что такое hyper threading в биосе
Еще раз о Hyper-Threading
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.
Что такое Hyper Threading? Как включить поддержку в BIOS?
Пользователи, которые хоть раз занимались настройкой BIOS, уже вероятно замечали, что там встречается непонятный многим параметр Intel Hyper Threading. Многие не знают, что это за технология и с какой целью она используется. Попробуем разобраться, что собой представляет Hyper Threading и как можно включить использование этой поддержки. Также постараемся разобраться, какие преимущества для работы компьютера дает данная настройка. Здесь в принципе нет ничего сложного для понимания.
Intel Hyper Threading: что это такое?
Если не лезть глубоко в дебри компьютерной терминологии, а выражаться простым языком, то данная технология была разработана для того, чтобы увеличить поток команд, обрабатываемых одновременно центральным процессором. Современные процессорные чипы, как правило, используют имеющиеся вычислительные возможности всего на 70%. Остальное остается, так сказать, про запас. Что же касается обработки потока данных, то в большинстве случаев используется всего один поток, несмотря на то, что в системе применяется многоядерный процессор.
Основные принципы работы
Для того чтобы увеличить возможности центрального процессора, была разработана специальная технология Hyper Threading. Данная технология позволяет легко разбивать один поток команд на два. Также существует возможность добавлять второй поток к уже имеющемуся. Только такой поток является виртуальным и не работает на физическом уровне. Такой подход позволяет существенно увеличить производительность процессора. Вся система, соответственно, начинает работать быстрее. Прирост производительности центрального процессора может достаточно сильно колебаться. Об этом речь еще пойдет отдельно. Однако сами разработчики технологии Hyper Threading утверждают, что до полноценного ядра она не дотягивает. В некоторых случаях использование данной технологии является оправданным на все сто. Если знать суть процессоров Hyper Threading, то результат не заставит долго ждать.
Историческая справка
Окунемся немного в историю данной разработки. Поддержка Hyper Threading впервые появилась только в процессорах Intel Pentium 4. Позже реализация данной технологии была продолжена в серии Intel Core iX (X здесь обозначает серии процессоров). Стоит отметить, что в линейке процессорных чипов Core 2 она по какой-то причине отсутствует. Правда, тогда прирост производительности был довольно слабым: где-то на уровне 15-20%. Это говорило о том, что процессор не обладал необходимой вычислительной мощностью, а созданная технология практически обогнала свое время. Сегодня поддержка технологии Hyper Threading имеется уже практически во всех современных чипах. Для увеличения мощности центрального процессора сам процесс использует всего 5% поверхности кристалла, оставляя при этом место для обработки команд и данных.
Вопрос конфликтов и производительности
Все это конечно хорошо, но при обработке данных в некоторых случаях может наблюдаться замедление работы. Это по большей части связано с так называемым модулем предсказания ветвления и недостаточным объемом кэша, когда осуществляется его постоянная перезагрузка. Если же говорить об основном модуле, то в данном случае ситуация складывается так, что в некоторых случаях первый поток может потребовать данные из второго, которые могут в этот момент оказаться не обработаны или находятся в очереди на обработку. Также не менее распространенными являются ситуации, когда ядро центрального процессора имеет очень серьезную нагрузку, а основной модуль несмотря на это, продолжает посылать не него данные. Некоторые программы и приложения, например, ресурсоемкие онлайн-игры, могут серьезно притормаживать только по тому, что в них отсутствует оптимизация под применение технологии Hyper Threading. Что же получается с играми? Пользовательская компьютерная система со своей стороны пытается оптимизировать потоки данных из приложения на сервере. Проблема в том, что игра не умеет самостоятельно распределять потоки данных, сваливая все в одну кучу. По большому счету, она может быть просто не рассчитана на это. Иногда в двухядерных процессорах рост производительности получается существенно выше, чем в 4-ядерных. Просто у последних не хватает вычислительной мощности.
Как включить Hyper Threading в BIOS?
