Чем ядра отличаются от потоков

Как проверить количество ядер и потоков центрального процессора

Количество ядер и потоков вашего процессора зависит от нескольких различных факторов, включая его марку, модель и поколение. Оба числа постоянно растут как для чипов AMD, так и для Intel, при этом процессоры нового поколения обычно имеют больше физических ядер, чем их старые аналоги.

Если вы читаете это, вероятно, вам интересно, сколько ядер и потоков имеет ваш конкретный процессор и достаточно ли он мощен для того, что вы делаете ежедневно.

Прежде чем мы углубимся во всю эту тему, нам сначала нужно охватить основы!

Что такое процессорные ядра и потоки

Существует огромная разница, когда речь идет о ядрах и потоках, и всё же они оба невероятно важны.

• Ядро ЦП – это физический компонент процессора, который используется для выполнения различных вычислительных задач и рабочих нагрузок.
• Поток ЦП – это виртуальный компонент, который помогает центральным процессорам более эффективно справляться с рабочими нагрузками.

Если сформулировать как можно короче:

Ядра ЦП – это физические ядра; Потоки ЦП – это логические ядра, эффективность которых примерно на 50 % выше, чем у их физических аналогов.

Вы можете думать о ядрах ЦП как о человеческом желудке, который переваривает всё, а о потоках – как о руках, которые организуют рабочий процесс, нарезают большие куски и создают эффективный рабочий процесс поглощения еды.

Объяснение многопоточности и гиперпоточности

Все мы знаем, что процессор – это мозг всей системы; таким образом, ЦП с большим количеством ядер и потоков быстрее, потому что они могут организовывать и выполнять несколько задач одновременно и в более быстром темпе.

Вы, наверное, также слышали о гиперпоточности и многопоточности. Хотя они могут звучать похоже, на самом деле, это две совершенно разные вещи.

Гиперпоточность изначально была разработана Intel, и она эффективно «обманывает» операционные системы, заставляя думать, что присутствуют дополнительные отдельные ядра.

Поэтому, если у вас есть двухъядерный процессор Intel с поддержкой технологии Hyper-Threading, ваша ОС увидит его как процессор с двумя физическими и четырьмя логическими ядрами. Без гиперпоточности количество логических ядер сократилось бы вдвое.

Одновременная многопоточность (обычно называемая SMT) – это технология AMD, которая работает аналогичным образом, но не так эффективно.

Как проверить, сколько ядер и потоков в процессоре

Есть несколько способов проверить, сколько ядер и потоков имеет ваш конкретный процессор:

Диспетчер задач ОС Windows

Войдите в диспетчер задач Windows, либо нажав Ctrl + Alt + Del и выбрав его из списка, либо нажав Ctrl + Shift + Esc .

Нажмите кнопку «Подробнее» в левом нижнем углу (если не нажимали раньше) и выберите вкладку Производительность.

Оказавшись там, нажмите на вкладку ЦП слева. Вам будет представлена масса различной информации, включая количество (физических) ядер и логических процессоров.

Здесь мы видим статистику производительности для AMD Ryzen 7 1800X. Этот конкретный процессор имеет 8 физических ядер и 16 логических процессоров, это означает, что он поддерживает технологию SMT.

Однако, не все ЦП будут иметь 2 потока на ядро, и есть также такие вещи, как P- и E-ядра в одном ЦП, это означает, что некоторые ядра имеют гиперпоточность, а некоторые нет.

Технические характеристики процессора

Если у вас сейчас нет доступа к вашему ПК и вы хотите узнать, сколько ядер и потоков в вашем распоряжении, вы всегда можете найти ответ с помощью быстрого поиска в Интернете, если знаете модель своего процессора.

Если вы знаете модель вашего процессора, поиск его спецификации займёт около минуты!

Например, вот официальная спецификация вышеупомянутого AMD Ryzen 7 1800X. Она включает в себя всю информацию, доступную из диспетчера задач, а также некоторые другие данные.

Системная информация в ОС Windows

Если вы пользователь Windows, вы также можете узнать, сколько ядер и потоков имеет ваш ЦП, открыв Сведения о системе. Это изящное маленькое приложение предоставит вам всё, что вы ищете!

Это также даст вам краткое описание вашей системы, включая модель вашей материнской платы, объём оперативной памяти, общий объём виртуальной памяти, версию BIOS и так далее.

