multicore和multithreading
文章目录
- 🧩 一、**“多核(multicore)” 和 “每核多线程(multithreading)” 有什么区别?**
- 🧠 二、**多线程的实现种类有哪些?**
- 多线程架构主要分为三类:
- 🧪 三、SMT 从超标量处理器发展而来
- 🧪 四、IMT 的分类
- ✅ 补充解释这两种 Interleaved 的区别
- ✅ 来源和权威出处支持
- ✅ IMT总结:
- ✅ 提升性能的策略:
- 超标量流水线中 , 增加线程数目组成multithread , 可以提高性能 说明了什么
- ✴️ 结论性回答:
- ✅ 深度解释:
- mutithread 实现分类
- ✅ 补充说明:
🧩 一、“多核(multicore)” 和 “每核多线程(multithreading)” 有什么区别?
维度 | 多核(Multicore) | 每核多线程(Multithreading) |
---|---|---|
本质 | 一个芯片内集成多个完整处理器核 | 每个核内部支持多个线程执行上下文 |
执行资源 | 每个核心有自己完整的执行资源(PC, ALU, Cache) | 线程共享核心执行资源(如ALU、Cache、解码单元) |
并行度 | 真正的物理并行执行(多个独立核) | 逻辑上的并发,通过在同一核中交错发射指令实现 |
调度单位 | 操作系统调度“核心” | 核内部调度“线程” |
线程之间 | 完全隔离,通常缓存不共享(除非共享L2/L3) | 强耦合,共享几乎所有资源 |
代表例子 | AMD Ryzen 5950X(16核) | Intel i7 每核2线程;Sun Niagara 每核8线程 |
📌 类比理解:
多核 ≈ 多个“工厂”并排同时生产
多线程 ≈ 一个“工厂”切换多条生产线轮流工作
🧠 二、多线程的实现种类有哪些?
多线程架构主要分为三类:
类别 | 简写 | 特点 | 代表架构 |
---|---|---|---|
细粒度多线程 | FGMT | 每周期切换一个线程发射,适合隐藏短延迟 | Sun Niagara, Nvidia GPU |
粗粒度多线程 | CGMT | 仅在代价高的stall时切换线程,切换代价较高 | 早期研究用 |
同时多线程 | SMT | 每周期可以发射多个线程的多个指令,最大化硬件资源利用率 | Intel Core i7, IBM Power |
Multithreading(多线程架构)
├── Interleaved Multithreading(交错多线程)
│ ├── Fine-Grained MT(细粒度,每周期切线程)
│ └── Coarse-Grained MT(粗粒度,大延迟才切线程)
└── Simultaneous Multithreading(同时多线程)
🧪 三、SMT 从超标量处理器发展而来
你说得对,这段话总结了 SMT 的核心优势:
“当没有多个线程可用时,SMT处理器几乎和传统的宽发射超标量处理器一样。”
→ ✅ SMT 是 在超标量基础上扩展来的,不是替代。
“SMT最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计,几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。”
→ ✅ SMT 通过:
- 增加多个线程的寄存器集(register file)
- 改进调度器,支持跨线程调度
就能 利用原本空闲的 issue slots、ALU、LSU,显著提高 吞吐率(TLP + ILP)
🧪 四、IMT 的分类
Interleaved Multithreading(交错多线程) 是一个总类/总称,其下可以细分为:
- Fine-Grained Multithreading(细粒度交错)
- Coarse-Grained Multithreading(粗粒度交错)
✅ 补充解释这两种 Interleaved 的区别
特性 | Fine-Grained MT | Coarse-Grained MT |
---|---|---|
切换频率 | 每个周期切一次线程 | 仅在长延迟时才切 |
隐藏延迟能力 | 可隐藏短暂与长时间 stall | 只能隐藏较长 stall(如L2/L3 miss) |
线程切换代价 | 很低,类似 round-robin | 较高,需要重启 pipeline |
设计目标 | 保证 pipeline 不空转 | 降低大 stall 对吞吐影响 |
性能影响 | 牺牲单线程延迟,提升整体吞吐 | 保持单线程性能,牺牲资源利用率 |
典型处理器 | Sun Niagara, Nvidia GPU | 少见,早期研究型设计 |
✅ 来源和权威出处支持
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Hennessy & Patterson《Computer Architecture: A Quantitative Approach》第5章明确指出:
“There are three main hardware approaches to multithreading.
Fine-grained multithreading… Coarse-grained multithreading… SMT…”
它们都属于多线程设计,“Fine”与“Coarse”是对 Interleaving 粒度的具体划分。 -
IEEE/ACM 文献也常将 Interleaved MT 作为 umbrella term,细分这两种策略。
✅ IMT总结:
✔️ Interleaved MT 是一个上层分类,Fine-Grained MT 和 Coarse-Grained MT 是其两种具体策略,区别在于线程切换的时机和目标。
✅ 提升性能的策略:
“多核”靠复制核心提升并行度,
“每核多线程”靠更高资源利用率提升吞吐量。
两者可以协同工作,例如 Intel Core i7:
→ 4 核 × 每核 2 线程 = 8 硬件线程(logical processor)
超标量流水线中 , 增加线程数目组成multithread , 可以提高性能 说明了什么
- 超标量流水线的执行资源没有被充分利用,存在大量的 issue slot 空闲现象,
通过引入多个线程,可以提高资源利用率,改善吞吐率。
✴️ 结论性回答:
👉 这说明:超标量流水线的执行资源没有被充分利用,存在大量的 issue slot 空闲现象,
通过引入多个线程,可以提高资源利用率,改善吞吐率。
✅ 深度解释:
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超标量流水线(Superscalar Pipeline):每周期可发射多条指令(例如 4-way、8-way);
-
单线程执行时,因为存在:
- 数据相关(RAW)
- 控制依赖(分支)
- cache miss 等 stall
很多周期中无法“填满”所有 issue slots,导致执行资源空闲。
🔁 引入多个线程(即 multithreading):
- 可以在 stall 时 切换或同时调度其他线程的指令
- 从多个线程中寻找可发射的指令 → 更好地填满流水线
📌 所以:
多线程提升性能的根本原因是:让原本浪费的流水线空槽得到利用。
mutithread 实现分类
术语 | 全称 | 类型 | 特点 | 资源利用策略 |
---|---|---|---|---|
IMT | Interleaved Multithreading | 时间交错型 | 每周期切换线程发射(或每 N 个周期) | 共享 ALU、LSU、issue logic |
SMT | Simultaneous Multithreading | 空间复用型 | 每周期多个线程同时发射指令(多个 slot) | 跨线程平衡延迟与吞吐 |
✅ 补充说明:
-
IMT 又包括:
- Fine-Grained MT:每周期轮换线程 → 如 Sun Niagara
- Coarse-Grained MT:只有在遇到长延迟时才换线程
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SMT 是在 乱序 + 多发射基础上增加线程调度能力,如 Intel Core i7、Power7 等。