам, давайте вспомним (ну или узнаем), что такое Hyper-Threading Technology. Как высказывалась сама Intel, представляя данную технологию много лет назад, ничего особенно сложного в ней нет. Фактически, все что нужно для внесения HT на физическом уровне – это добавление к одному физическому ядру не одного набора регистров и контроллера прерываний, а двух. В процессорах Pentium 4 эти дополнительные элементы увеличивали количество транзисторов всего на пять процентов. В современных ядрах Ivy Bridge (равно как и в Sandy Bridge, и будущем Haswell) дополнительные элементы даже для четырех ядер не увеличивают кристалл даже на 1 процент.

Дополнительные регистры и контроллер прерываний, вкупе с программной поддержкой позволяют операционной системе видеть не одно физическое ядро, а два логических. При этом обработка данных двух потоков, которые отправляются системой все также идет на одном ядре, но с некоторыми особенностями. В распоряжении одного потока все также остается весь процессор, но как только какие-то блоки CPU освобождаются и простаивают, то они тут, же отдаются в распоряжение второго потока. Благодаря этому удалось задействовать все блоки процессора одновременно, и тем самым увеличить его эффективность. Как заявляла сама Intel, прирост производительности в идеальных условиях может доходить до 30 процентов. Правда, данные показатели верны только для Pentium 4 с его очень длинным конвейером, у современных процессоров выгода от HT меньше.

Но идеальные условия для Hyper-Threading бывают далеко не всегда. И что самое важное – худший результат работы HT – это не отсутствие прироста производительности, а ее снижение. То есть при определенных условиях, производительность процессора с HT будет падать относительно процессора без HT из-за того, что накладные расходы на разделение потоков и организацию очереди будут значительно превышать прирост от обсчета параллельных потоков, который возможен в данном конкретном случае. И такие случаи встречаются гораздо чаще, чем хотелось бы Intel. Причем многие годы использования Hyper-Threading не улучшили ситуацию. Особенно это касается игр, весьма сложных и отнюдь нешаблонных с точки зрения обсчета данных, приложений.

Для того чтобы выяснить влияние Hyper-Threading на игровую производительность, мы вновь использовали наш многострадальный тестовый процессор Core i7-2700K, и симулировали с помощью отключения ядер и включения/выключения HT, сразу четыре процессора. Условно их можно назвать Pentium (2 ядра, HT выключен), Core i3 (2 ядра, HT включен), Core i5 (4 ядра, HT выключен), и Core i7 (4 ядра, HT включен). Почему условно? Прежде всего, потому, что по некоторым характеристикам они не соответствуют реальным продуктам. В частности отключение ядер не ведет к соответствующему урезанию объема кэша третьего уровня – его объем для всех равен 8 мегабайтам. А, кроме того, все наши “условные” процессоры работают на одинаковой частоте 3,5 гигагерца, которая пока достигнута не всеми процессорами линейки Intel.

Впрочем, это даже к лучшему, так как благодаря неизменности всех важных параметров мы сможем выяснить реальное влияние Hyper-Threading на игровую производительность без каких-либо оговорок. Да и процентная разница в производительности между нашими “условными” Pentium и Core i3 будет близка к разнице между реальными процессорами при условии равных частот. Также не должно смущать то, что мы используем процессор с архитектурой Sandy Bridge, так как наши тесты эффективности, о которых вы можете прочитать в статье “Голая производительность - Исследуем эффективность ALU и FPU ”, показали, что влияние Hyper-Threading в последних поколениях процессоров Core остается неизменным. Скорее всего, актуальным данный материал окажется и для грядущих процессоров Haswell.

Ну что же, вроде все вопросы относительно методики тестирования, а также особенностей функционирования Hyper-Threading Technology обсуждены, а потому пора переходить к самому интересному – тестам.