Просто введите «sysinfo» или «сведения о системе» в строку поиска Windows, чтобы запустить его.

Стороннее программное обеспечение

И последнее, но не менее важное: вы можете проверить количество ядер и потоков с помощью стороннего программного обеспечения.

CPU-Z — прекрасный пример; он делает то же самое, что и «Сведения о системе», но визуально более привлекательным способом (и это тоже бесплатно).

CPU-Z также предоставляет информацию о максимальном TDP процессора (расчётная тепловая мощность), информацию о тактовой частоте и кэш-памяти, напряжении ядра и многом другом.

Вывод – ядра и потоки ЦП

Подводя итог: ядра ЦП – это физические компоненты вашего процессора. Потоки ЦП, с другой стороны, представляют собой количество ядер логической обработки или, другими словами, количество процессов, которые могут обрабатываться ядрами ЦП.

Что касается того, сколько ядер процессора и потоков у вас должно быть, всё зависит от вашей рабочей нагрузки.

Часто задаваемые вопросы

Как проверить количество ядер и потоков процессора?

Есть четыре простых способа проверить, сколько ядер и потоков имеет ваш процессор:

• Через системную информацию
• Через диспетчер задач Windows
• С помощью стороннего программного обеспечения, такого как CPU-Z
• Проверив официальную спецификацию вашего процессора

Сколько ядер нужно для работы на ПК?

Это зависит от вашей загруженности.

Если вы играете в игры, занимаетесь 3D-моделированием или выполняете какую-либо ресурсоемкую рабочую нагрузку, ваши задачи, как правило, выиграют больше от более высокой тактовой частоты, чем от большего количества ядер. Эти типы задач обычно максимально работают на четырёх ядрах, хотя это сильно различается от одной программы к другой.

Что касается пассивных рабочих нагрузок, таких как рендеринг на основе ЦП, вы сможете использовать все свои ядра и потоки; в такой ситуации гиперпоточность и SMT должны стоять на первом месте в вашем списке приоритетов.

В чём разница между ядрами процессора и потоками?

Единственная разница заключается в том, что ядра ЦП являются физическими компонентами, а потоки – их виртуальными аналогами, отвечающими за повышение эффективности и помощь в сложных рабочих нагрузках.

Процессор: потоки или ядра

На рынке компьютерных комплектующих присутствует немало процессоров, у которых число потоков больше числа физических ядер. В некоторых задачах эти «виртуальные ядра» могут дать существенный прирост в производительности, в других они практически бесполезны.

Многоядерность и гиперпоточность

Ядро — это физически обособленная вычислительная единица процессора, способная в один момент времени выполнять одну последовательность команд. Если ядро одно, а последовательностей требуется выполнять несколько, оно быстро переключается между ними, выполняя задачи поочередно.

Поток (применительно к процессору), или виртуальное ядро – результат реализации вычислений, при котором одно физическое ядро способно программно разделять свою производительность и работать над несколькими последовательностями команд одновременно. Простыми словами, ЦП делает вид для операционной системы и программ, что у него больше ядер, чем есть на самом деле. Убедиться в этом можно, открыв диспетчер устройств или другую программу для мониторинга комплектующих.

Гиперпоточность позволяет распараллеливать вычисления более эффективно – если одно виртуальное ядро завершило работу над своей задачей и находится в режиме ожидания, его ресурсы может использовать другое. В случаях, когда гиперпоточность не поддерживается, эти ресурсы простаивают. Таким образом, поддержка виртуальных ядер может ускорить выполнение некоторых задач, хотя, разумеется, она не так хороша, как наличие дополнительных физических, и удвоения производительности ожидать не стоит.

Иллюстрация концепции потоков/виртуальных ядер:

Рассмотрим следующий упрощенный пример: если двухъядерный процессор с двумя потоками работает с четырьмя последовательностями команд одновременно, а производительность одного ядра для одной последовательности избыточна, то общая производительность будет ниже, чем в случае, если на месте такого процессора будет вариант с двумя ядрами, но с четырьмя потоками, поскольку на переключение между задачами тратится дополнительное время, и часть ресурсов иногда простаивает. А вот если вычислительных ресурсов одного потока недостаточно для выполнения одной последовательности, то виртуальные ядра почти не помогут – нужны дополнительные физические.

