Ядра или потоки: выясняем что важнее для процессора
В спецификации каждого процессора обязательно присутствует информация о количестве ядер и потоков. Правила «чем больше, тем лучше», в этой ситуации никто не отменял, но давайте выясним, в каких задачах виртуальные ядра способны дать ощутимый прирост производительности, а в каких останутся бесполезными.
Зачем процессору несколько ядер?
Вот поэтому процессор – это мозговой центр каждого компьютера, отвечающий за его вычислительные способности и скорость работы.
Первые процессоры были едиными устройствами, которые принимали команды и выполняли их в строгой очередности. Одно ядро позволяло выбирать процессор при покупке только по показателям частоты. А недостаток производительности на первых порах компенсировали созданием двух- и многопроцессорных конфигураций. В таких сборках команды пользователя на ввод обрабатывал первый процессор, а остальные операции по возможности равномерно распределялись между остальными. Для сборки таких систем использовались двухпроцессорные платы или конфигурации на несколько сокетов.
Следующим шагом производители создали многоядерную архитектуру, позволяющую на площади, казалось бы, небольшого микрочипа размещать несколько вычислительных центров, которые по сути являлись самостоятельными процессорами. Так в продаже появились двух-, четырех- и восьмиядерные устройства, которые обрабатывали сразу несколько потоков информации.
Позже корпорация Intel в линейке процессоров Pentium внедрила техническую возможность выполнения одним ядром двух команд за такт, что стало началом новой эпохи в компьютерных технологиях – гиперпоточности процессоров. А сейчас специалисты компании активно работают над новой технологией реализации четырех потоков на одном ядре, и уже в ближайшее время подобные процессоры будут представлены публике.
Чем отличаются ядра и потоки
Ядро – это самостоятельный вычислительный блок в архитектуре процессора, способный выполнять линейную последовательность задач за определенный период времени. Если нагрузить одно ядро несколькими последовательностями задач, то оно будет попеременно переключаться между ними, обрабатывая по одной задаче из каждого потока. В масштабах системы это приводит к замедлению работы программ и сервисов.
Поток – это программно выделенная область в физическом ядре процессора. Такая виртуальная реализация позволяет разделять ресурсы ядра и работать параллельно с двумя разными последовательностями команд. Таким образом операционная система воспринимает поток, как отдельный вычислительный центр, следовательно, ресурс ядра используется более рационально, и скорость вычислений увеличивается.
Стоит ли ожидать удвоения производительности?
Виртуальное разделение вычислительной мощности процессора на потоки называется гиперпоточностью. На практике это не физическое увеличение количества ядер, следовательно, и вычислительный потенциал процессора остается постоянным.
Гиперпоточность – это инструмент, позволяющий процессору более оперативно выполнять команды операционной системы и распределять вычислительный ресурс.
Таким образом, удвоенное количество потоков по отношению к ядрам способно повысить эффективность процессора за счет одновременного выполнения нескольких задач каждым ядром. Но прирост, даже по заверениям лидера рынка в производстве процессоров Intel будет находиться в пределах 30%.
А вот об увеличении энергопотребления и чрезмерном нагреве волноваться не стоит. Так как виртуальное разделение выполнено на производстве, то компанией просчитаны все рабочие параметры, такие как мощность и TDP, указанные в спецификации.
Что выбирать: ядра или потоки?
Поскольку ядра – это физические «мозговые центры», занимающиеся вычислениями, то за общую производительность центрального процессора отвечают именно они. Поэтому количеством ядер, ну и еще частотой процессора определяется его производительность.
Но и количество потоков также заслуживает внимания. Разберем на примере:
Двухъядерный процессор с двумя потокам нагружается операционной системой четырьмя параллельными последовательностями команд, например, от открытых игр и программ. Команды так и останутся в четырех «очередях», и ядра будут попеременно производить вычисления из каждой. При этом производительность ядра зачастую избыточна для обработки одной команды. Поэтому часть вычислительного потенциала ядра, а значит и процессора останется в резерве.
Если же взять аналогичный процессор с двумя ядрами, но уже на четыре потока, то все четыре очереди будут задействованы одновременно, по максимуму загружая ядра. Следовательно, задачи будут решены быстрее, а простоя вычислительных мощностей удастся избежать.
На практике это дает нам возможность одновременно запускать несколько программ: работать с документами, слушать музыку, общаться в мессенджерах и выполнять поиск в браузере. При этом программы будут работать эффективно, быстро, без торможений и зависаний.
Таким образом, чем больше ядер будет в процессоре, тем выше его производительность и скорость выполнения различных задач. А удвоенное количество потоков позволяет повысить эффективность процессора и задействовать его технический потенциал на полную.
В заключении интересное видео от компании Intel о том, как они создают микрочипы.
Вступление
За время работы системный администратором мне не раз приходилось слышать от сотрудников нашего офиса вопросы, которые заставляли меня окунуться в «чертоги разума» или применить дедуктивные навыки, чтобы понять, о чем вообще идёт речь.
