Оба типа процессоров работают с массивами данных. Оба они выполняют одни и те же команды, которые, например, попарно складывают элементы двух векторов. Однако если у матричного процессора столько же суммирующих устройств, сколько элементов в массиве, векторный процессор содержит векторный регистр, состоящий из набора условных регистров. Эти регистры загружаются из памяти единственной командой, которая фактически делает это последовательно. Команда сложения попарно складывает элементы двух таких векторов, загружая их из двух векторных регистров в суммирующее устройство с конвейерной структурой. В результате из суммирующего устройства выходит другой вектор, который либо помещается в векторный регистр, либо сразу используется в качестве операнда при выполнении другой операции с векторами.
Матричные процессоры в настоящее время не выпускаются, но принцип, на котором они основаны, по-прежнему актуален. Аналогичная идея применяется в наборах ММХ- и SSE-команд процессоров Pentium 4, и она успешно решает задачу ускоренного выполнения мультимедийных программ. В этом отношении компьютер ILLIAC IV можно считать одним из прародителей процессора
Pentium 4.
6.3 Внутрипроцессорная многопоточность
Для всех современных конвейеризованных процессоров характерна одна и та же проблема - если при запросе к памяти слово не обнаруживается в кэшах первого и второго уровней, на загрузку этого слова в кэш уходит длительное время, в течение которого конвейер простаивает. Одна из методик решения этой проблемы называется внутрипроцессорной многопоточностью (on-chip multithreading). Она позволяет процессору одновременно управлять несколькими программными потоками и тем самым маскировать простои. Вкратце принцип можно изложить так: если программный поток 1 блокируется, процессор может обеспечить полную загрузку аппаратуры, запустив программный поток 2.
Основополагающая идея проста, реализуется она разными способами. Первый из них, называемый мелкомодульной многопоточностью (fine-grained multithreading), применительно к процессору, способному вызывать одну команду за такт, иллюстрирует рисунок 6.2. На рисунке 6.2 а-в изображено три программных потока (А, В, С), соответствующих 12 машинным циклам. В ходе первого цикла поток А выполняет команду A1. Поскольку эта команда завершается за один цикл, при наступлении второго цикла запускается команда А2. Ее обращение в кэш первого уровня оказывается неудачным, поэтому до извлечения нужного слова из кэша второго уровня проходит два цикла. Исполнение потока продолжается в цикле 5. Как показано на рисунке, потоки В и С также регулярно простаивают. В рамках такого решения вызов последующей команды до завершения предыдущей не осуществляется. Точнее, при наличии сложного счетчика обращений в некоторых случаях это допустимо, но такую возможность мы для простоты исключаем.
При мелкомодульной многопоточности простой маскируется путем исполнения потоков "по кругу", то есть в смежных циклах запускаются разные потоки (рисунок 6.2 г). К моменту наступления цикла 4 обращение к памяти, инициированное командой A1, завершается, поэтому даже если команде A2 нужен результат команды A1, она запускается. В таком случае максимальная продолжительность простоя составляет два цикла, то есть при наличии трех программных потоков простаивающая операция все равно завершается вовремя. При простое в 4 цикла для беспрерывной работы понадобилось бы 4 программных потока, и т. д.
Поскольку разные программные потоки никак друг с другом не связаны, каждому из них нужен свой набор регистров. Он должен быть указан для каждой вызываемой команды, и тогда аппаратное обеспечение будет знать, к какому набору регистров при необходимости нужно обращаться. Следовательно, максимальное число одновременно исполняемых программных потоков определяется в период разработки микросхемы.
Обращениями к памяти причины простоя не ограничиваются. Иногда для исполнения следующей команды требуется результат предыдущей команды, который еще не вычислен. В других случаях команда вызвана быть не может, так как она следует за условным переходом, направление которого еще неизвестно. Общее правило формулируется так: если в конвейере k ступеней, но по кругу можно запустить, по меньшей мере, k программных потоков, то в одном потоке в любой отдельно взятый момент не может выполняться более одной команды, поэтому конфликты между ними исключены. В такой ситуации процессор может работать на полной скорости, без простоя.
Естественно, далеко не всегда число доступных потоков равно числу ступеней конвейера, поэтому некоторые разработчики предпочитают методику, называемую крупномодульной многопоточностью (coarse-grained multithreading), которую иллюстрирует рисунок 6.2, д. В данном случае программный поток А продолжает выполняться последовательно, вплоть до простоя. При этом теряется один цикл. Далее происходит переключение на первую команду программного потока B (B1). Так как эта команда сразу переходит в состояние простоя, в цикле 6 выполняется уже команда C1. Так как каждый раз при простое команды теряется один цикл, по своей эффективности крупномодульная многопоточность, казалось бы, уступает мелкомодульной, однако у нее есть одно существенное преимущество - за счет меньшего числа программных потоков значительно сокращается расход ресурсов процессора. При недостаточном количестве активных потоков эта методика оптимальна.