Распараллеливание нагрузки при помощи технологии Intel Hyper-Threading

Немного истории

Когда-то процессоры были одноядерными и однопоточными. Если требовалось эффективно распараллеливать вычисления (в серверном сегменте, рабочих станциях) использовались материнские платы с несколькими процессорными разъемами. Соответственно, материнке требовалась возможность соединять все процессоры с другими комплектующими (например, оперативной памятью). По сравнению с современной реализацией, возникали дополнительные задержки, возрастали энергозатраты.

Развитие архитектуры началось с гиперпоточности, а в дальнейшем на одном кристалле производители стали размещать и несколько физических ядер. Сейчас оба основных производителя центральных процессоров для ПК (Intel и AMD) выпускают модели с двумя и более физическими ядрами, как с поддержкой виртуальных ядер, так и без нее.

Потоки или ядра?

Центральный процессор – один из ключевых компонентов системы, влияющих на ее производительность в целевых задачах, а также на удобство использования компьютера. Часто у пользователей, желающих собрать систему, возникает вопрос: на что ориентироваться при выборе ЦП? Стоит ли переплачивать за дополнительные потоки/виртуальные ядра?

Ответ зависит от предполагаемых сценариев использования. В большинстве игр прирост производительности от гиперпоточности окажется минимальным или даже нулевым, а вот добавление физических ядер скажется на частоте кадров явно положительно. Разумеется, если движок игры способен распараллеливать вычисления на такое количество ядер. Многие игры, выпущенные в предыдущие годы, способны работать только с 2-4 ядрами — остальные будут простаивать или заниматься фоновыми программами.

Наибольшую выгоду виртуальные ядра приносят в рабочих задачах, подверженных эффективному распараллеливанию. К ним относятся, например, архивация файлов, обработка фотографий, рендеринг видео, моделирование. Таким образом, польза дополнительных потоков для компьютера, который будет использоваться в первую очередь для игр или медиа, сомнительна. Впрочем, если параллельно с играми будут выполняться и другие задачи, такие как стриминг, запись/обработка видео, скачивание/раздача файлов при помощи торрент-клиента, антивирусная проверка, она возрастает. В подобных ситуациях виртуальные ядра помогают снять фоновую нагрузку с физических.

Впрочем, кратного роста вычислительной мощи ждать все равно не стоит, и для типичных домашних сценариев использования переплата за виртуальные ядра часто будет неоправданной. Другое дело – если компьютер используется для профессиональной деятельности, и применяются программы, хорошо работающие с гиперпоточностью – прирост в производительности при правильной оптимизации может составлять десятки процентов.

Подытожим : если речь идет о домашнем игровом или мультимедийном компьютере, не стоит ждать чудес от виртуальных ядер, и, если за них придется доплатить ощутимую сумму, лучше рассмотреть вариант с дополнительными физическими, или вложить деньги в другие комплектующие. Если же система будет использоваться для работы – прирост может быть значительным, поэтому стоит ознакомиться с тестами гиперпоточных ЦП для конкретного вида задач.

Понравилось? Поделись с друзьями!

Дата: 26.01.2019 Автор/Переводчик: Zio

Процессоры, ядра и потоки. Топология систем

В этой статье я попытаюсь описать терминологию, используемую для описания систем, способных исполнять несколько программ параллельно, то есть многоядерных, многопроцессорных, многопоточных. Разные виды параллелизма в ЦПУ IA-32 появлялись в разное время и в несколько непоследовательном порядке. Во всём этом довольно легко запутаться, особенно учитывая, что операционные системы заботливо прячут детали от не слишком искушённых прикладных программ.

Используемая далее терминология используется в документации процессорам Intel. Другие архитектуры могут иметь другие названия для похожих понятий. Там, где они мне известны, я буду их упоминать.

Цель статьи — показать, что при всём многообразии возможных конфигураций многопроцессорных, многоядерных и многопоточных систем для программ, исполняющихся на них, создаются возможности как для абстракции (игнорирования различий), так и для учёта специфики (возможность программно узнать конфигурацию).

Предупреждение о знаках ®, ™, © в статье

Мой комментарий объясняет, почему сотрудники компаний должны в публичных коммуникациях использовать знаки авторского права. В этой статье их пришлось использовать довольно часто.

Процессор

Конечно же, самый древний, чаще всего используемый и неоднозначный термин — это «процессор».