Мы уже немного разобрались с тем, что собой представляет технология Hyper Threading, и познакомились с историей ее развития. Мы вплотную подобрались к пониманию того, что собой представляет технология Hyper Threading. Как активировать данную технологию для использования в работе процессора? Здесь все делается достаточно просто. Необходимо использовать подсистему управления BIOS. Вход в подсистему осуществляется при использовании клавиш Del, F1, F2, F3, F8, F12, F2+Del и т.д. Если вы используете ноутбук Sony Vaio, то для них предусмотрен специфичный вход при использовании специализированной клавиши ASSIST. В настройках BIOS, если используемый вами процессор поддерживает технологию Hyper Threading, должна иметься специальная строка настройка. В большинстве случаев она выглядит как Hyper Threading Technology, а иногда – как Function. В зависимости от разработчика подсистемы и версии BIOS, настройка данного параметра может содержаться либо в главном меню, либо в расширенных настройках. Чтобы задействовать данную технологию, необходимо войти в меню параметров и установить значение на Enabled. После этого необходимо сохранить выполненные изменения и осуществить перезагрузку системы.
Чем полезна технология Hyper Threading?
В заключение хотелось бы говорить о преимуществах, которые дает использование технологии Hyper Threading. Для чего все это нужно? Зачем необходимо увеличить мощность процессора при обработке информации? Тем пользователям, которые работают с ресурсоемкими приложениями и программами, ничего объяснять не нужно. Многие наверняка знают, что графические, математические, проектировочные пакеты программ в процессе работы требуют очень много системных ресурсов. Из-за этого вся система нагружается настолько, что начинает жутко тормозить. Чтобы этого не происходило, рекомендуется активировать поддержку Hyper Threading.
Hyper-Threading Technology
Другие идентичные по назначению опции: Hyper-Threading Function, CPU Hyper-Threading.
Опция BIOS Hyper-Threading Technology позволяет включить или выключить в BIOS поддержку одноименной технологии Intel, применяющейся в современных процессорах и рассмотренной более детально нами в статье о влиянии технологии Hyper Threading на производительность ПК. Пользователь может выбрать всего два варианта опции – Enabled (Включить) или Disabled (Выключить).
Принцип работы
Технология Hyper-Threading была разработана компанией Intel в начале 2000-х гг. и впервые стала использоваться в процессорах линейки Pentium – сначала в процессорах серии Xeon, а затем в Pentium 4. Ее внедрение позволило повысить эффективность работы центрального процессора.
Суть технологии Hyper-Threading заключается в следующем. Как известно, функции центрального процессора заключаются в последовательной обработке ряда инструкций. Эта обработка осуществляется при помощи исполнительных устройств, входящих в состав ядра процессора. Однако часто бывает так, что в ходе выполнения инструкций ряд исполнительных устройств (до 70%, согласно данным Intel) простаивает. Чтобы уменьшить потери времени, связанные с ожиданием необходимых устройств, и была предложена идея задействовать простаивающие устройства в обработке параллельного набора инструкций. Технология Hyper-Threading позволила распределить инструкции, выполняемые процессором, на два потока и повысить эффективность обработки инструкций при помощи исполнительных устройств.
Благодаря этому нововведению процессор был разделен на так называемые «логические» ядра, которые могут восприниматься операционной системой, как физические. Каждое логическое ядро имеет свои собственные контроллер прерываний APIC и набор регистров, однако остальные элементы ядра при этом остаются общими. Логические ядра процессора не дают столь же большого прироста производительности, как и физические, но все же он может составлять до 30 %, при увеличении общей площади микросхемы процессора всего лишь на 5%.
Правда, стоит отметить, что производительность процессора с поддержкой Hyper-Threading при работе в разных приложениях может значительно различаться. В основном значительное повышение эффективности работы процессора может наблюдаться в мультимедиа-приложениях, программах трехмерного моделирования и во многих играх. Но есть также и приложения, в которых увеличение производительности почти незаметно. Иногда, хотя и достаточно редко, встречается даже замедление работы процессора при использовании технологии.
Для работы технологии Hyper-Threading требуется не только ее поддержка со стороны процессора, но также и поддержка со стороны программного обеспечения, в том числе и операционных систем. Поддержка технологии в ограниченном объеме появилась в Windows 2000, а в последующих ОС Windows она была реализована в полном объеме.
Кроме того, необходимо, чтобы поддержка технологии была включена в BIOS. Для этой цели в BIOS многих производителей и существует опция Hyper-Threading Technology. Выбор варианта Enabled позволяет пользователю включить поддержку технологии, а Disabled – выключить. Иногда данная опция может носить название Hyper-Threading Function или CPU Hyper-Threading.
Стоит ли включать?