Судя по нашему описанию, при крупномодульной многопоточности просто выполняется переключение между потоками, однако это - не единственный предусматриваемый данной методикой вариант действий. Есть возможность немедленного переключения с команд, которые потенциально способны вызвать простой (например, загрузка, сохранение и переходы), без выяснения, действительно ли намечается простой. Эта стратегия позволяет переключаться раньше обычного (сразу после декодирования команды) и исключает бесконечные циклы. Иными словами, исполнение продолжается до того момента, пока не обнаружится возможность возникновения проблемы, после чего следует переключение. Такие частые переключения роднят крупномодульную многопоточность с мелкомодульной.
Вне зависимости от используемого варианта многопоточности, необходимо как-то отслеживать принадлежность каждой операции к тому или иному программному потоку. В рамках мелкомодульной многопоточности каждой операции присваивается идентификатор потока, поэтому при перемещениях по конвейеру ее принадлежность не вызывает сомнений. Крупномодульная многопоточность предусматривает возможность очистки конвейера перед запуском каждого последующего потока. В таком случае четко определяется идентичность потока, исполняемого в данный момент. Естественно, данная методика эффективна только в том случае, если паузы между переключениями значительно больше времени, необходимого для очистки конвейера.
Все сказанное относится к процессорам, способным вызывать не более одной команды за тактовый цикл. Однако мы знаем, что для современных процессоров это ограничение не актуально. Применительно к изображению на рисунке 6.3 мы допускаем, что процессор может вызывать по 2 команды за цикл, однако утверждение о невозможности запуска последующих команд в случае простоя предыдущей остается в силе. Рисунок 6.3, а иллюстрирует механизм мелкомодульной многопоточности в сдвоенном суперскалярном процессоре. Как видно, в потоке А первые две команды запускаются во время первого цикла, однако в потоке В во втором цикле запускается только одна команда.
В суперскалярных процессорах есть еще один способ организации многопоточности - так называемая синхронная многопоточность (simultaneous multithreading), которую иллюстрирует рисунок 6.3, в. Эта методика представляет собой усовершенствованный вариант крупномодульной многопоточности, где каждый программный поток может запускать по две команды за такт, однако в случае простоя с целью обеспечения полной загрузки процессора запускаются команды следующего потока. При синхронной многопоточности полностью загружаются все функциональные блоки. В случае невозможности запуска команды из-за занятости функционального блока выбирается команда из другого потока. На рисунке предполагается, что в цикле 11 простаивает команда B8, поэтому в цикле 12 запускается команда С7.
6.4 Многопоточность в Pentium 4
Разобравшись с теорией многопоточности, рассмотрим практический пример - Pentium 4. Уже на этапе разработки этого процессора инженеры Intel продолжали работу над повышением его быстродействия без внесения изменений в программный интерфейс. Рассматривалось пять простейших способов:
- повышение тактовой частоты;
- размещение на одной микросхеме двух процессоров;
- введение новых функциональных блоков;
- удлинение конвейера;
- использование многопоточности.
Самый очевидный способ повышения быстродействия заключается в том, чтобы повысить тактовую частоту, не меняя другие параметры. Как правило, каждая последующая модель процессора имеет несколько более высокую тактовую частоту, чем предыдущая. К сожалению, при прямолинейном повышении тактовой частоты разработчики сталкиваются с двумя проблемами: увеличением энергопотребления (что актуально для портативных компьютеров и других вычислительных устройств, работающих на аккумуляторах) и перегревом (что требует создания более эффективных теплоотводов).
Второй способ - размещение на микросхеме двух процессоров - сравнительно прост, но он сопряжен с удвоением площади, занимаемой микросхемой. Если каждый процессор снабжается собственной кэш-памятью, количество микросхем на пластине уменьшается вдвое, но это также означает удвоение затрат на производство. Если для обоих процессоров предусматривается общая кэш-память, значительного увеличения занимаемой площади удается избежать, однако в этом случае возникает другая проблема - объем кэш-памяти в пересчете на каждый процессор уменьшается вдвое, а это неизбежно сказывается на производительности. Кроме того, если профессиональные серверные приложения способны полностью задействовать ресурсы нескольких процессоров, то в обычных настольных программах внутренний параллелизм развит в значительно меньшей степени.