Еще в тесте, в котором мы изучали влияние количества процессорных ядер на игровую производительность, мы выяснили, что 3DMark 11 совершенно спокойно относится к производительности CPU, отлично работая даже на одном ядре. Такое же “мощное” влияние оказал и Hyper-Threading. Как видите, тест абсолютно не замечает различий между Pentium и Core i7, не говоря уже о промежуточных моделях.

Metro 2033

А вот Metro 2033 явно заметила появление Hyper-Threading. И отреагировала на него негативно! Да, именно так: включение HT в данной игре оказывает негативное влияние на производительность. Небольшое влияние, конечно – 0,5 кадра в секунду при четырех физических ядрах, и 0,7 при двух. Но этот факт дает все основания заявить, что в Metro 2033 Pentium быстрее, чем Core i3, а Core i5 лучше, чем Core i7. Вот оно подтверждение того факта, что Hyper-Threading показывает свою эффективность не всегда и не везде.

Crysis 2

Эта игра показала очень интересные результаты. Прежде всего, отметим, что влияние Hyper-Threading хорошо заметно в двуядерных процессорах – Core i3 опередил Pentium почти на 9 процентов, что для этой игры совсем немало. Победа HT и Intel? Не совсем, так как Core i7 не показал никакого прироста относительно заметно более дешевого Core i5. Но этому есть разумное объяснение – Crysis 2 не умеет использовать больше четырех потоков данных. Из-за этого мы видим хороший прирост у двуядерника с HT – все же лучше четыре потока, хоть и логических, чем два. С другой стороны, дополнительные потоки Core i7 девать уже было некуда, там вполне хватало четырех физических ядер. Так что по результатам данного теста можно отметить положительное влияние HT в Core i3, который здесь заметно лучше Pentium. А вот среди четырехядерников Core i5 вновь выглядит более разумным решением.

Battlefield 3

Здесь результаты очень странные. Если в тесте на количество ядер, battlefield был образцом микроскопического, но линейного прироста, то включение Hyper-Threading внесло в результаты хаос. По факту можно констатировать, что Core i3, со своими двумя ядрами и HT оказался лучшим из всех, опередив даже Core i5 и Core i7. Странно, конечно, но, в то же время, Core i5 и Core i7 вновь оказались на одном уровне. Чем это объясняется не ясно. Скорее всего тут сыграла свою роль методика тестирования в этой игре, которая дает большие погрешности, нежели стандартные бенчмарки.

В прошлом тесте F1 2011 проявила себя как одна из игр, очень критично относящихся к количеству ядер, а в этом вновь удивила отменным влиянием на производительность технологии Hyper-Threading. Причем вновь, как и в Crysis 2, очень хорошо включение HT показало себя на двуядерных процессорах. Посмотрите на разницу между нашими условными Core i3 и Pentium – она более чем двукратная! Явно видно, что игре очень сильно не хватает двух ядер, и при этом ее код так хорошо распараллеливается, что эффект получился потрясающим. С другой стороны, против четырех физических ядер не попрешь – Core i5 заметно быстрее Core i3. А вот Core i7, вновь, как и в предыдущих играх не показал ничего выдающегося на фоне Core i5. Причина все та же – игра не умеет использовать больше 4 потоков, а накладные расходы на работу HT снижают производительность Core i7 ниже уровня Core i5.

Старому вояке Hyper-Threading не нужнее, чем ежу футболка – его влияние отнюдь не так ярко заметно как в F1 2011 или Crysis 2. При этом все же отметим, что 1 лишний кадр включение HT на двуядерном процессоре принесло. Этого конечно маловато, чтобы сказать, что Core i3 лучше, чем Pentium. По крайней мере, это улучшение явно не соответствует разнице в цене этих процессоров. А уж о разнице в цене между Core i5 и Core i7 даже вспоминать не стоит, так как процессор без поддержки HT вновь оказался быстрее. Причем заметно быстрее – на 7 процентов. Как ни крути, а вновь констатируем факт, что четыре потока это максимум для этой игры, а потому HyperThreading в данном случае не помогает Core i7, а мешает.