В современном мире процессор — это то (package), что мы покупаем в красивой Retail коробке или не очень красивом OEM-пакетике. Неделимая сущность, вставляемая в разъём (socket) на материнской плате. Даже если никакого разъёма нет и снять его нельзя, то есть если он намертво припаян, это один чип.

Мобильные системы (телефоны, планшеты, ноутбуки) и большинство десктопов имеют один процессор. Рабочие станции и сервера иногда могут похвастаться двумя или больше процессорами на одной материнской плате.

Поддержка нескольких центральных процессоров в одной системе требует многочисленных изменений в её дизайне. Как минимум, необходимо обеспечить их физическое подключение (предусмотреть несколько сокетов на материнской плате), решить вопросы идентификации процессоров (см. далее в этой статье, а также мою предыдущую заметку), согласования доступов к памяти и доставки прерываний (контроллер прерываний должен уметь маршрутизировать прерывания на несколько процессоров) и, конечно же, поддержки со стороны операционной системы. Я, к сожалению, не смог найти документального упоминания момента создания первой многопроцессорной системы на процессорах Intel, однако Википедия утверждает, что Sequent Computer Systems поставляла их уже в 1987 году, используя процессоры Intel 80386. Широко распространённой поддержка же нескольких чипов в одной системе становится доступной, начиная с Intel® Pentium.

Если процессоров несколько, то каждый из них имеет собственный разъём на плате. У каждого из них при этом имеются полные независимые копии всех ресурсов, таких как регистры, исполняющие устройства, кэши. Делят они общую память — RAM. Память может подключаться к ним различными и довольно нетривиальными способами, но это отдельная история, выходящая за рамки этой статьи. Важно то, что при любом раскладе для исполняемых программ должна создаваться иллюзия однородной общей памяти, доступной со всех входящих в систему процессоров.

К взлёту готов! Intel® Desktop Board D5400XS

Ядро

Исторически многоядерность в Intel IA-32 появилась позже Intel® HyperThreading, однако в логической иерархии она идёт следующей.

Казалось бы, если в системе больше процессоров, то выше её производительность (на задачах, способных задействовать все ресурсы). Однако, если стоимость коммуникаций между ними слишком велика, то весь выигрыш от параллелизма убивается длительными задержками на передачу общих данных. Именно это наблюдается в многопроцессорных системах — как физически, так и логически они находятся очень далеко друг от друга. Для эффективной коммуникации в таких условиях приходится придумывать специализированные шины, такие как Intel® QuickPath Interconnect. Энергопотребление, размеры и цена конечного решения, конечно, от всего этого не понижаются. На помощь должна прийти высокая интеграция компонент — схемы, исполняющие части параллельной программы, надо подтащить поближе друг к другу, желательно на один кристалл. Другими словами, в одном процессоре следует организовать несколько ядер, во всём идентичных друг другу, но работающих независимо.

Первые многоядерные процессоры IA-32 от Intel были представлены в 2005 году. С тех пор среднее число ядер в серверных, десктопных, а ныне и мобильных платформах неуклонно растёт.

В отличие от двух одноядерных процессоров в одной системе, разделяющих только память, два ядра могут иметь также общие кэши и другие ресурсы, отвечающие за взаимодействие с памятью. Чаще всего кэши первого уровня остаются приватными (у каждого ядра свой), тогда как второй и третий уровень может быть как общим, так и раздельным. Такая организация системы позволяет сократить задержки доставки данных между соседними ядрами, особенно если они работают над общей задачей.

Микроснимок четырёхядерного процессора Intel с кодовым именем Nehalem. Выделены отдельные ядра, общий кэш третьего уровня, а также линки QPI к другим процессорам и общий контроллер памяти.

Гиперпоток

До примерно 2002 года единственный способ получить систему IA-32, способную параллельно исполнять две или более программы, состоял в использовании именно многопроцессорных систем. В Intel® Pentium® 4, а также линейке Xeon с кодовым именем Foster (Netburst) была представлена новая технология — гипертреды или гиперпотоки, — Intel® HyperThreading (далее HT).

Ничто не ново под луной. HT — это частный случай того, что в литературе именуется одновременной многопоточностью (simultaneous multithreading, SMT). В отличие от «настоящих» ядер, являющихся полными и независимыми копиями, в случае HT в одном процессоре дублируется лишь часть внутренних узлов, в первую очередь отвечающих за хранение архитектурного состояния — регистры. Исполнительные же узлы, ответственные за организацию и обработку данных, остаются в единственном числе, и в любой момент времени используются максимум одним из потоков. Как и ядра, гиперпотоки делят между собой кэши, однако начиная с какого уровня — это зависит от конкретной системы.