И один из таких вопросов «мой процессор перестал включаться» или его другая версия «я что-то нажал и мой процессор отключился».
В это статье я хочу внести немного ясности и рассказать всем, что это вообще такое процессор и почему его не стоит путать с другими компонентами компьютера.
Что такое процессор (CPU)?
Процессор, что это вообще такое? Зачем он нужен? За какие задачи он отвечает?
Без преувеличения, процессор можно назвать мозгом (или сердцем, это кому как больше нравится) любого компьютера, мобильного устройства или другого периферийного устройства. Да-да, слово процессор применимо не только к вашему системному блоку, но и планшету, смарт-холодильнику, игровой приставке, фотоаппарату и другой электронике.
Внешне процессор выглядит как квадратный (или прямоугольный) элемент или плата, в нижней части которой располагается контактная группа для подключения, в вверху находится сам кристалл процессора, который сокрыт под металлической крышкой, чтобы исключить возможность повреждения хрупкого кристалла процессора, а также крышка помогает при отводе тепла с поверхности кристалла на радиатор системы охлаждения.
Кристалл процессора состоит из кремния. Если точнее, полупроводники, из которых состоит процессор, производятся из кремния. На кремневой пластине кристалла в несколько слоёв располагается несколько триллиардов транзисторов (размер которых составляет порядка
10 нм в зависимости от используемого техпроцесса при производстве), которые отвечают за все логические операции процессора.
Впоследствии производители процессоров научились располагать на печатной плате, помимо самого кристалла процессора, кристалл видеоядра (видеокарты), что позволило исключить необходимость в отдельной дискретной видеокарте для вывода изображения на монитор.
Подводя итог этого блока статьи и что бы дать простой ответ на такой сложный вопрос «Что такое процессор (CPU)» — процессор это сердце любого современного устройства, которое выполняет все основные операции, будь то простое сложение 2+2, набор текста в Microsoft Word или расчет физической модели в Blender.
История появления процессоров
Теперь, когда всё стало немного понятнее и слово процессор у вас не ассоциируется с системным блоком, давайте совершим небольшой экскурс в историю и посмотрим, как появились процессоры и что вообще способствовало их появлению.
Первые ЭВМ (электронно-вычислительные машины) появились в 40-х годах прошлого века. Изначально в их основе использовались лампы и примитивные радиоэлементы по типу резисторов и реле. Размер таких ЭВМ мог достигать нескольких квадратных метров.
На фотографии изображена первая ЭВМ — ENIAC. Ее вес составлял порядка 30 тон, и внутри располагалось 18000 электронных ламп.
Но прогресс не стоит на месте, и в 50-х годах громоздкие электронные лампы сменили транзисторы, которые, в свою очередь, в 60-х годах были вытеснены интегральными микросхемами, которые вмещали в себя уже тысячи таких транзисторов.
Всё изменилось в 1971 году, когда компания Intel представила первую 4-битную однокристальную микросхему Intel 4004. Именно Intel 4004 можно считать первым прародителем процессоров, нежели более ранние прототипы по типу электронных ламп и транзисторов. После Intel 4004 индустрия развития стала шагать семимильными шагами, и каждый год инженерам и конструкторам удавалось разработать более современный микропроцессор, который был мощнее и производительней своего приемника.
В 1993 году компанией Intel был представлен первый полноценный десктоп процессор первого поколения P5, который впоследствии был переименован в Pentium.
Но не стоит полагать, что двигателем прогресса была только компания Intel, свой вклад в индустрию электроники и центральных процессоров внесли такие компании, как Motorola, Zilog, MOS Technology, Sinclair Research (ZX Spectrum). СССР тоже не отставали, и в 70-х годах Российские разработки в области ЭВМ вполне могли потягаться с зарубежными аналогами. Но в силу того, что СССР перенаправила силы из этой области в другие отраслевые технологии, было принято решение отказаться от собственного производства и впоследствии использовать сертифицированные импортные технологии.
Основные характеристики процессоров
Хорошо. Теперь, когда мы знаем, что такое процессор и его краткую историю появления, нам нужно расставить все точки над i и разобрать еще одну не менее важную составляющую процессоров — характеристики и за что они вообще отвечают.
Производитель
Очень трудно говорить, кто лучше или процессор какого производителя вам стоит выбрать. Всё зависит от конкретных потребностей и ряда задач, которые будут выполняться на данном процессоре. Внести немного ясности в процесс выбора как производителя, так и процессора должна наша статья «Какой процессор лучше: AMD или Intel?»
Сокет (Socket)
Тактовая частота
В качестве примера: центральный процессор с тактовой частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион тактов (операций) в секунду.
У процессоров существует параметр как базовой частоты, так и турбочастоты.