Ответ на этот вопрос зависит, прежде всего, от того, какая операционная система установлена на вашем компьютере. Если это Windows 2000, XP, Vista, 7 и 8, то есть, ОС, поддерживающая технологию Hyper-Threading, то опцию необходимо включить, чтобы ОС поддерживала бы возможности, предоставляемые Hyper-Threading. Если же у вас установлена более ранняя операционная система, не поддерживающая технологию, то ее поддержку в BIOS стоит выключить.
Следует обратить внимание на то, что необходимое значение опции следует устанавливать в BIOS до начала установки операционной системы. Поскольку в Windows 2000 встроена лишь ограниченная поддержка технологии, то многие программы, использующие Hyper-Threading, в этой ОС могут работать с ошибками. Если такое происходит, то поддержку технологии в BIOS также лучше всего выключить.
Как Hyper Threading влияет на производительность компьютера
Если вы внимательно просматривали содержимое BIOS Setup, то вы вполне могли заметить там опцию CPU Hyper Threading Technology. И возможно, задавались вопросом, что же такое Hyper Threading(Сверехпоточность или гиперпоточность, официальное название — Hyper Threading Technology, HTT), и для чего нужна данная опция.
Hyper Threading – это сравнительно новая технология, разработанная компанией Intel для процессоров архитектуры Pentium. Как показала практика, использование технологии Hyper Threading позволило во многих случаях увеличить производительность CPU приблизительно на 20-30%.
Зачем разработчикам процессоров потребовалась технология
Тут нужно вспомнить, как же вообще работает центральный процессор компьютера. Стоит вам включить компьютер и запустить на нем какую-либо программу, как CPU начинает читать содержащиеся в ней инструкции, записанные в так называемом машинном коде. Он поочередно читает каждую инструкцию и выполняет их одну за другой.
Однако многие программы имеют сразу несколько одновременно выполняющихся программных процессов. Кроме того, современные операционные системы позволяют пользователю иметь сразу несколько запущенных программ. И не просто позволяют – на самом деле, ситуация, когда в операционной системе выполняется один-единственный процесс, на сегодняшний день совершенно немыслима. Поэтому процессоры, разработанные по старым технологиям, имели низкую производительность в тех случаях, когда требовалось обрабатывать сразу несколько одновременных процессов.
Разумеется, для того чтобы решить эту проблему, можно включить в состав системы сразу несколько процессоров или процессоров, использующих несколько физических вычислительных ядер. Но такое усовершенствование получается дорогим, технически сложным и не всегда эффективным с практической точки зрения.
История разработки
Поэтому было принято решение создать такую технологию, которая позволяла бы обрабатывать несколько процессов на одном физическом ядре. При этом для программ дело будет внешне выглядеть так, как будто в системе существует сразу несколько процессорных ядер.
Поддержка технологии Hyper Threading впервые появилась в процессорах в 2002 году. Это были процессоры семейства Pentium 4 и серверные процессоры Xeon с тактовой частотой выше 2 ГГц. Первоначально технология носила кодовое название Jackson, но потом ее название сменилось на более понятное для широкой публики Hyper Threading – что можно перевести примерно как «сверхпоточность».
При этом, по утверждению Intel, поверхность кристалла процессора, поддерживающего Hyper Threading, увеличилась по сравнению с предшествующей моделью, ее не поддерживающей, всего на 5% при увеличении производительности в среднем на 20%.
Несмотря на то, что технология в целом хорошо себя зарекомендовала, тем не менее, по ряду причин корпорация Intel решила отключить технологию Hyper Threading в сменивших Pentium 4 процессорах семейства Core 2. Hyper Threading, однако, позже снова появилась в процессорах архитектур Sandy Bridge, Ivy Bridge и Haswell, будучи в них существенно переработанной.
Суть технологии
Понимание технологии Hyper Threading важно, поскольку она является одной из ключевых функций в процессорах Intel.
Несмотря на все успехи, которые были достигнуты процессорами, у них есть один существенный недостаток – они могут исполнять лишь одну инструкцию одновременно. Допустим, что вы запустили одновременно такие приложения, как текстовый редактор, браузер и Skype. С точки зрения пользователя, это программное окружение можно назвать многозадачным, однако, с точки зрения процессора это далеко не так. Ядро процессора будет выполнять по-прежнему одну инструкцию за определенный промежуток времени. При этом в задачу процессора входит распределение ресурсов процессорного времени между отдельными приложениями. Поскольку это последовательное выполнение инструкций происходит чрезвычайно быстро, вы этого не замечаете. И вам кажется, что никакой задержки не существует.