Я не буду пытаться объяснить все плюсы и минусы дизайнов с SMT вообще и с HT в частности. Интересующийся читатель может найти довольно подробное обсуждение технологии во многих источниках, и, конечно же, в Википедии. Однако отмечу следующий важный момент, объясняющий текущие ограничения на число гиперпотоков в реальной продукции.

Ограничения потоков

В каких случаях наличие «нечестной» многоядерности в виде HT оправдано? Если один поток приложения не в состоянии загрузить все исполняющие узлы внутри ядра, то их можно «одолжить» другому потоку. Это типично для приложений, имеющих «узкое место» не в вычислениях, а при доступе к данным, то есть часто генерирующих промахи кэша и вынужденных ожидать доставку данных из памяти. В это время ядро без HT будет вынуждено простаивать. Наличие же HT позволяет быстро переключить свободные исполняющие узлы к другому архитектурному состоянию (т.к. оно как раз дублируется) и исполнять его инструкции. Это — частный случай приёма под названием latency hiding, когда одна длительная операция, в течение которой полезные ресурсы простаивают, маскируется параллельным выполнением других задач. Если приложение уже имеет высокую степень утилизации ресурсов ядра, наличие гиперпотоков не позволит получить ускорение — здесь нужны «честные» ядра.

Типичные сценарии работы десктопных и серверных приложений, рассчитанных на машинные архитектуры общего назначения, имеют потенциал к параллелизму, реализуемому с помощью HT. Однако этот потенциал быстро «расходуется». Возможно, по этой причине почти на всех процессорах IA-32 число аппаратных гиперпотоков не превышает двух. На типичных сценариях выигрыш от использования трёх и более гиперпотоков был бы невелик, а вот проигрыш в размере кристалла, его энергопотреблении и стоимости значителен.

Другая ситуация наблюдается на типичных задачах, выполняемых на видеоускорителях. Поэтому для этих архитектур характерно использование техники SMT с бóльшим числом потоков. Так как сопроцессоры Intel® Xeon Phi (представленные в 2010 году) идеологически и генеалогически довольно близки к видеокартам, на них может быть четыре гиперпотока на каждом ядре — уникальная для IA-32 конфигурация.

Логический процессор

Из трёх описанных «уровней» параллелизма (процессоры, ядра, гиперпотоки) в конкретной системе могут отсутствовать некоторые или даже все. На это влияют настройки BIOS (многоядерность и многопоточность отключаются независимо), особенности микроархитектуры (например, HT отсутствовал в Intel® Core™ Duo, но был возвращён с выпуском Nehalem) и события при работе системы (многопроцессорные сервера могут выключать отказавшие процессоры в случае обнаружения неисправностей и продолжать «лететь» на оставшихся). Каким образом этот многоуровневый зоопарк параллелизма виден операционной системе и, в конечном счёте, прикладным приложениям?

Далее для удобства обозначим количества процессоров, ядер и потоков в некоторой системе тройкой (x, y, z), где x — это число процессоров, y — число ядер в каждом процессоре, а z — число гиперпотоков в каждом ядре. Далее я буду называть эту тройку топологией — устоявшийся термин, мало что имеющий с разделом математики. Произведение p = xyz определяет число сущностей, именуемых логическими процессорами системы. Оно определяет полное число независимых контекстов прикладных процессов в системе с общей памятью, исполняющихся параллельно, которые операционная система вынуждена учитывать. Я говорю «вынуждена», потому что она не может управлять порядком исполнения двух процессов, находящихся на различных логических процессорах. Это относится в том числе к гиперпотокам: хотя они и работают «последовательно» на одном ядре, конкретный порядок диктуется аппаратурой и недоступен для наблюдения или управления программам.

Чаще всего операционная система прячет от конечных приложений особенности физической топологии системы, на которой она запущена. Например, три следующие топологии: (2, 1, 1), (1, 2, 1) и (1, 1, 2) — ОС будет представлять в виде двух логических процессоров, хотя первая из них имеет два процессора, вторая — два ядра, а третья — всего лишь два потока.

Windows Task Manager показывает 8 логических процессоров; но сколько это в процессорах, ядрах и гиперпотоках?

Linux top показывает 4 логических процессора.