Базовая частота подразумевает частоту, с которой центральный процессор готов обрабатывать операций в стандартном режиме или при отсутствии интенсивной нагрузки. Если базовой частоты становиться недостаточно, автоматически включается интерсивный (турборежим) режим работы, в котором за счет повышения напряжения, центральный процессор поднимает свою тактовую частоту до заявленных, максимальных значений, что позволяет увеличить общую производительности и скорость обработки команд (тактов).
Количество ядер
Число потоков
В качестве примера: процессор Intel Core i3-4170 имеет 2 реальных физических ядра, каждое ядро способно обрабатывать команды в два потока, что при должной оптимизации со стороны программного обеспечения позволяет получить бюджетный аналог четырехъядерного процессора при наличии только двух физических ядер. К сожалению, не все модели процессоров имеют дополнительные потоки.
Кэш (L1, L2, L3)
Кэш-память не менее важный параметр при выборе процессора, чем все остальные. Кэш-память это область энергозависимого ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), в котором хранится информация, с которой центральный процессор работает в текущий момент или собирается работать в ближайшем будущем (или, возможно, уже отработал, но ему еще потребуется эта информация).
Использование кэш-памяти позволяет получить доступ к хранимой информации или командам мгновенно без участия в данном процессе оперативной памяти и связующей шины. Следовательно, чем больше кэш-памяти на различных уровнях имеет процессор, тем лучше.
Техпроцесс
Под словом «техпроцесс» следует понимать технологию, которая используется при производстве полупроводниковых элементов процессора. С уменьшением цифры техпроцесса уменьшается размер и толщина транзисторов, которые размещены в процессоре.
В качестве примера: AMD Ryzen 5 1600 имеет техпроцесс 12 нм, что, в свою очередь, означает, что размер используемых в нём транзисторов равен 12 нанометрам.
Тепловыделение (TDP)
В процессе работы процессор выделяет различное количество тепла. Чтобы исключить возможность перегрева, конструкторами был добавлен уникальный для каждого процессора параметр «тепловыделение (TDP)», с помощью которого можно рассчитать необходимое охлаждение для стабильной работы процессора.
Параметр «тепловыделение (TDP)» процессора означает, сколько ватт тепловой мощности выделяется при максимальной нагрузке на процессор. Например, заявленное тепловыделение AMD Ryzen 7 PRO 1700X равно 95 Вт, что означает, что вам потребуется охлаждение, которое сможет рассеять с поверхности процессора 95 Вт тепла.
Хоть многие и игнорируют этот параметр, но как минимум на него стоит обратить внимание и при выборе «горячего» процессора заложить в его стоимость соответствующий кулер, который сможет обеспечить должное охлаждение и поможет избежать чрезмерного нагрева и последующий переход в состояние троттлинга.
Разрядность процессора
Под определением разрядности следует понимать количество бит информации, которые центральный процессор может обрабатывать за один такт. Если размер данных за один цикл равен 1 байту, то процессор является восьмиразрядным (8 bit). В случае если размер данных составляет 2 байта, такой процессор будет считаться шестнадцатиразрядным (16 bit). Для тридцатидвухразрядного (32 bit) и шестидесяти четырех разрядного (64 bit) процессоров размер данных будет равен 4 и 8 байтам, соответственно.
Интегрированное графическое ядро
Конструкторы и разработчики процессоров научились умещать под защитной крышкой маленького процессора не только саму архитектуру процессора, но и отдельное графическое ядро, которое способно на аппаратном уровне имитировать внешнюю видеокарту.
И пусть интегрированное графическое ядро значительно уступает в производительности своим старшим братьям, внешним видеокартам, его производительности хватает, чтобы работать с большинством современных программ, к тому же такие интегрированные видеокарты вполне справляются с простыми и нетребовательными видеоиграми по типу Minecraft или Dota 2.
Стоит отметить, что не все модели процессоров имеют интегрированное графическое ядро, и если в ваш бюджет для сборки компьютера не входит покупка отдельной видеокарты, вам стоит обратить внимание на процессоры, которые имеют отдельное интегрированное графическое ядро, например AMD Athlon 3000G или Intel Celeron G5900.
Выбор процессора
Теперь, когда мы узнали все основы и четко понимаем, что такое тактовая частота и техпроцесс или почему количество ядер не стоит путать с количеством потоков, нам осталось выбрать подходящий центральный процессора для нашего компьютера.
К сожалению, здесь тоже всё не так просто.
Как не запутаться в таком обилии и разнообразии различных центральных процессоров и выбрать подходящий процессор именно вам? В этом сложном вопросе вам поможет наша статья «Как выбрать процессор для компьютера? Какой процессор лучше: AMD или Intel?», в которой мы постарались доходчиво разобрать все основные моменты, связанные с выбором центрального процессора.
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).
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
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
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 FreeBSD топология сообщается через механизм sysctl в переменной kern.sched.topology_spec в виде XML:
В MS Windows 8 сведения о топологии можно увидеть в диспетчере задач Task Manager.
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.
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.