Но задержка все-таки есть. Задержка появляется из-за способа снабжения процессора данными каждой из программ. Каждый поток данных должен поступать в определенное время и обрабатываться процессором индивидуально. Технология Hyper Threading делает возможным каждому ядру процессора планировать обработку данных и распределять ресурсы одновременно для двух потоков.
Следует отметить, что в ядре современных процессоров существует сразу несколько так называемых исполнительных устройств, каждое из которых предназначено для выполнения определенной операции над данными. При этом некоторая часть этих исполнительных устройств во время обработки данных одного потока может простаивать.
Чтобы понять эту ситуацию, можно привести аналогию с рабочими, работающими в сборочном цехе на конвейере и обрабатывающими разнотипные детали. Каждый рабочий снабжен определенным инструментом, предназначенным для выполнения какой-либо задачи. Однако если детали поступают в неправильной последовательности, то случаются задержки – потому, что часть рабочих ждет своей очереди, чтобы начать работу. Hyper Threading можно сравнить с дополнительной лентой конвейера, которую проложили в цехе для того, чтобы простаивающие раньше рабочие выполняли бы свои операции независимо от других. Цех по-прежнему остался один, но детали обрабатываются более быстро и эффективно, поэтому сокращается время простоя. Таким образом, Hyper Threading позволила включить в работу те исполнительные устройства процессора, которые простаивали во время выполнения инструкций из одного потока.
Стоит вам включить компьютер с двуядерным процессором, поддерживающим Hyper Threading и открыть Windows Task Manager (Диспетчер задач) на вкладке Performance (Быстродействие), как вы обнаружите в нем четыре графика. Но это отнюдь не означает, что на самом деле у вас 4 ядра процессора.
Это происходит потому, что Windows считает, что у каждого ядра есть по два логических процессора. Термин «логический процессор» звучит забавно, но он означает процессор, которого физически не существует. Windows может посылать потоки данных к каждому логическому процессору, но на самом деле выполняет работу только одно ядро. Поэтому одно ядро с технологией Hyper Threading существенно отличается от раздельных физических ядер.
Для работы технологии Hyper Threading требуется ее поддержка со стороны следующих аппаратных и программных средств:
Преимущества технологии
Теперь рассмотрим следующий вопрос – насколько все же технология Hyper Threading увеличивает производительность компьютера? В повседневных задачах, таких, как Интернет-серфинг и набор текстов, преимущества технологии не столь очевидны. Однако следует иметь в виду, что сегодняшние процессоры настолько мощны, что повседневные задачи редко загружают процессор полностью. Кроме того, многое зависит еще и от того, как написано программное обеспечение. У вас может быть запущено сразу несколько программ, однако, посмотрев на график загрузки, вы увидите, что используется только один логический процессор на ядро. Это происходит потому, что программное обеспечение не поддерживает распределение процессов между ядрами.
Однако в более сложных задачах Hyper Threading может быть более полезной. Такие приложения, как программы для трехмерного моделирования, трехмерные игры, программы кодирования/декодирования музыки или видео и многие научные приложения написаны таким образом, чтобы максимально использовать многопоточность. Поэтому вы можете ощутить преимущества быстродействия компьютера с функцией Hyper Threading, играя в сложные игры, слушая музыку или просматривая фильмы. Повышение производительности может при этом достигать 30%, хотя могут случаться и такие ситуации, когда Hyper Threading не дает преимущества вовсе. Иногда, в том случае, если оба потока загружают все исполнительные устройства процессора одинаковыми заданиями, может даже наблюдаться и некоторое снижение производительности.
Возвращаясь к наличию в BIOS Setup соответствующей опции, позволяющей установить параметры Hyper Threading, то в большинстве случаев рекомендуется включить данную функцию. Впрочем, вы всегда сможете ее отключить, если окажется, что компьютер работает с ошибками или даже имеет меньшую производительность, чем вы ожидали.
Заключение
Поскольку максимальное повышение производительности при использовании Hyper Threading составляет 30%, то нельзя сказать, что технология эквивалентна удвоению количества ядер процессора. Тем не менее, Hyper Threading – это полезная опция, и вам, как владельцу компьютера, она не помешает. Ее преимущество особо заметно, например, в таких случаях, когда вы редактируете мультимедиа-файлы или используете компьютер в качестве рабочей станции для таких профессиональных программ, как Photoshop или Maya.