Это довольно удобно для создателей прикладных приложений — им не приходится иметь дело с зачастую несущественными для них особенностями аппаратуры.

Программное определение топологии

Конечно, абстрагирование топологии в единственное число логических процессоров в ряде случаев создаёт достаточно оснований для путаницы и недоразумений (в жарких Интернет-спорах). Вычислительные приложения, желающие выжать из железа максимум производительности, требуют детального контроля над тем, где будут размещены их потоки: поближе друг к другу на соседних гиперпотоках или же наоборот, подальше на разных процессорах. Скорость коммуникаций между логическими процессорами в составе одного ядра или процессора значительно выше, чем скорость передачи данных между процессорами. Возможность неоднородности в организации оперативной памяти также усложняет картину.

Информация о топологии системы в целом, а также положении каждого логического процессора в IA-32 доступна с помощью инструкции CPUID. С момента появления первых многопроцессорных систем схема идентификации логических процессоров несколько раз расширялась. К настоящему моменту её части содержатся в листах 1, 4 и 11 CPUID. Какой из листов следует смотреть, можно определить из следующей блок-схемы, взятой из статьи [2]:

Я не буду здесь утомлять всеми подробностями отдельных частей этого алгоритма. Если возникнет интерес, то этому можно посвятить следующую часть этой статьи. Отошлю интересующегося читателя к [2], в которой этот вопрос разбирается максимально подробно. Здесь же я сначала кратко опишу, что такое APIC и как он связан с топологией. Затем рассмотрим работу с листом 0xB (одиннадцать в десятичном счислении), который на настоящий момент является последним словом в «апикостроении».

APIC ID

Local APIC (advanced programmable interrupt controller) — это устройство (ныне входящее в состав процессора), отвечающее за работу с прерываниями, приходящими к конкретному логическому процессору. Свой собственный APIC есть у каждого логического процессора. И каждый из них в системе должен иметь уникальное значение APIC ID. Это число используется контроллерами прерываний для адресации при доставке сообщений, а всеми остальными (например, операционной системой) — для идентификации логических процессоров. Спецификация на этот контроллер прерываний эволюционировала, пройдя от микросхемы Intel 8259 PIC через Dual PIC, APIC и xAPIC к x2APIC .

В настоящий момент ширина числа, хранящегося в APIC ID, достигла полных 32 бит, хотя в прошлом оно было ограничено 16, а ещё раньше — только 8 битами. Нынче остатки старых дней раскиданы по всему CPUID, однако в CPUID.0xB.EDX[31:0] возвращаются все 32 бита APIC ID. На каждом логическом процессоре, независимо исполняющем инструкцию CPUID, возвращаться будет своё значение.

Выяснение родственных связей

Значение APIC ID само по себе ничего не говорит о топологии. Чтобы узнать, какие два логических процессора находятся внутри одного физического (т.е. являются «братьями» гипертредами), какие два — внутри одного процессора, а какие оказались и вовсе в разных процессорах, надо сравнить их значения APIC ID. В зависимости от степени родства некоторые их биты будут совпадать. Эта информация содержится в подлистьях CPUID.0xB, которые кодируются с помощью операнда в ECX. Каждый из них описывает положение битового поля одного из уровней топологии в EAX[5:0] (точнее, число бит, которые нужно сдвинуть в APIC ID вправо, чтобы убрать нижние уровни топологии), а также тип этого уровня — гиперпоток, ядро или процессор, — в ECX[15:8].

У логических процессоров, находящихся внутри одного ядра, будут совпадать все биты APIC ID, кроме принадлежащих полю SMT. Для логических процессоров, находящихся в одном процессоре, — все биты, кроме полей Core и SMT. Поскольку число подлистов у CPUID.0xB может расти, данная схема позволит поддержать описание топологий и с бóльшим числом уровней, если в будущем возникнет необходимость. Более того, можно будет ввести промежуточные уровни между уже существующими.

Важное следствие из организации данной схемы заключается в том, что в наборе всех APIC ID всех логических процессоров системы могут быть «дыры», т.е. они не будут идти последовательно. Например, во многоядерном процессоре с выключенным HT все APIC ID могут оказаться чётными, так как младший бит, отвечающий за кодирование номера гиперпотока, будет всегда нулевым.

Отмечу, что CPUID.0xB — не единственный источник информации о логических процессорах, доступный операционной системе. Список всех процессоров, доступный ей, вместе с их значениями APIC ID, кодируется в таблице MADT ACPI [3, 4].

Операционные системы и топология

Операционные системы предоставляют информацию о топологии логических процессоров приложениям с помощью своих собственных интерфейсов.

В Linux информация о топологии содержится в псевдофайле /proc/cpuinfo , а также выводе команды dmidecode . В примере ниже я фильтрую содержимое cpuinfo на некоторой четырёхядерной системе без HT, оставляя только записи, относящиеся к топологии:

Скрытый текст

ggg@shadowbox:~$ cat /proc/cpuinfo |grep 'processor\|physical\ id\|siblings\|core\|cores\|apicid' processor : 0 physical id : 0 siblings : 4 core id : 0 cpu cores : 2 apicid : 0 initial apicid : 0 processor : 1 physical id : 0 siblings : 4 core id : 0 cpu cores : 2 apicid : 1 initial apicid : 1 processor : 2 physical id : 0 siblings : 4 core id : 1 cpu cores : 2 apicid : 2 initial apicid : 2 processor : 3 physical id : 0 siblings : 4 core id : 1 cpu cores : 2 apicid : 3 initial apicid : 3 

В FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:

Скрытый текст

user@host:~$ sysctl kern.sched.topology_spec kern.sched.topology_spec:  0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7  0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7  0, 1 THREAD groupSMT group  2, 3 THREAD groupSMT group  4, 5 THREAD groupSMT group  6, 7 THREAD groupSMT group       

В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.

Скрытый текст

Также их предоставляет консольная утилита Sysinternals Coreinfo и API вызов GetLogicalProcessorInformation.

Полная картина

Проиллюстрирую ещё раз отношения между понятиями «процессор», «ядро», «гиперпоток» и «логический процессор» на нескольких примерах.

Система (2, 2, 2)

Система (2, 4, 1)

Система (4, 1, 1)

Прочие вопросы

В этот раздел я вынес некоторые курьёзы, возникающие из-за многоуровневой организации логических процессоров.

Кэши

Как я уже упоминал, кэши в процессоре тоже образуют иерархию, и она довольно сильно связано с топологией ядер, однако не определяется ей однозначно. Для определения того, какие кэши для каких логических процессоров общие, а какие нет, используется вывод CPUID.4 и её подлистов.

Лицензирование

Некоторые программные продукты поставляются числом лицензий, определяемых количеством процессоров в системе, на которой они будут использоваться. Другие — числом ядер в системе. Наконец, для определения числа лицензий число процессоров может умножаться на дробный «core factor», зависящий от типа процессора!

Виртуализация

Системы виртуализации, способные моделировать многоядерные системы, могут назначить виртуальным процессорам внутри машины произвольную топологию, не совпадающую с конфигурацией реальной аппаратуры. Так, внутри хозяйской системы (1, 2, 2) некоторые известные системы виртуализации по умолчанию выносят все логические процессоры на верхний уровень, т.е. создают конфигурацию (4, 1, 1). В сочетании с особенностями лицензирования, зависящими от топологии, это может порождать забавные эффекты.

Спасибо за внимание!

Литература

1. Intel Corporation. Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual. Volumes 1–3, 2014. www.intel.com/content/www/us/en/processors/architectures-software-developer-manuals.html
2. Shih Kuo. Intel® 64 Architecture Processor Topology Enumeration, 2012 — software.intel.com/en-us/articles/intel-64-architecture-processor-topology-enumeration
3. OSDevWiki. MADT. wiki.osdev.org/MADT
4. OSDevWiki. Detecting CPU Topology. wiki.osdev.org/Detecting_CPU_Topology_%2880×86%29

Что важнее: ядра или потоки?

Одна из важнейших характеристик современного процессора — количество ядер и потоков. Это непосредственно влияет на цену и производительность, поэтому нужно четко понимать преимущества и минусы конкретной модели процессора.

Большинство современных процессоров поддерживают многопоточность. У Intel технология многопоточных вычислений называется Hyper Threading (HT) у AMD — Simultaneous Multithreading (SMT). Если не вдаваться в технические подробности, ее суть в том, что система определяет одно физическое ядро процессора как два логических (виртуальных). На практике это позволяет загрузить физическое ядро процессора вторым потоком команд, если первый поток простаивает. То есть ядро используется более эффективно и выполняет больше работы.

Процессор с поддержкой HT или SMT всегда имеет в два раза больше потоков, чем ядер. Для краткости это может обозначаться следующим способом: 4C/8T (от английского cores — ядра, threads — потоки).

В продаже есть множество моделей с разным количеством ядер и потоков, поэтому нужно разобраться, что лучше и какой процессор выбрать. Особенно это важно, когда нужно выбрать процессор на замену. Информация в статье актуальна для процессоров Ryzen и Intel Core начиная с шестого поколения.

Одинаковое число ядер

Пример: Ryzen 5 3500 — 6 ядер / 6 потоков, Ryzen 5 3600 — 6 ядер / 12 потоков

Если сравнивать процессоры с одинаковым количеством ядер, но разным количеством потоков, то все очевидно. При прочих равных условиях будет лучше процессор с большим количеством потоков. Это не всегда дает существенное преимущество, так как нужна еще оптимизация и поддержка со стороны программного обеспечения. Однако в совместимых программах производительность будет выше.

Переплата не всегда оправдана. Процессоры Ryzen 5 3500 и Ryzen 5 3600 имеют по шесть ядер, но отличаются объемом кэша и поддержкой SMT. Разница между ними составляет примерно 3500 рублей, а между обычным R5 3500 и R5 3600X около 5500 рублей. При этом все эти процессоры можно разогнать, а разница в некоторых играх практически не видна. Другое дело, если нужен профессиональный софт, например, для монтажа видео. Там многопоточность лишней не будет точно.

Также стоит отметить, что запаса на будущее больше у многопоточного процессора. При условии, что используемое программное обеспечение эффективно работает с потоками.

Одинаковое число потоков

Пример: Core i7−7700K — 4 ядра / 8 потоков, Core i7−9700K — 8 ядер / 8 потоков

В этой ситуации предпочтительнее будет процессор с восемью полноценными ядрами, даже если не брать во внимание разницу в поколениях. Ведь физические ядра мощнее чем виртуальные.

Если смотреть со стороны поддержки софта, то большее количество физических ядер беспроблемнее. К примеру, в ранних версиях Cyberpunk 2077 технология SMT не использовалась. То есть пользователи многопоточных процессоров AMD не получали преимущества.

Разное число ядер и потоков

Пример: Core i7−7700K — 4 ядра / 8 потоков, Core i5−9600K — 6 ядер / 6 потоков

Сложнее дело обстоит, когда нужно сравнить процессоры с разным количеством ядер и потоков. В линейке процессоров Intel и AMD есть модели как с HT и SMT, так и без них. К примеру, Intel Core i7−7700K имеет четыре ядра и восемь потоков, в то время как у Intel Core i5−9600K на два ядра больше, но потоков всего шесть. Сложно сказать навскидку, что лучше, так как в первом случае процессор имеет большее число потоков, а во втором — физических ядер.

В этом случае важно понимать, что значение имеют не только количество ядер и потоков, но и другие характеристики процессора и системы: объем кэша, архитектура, контроллер памяти и т. п. При различных сценариях использования это может как не влиять вовсе, так и быть решающим фактором. Процессоры разного поколения могут существенно отличаться по производительности, поэтому при непосредственном сравнении преимущество, скорее всего, будет у более нового процессора.

Когда речь идет о сборке ПК с нуля, то в большинстве случаев будет предпочтительнее взять более новый процессор. Однако если нужно оценить перспективы апгрейда с более старого процессора, то лучше смотреть прямые сравнения. В нашем случае по видео видно, что у шестиядерного процессора загрузка бывает чуть выше, но производительность сильно не отличается. Стоит ли в этом случае менять Core i7−7700K на Core i5−9600K, вопрос очень спорный.

Такая же ситуация повторяется и с более новым Core i3−10100, который также имеет четыре ядра и восемь потоков. В сравнении с Core i5−9400 он показывает примерно равную производительность.

Как не ошибиться при выборе

При выборе процессора нужно обязательно уточнять количество потоков. В описании товара интернет-магазины, как правило, не указывают количество потоков, ограничиваясь только физическими ядрами. Здесь нет неточности или уловки, но чтобы узнать количество потоков, нужно смотреть подробные характеристики.

Производители не придерживаются какой-то определенной схемы. Разные поколения процессоров Intel могут как поддерживать HT, так и нет. К примеру, Intel Core i5−9400 не поддерживает HT, но Intel Core i5−10400 уже поддерживает.