для чего нужны потоки в процессоре для игр
На что влияет количество потоков процессора? Просто о сложном
Когда-то технология Hyper Threading от Intel стала настоящим прорывом, а ныне практически каждый современный процессор поддерживает распараллеливание Core-вычислений для обеспечения поточности. Аналогичным путём пошла и AMD. На что влияет количество потоков процессора?
Для начала дадим определение самому термину. Ядро – условное обозначение вычислительной ед-цы CPU, выполняющее последовательность команд. Строго одну и в заданной очерёдности.
Если ядер несколько, уже происходит переключение, обеспечивая равномерное распределение ресурсов. Понятно, что Double Core – лучше одного, а Quad – в 2 раза быстрее, чем двуядерный (при условии идентичной частоты и прочих характеристик).
Многопоточность же позволяет рациональнее задействовать доступную мощность, когда происходит виртуальное расщепление одной физической единицы сразу на две. Особенно такое распределение актуально для фоновых задач и процессов.
Например, для антивирусного ПО, работающего в фоне. Если же предстоит сложный графический рендеринг, практичнее взять ЦП с максимальным числом физических ядер.
Что такое Hyper-Threading?
Основные моменты:
Технология Intel® Hyper-Threading
Технология Intel® Turbo Boost.
Новейшие процессоры Intel® Core™.
Процессоры Intel® Core™ i9.
Вот почему технология Intel® Hyper-Threading (технология Intel® HT) помогает процессорам выполнять больше задач одновременно.time. 1
Вот почему технология Intel® Hyper-Threading (технология Intel® HT) помогает процессорам выполнять больше задач одновременно.time. 1
Сегодня почти все процессоры многоядерные, то есть они содержат несколько процессорных ядер, одновременно выполняющих разные задачи.
Однако преимущества большого количества ядер не всегда подчеркиваются. В чем отличие между однопоточными и многопоточными приложениями? Что представляет собой технология Hyper-Threading, и чем она отличается от обычной многопоточности?
Чтобы лучше понять преимущества дополнительных ядер и технологии Intel® Hyper-Threading, рассмотрим их применимо к играм и регулярно используемым приложениям.
Что такое многопоточность?
Многопоточность — это форма параллельной обработки или разделения задач на части для одновременной обработки. Вместо отправки большой задачи на одно ядро, многопоточные программы разбивают задачи на несколько частей или потоков. Разные ядра процессора обрабатывают эти потоки параллельно, за счет чего достигается экономия времени.
В зависимости от программной архитектуры игры могут иметь небольшое или значительное количество потоков. В старых играх обычно использовался один поток, то есть они использовали только одно ядро процессора, и для их производительности была очень важна тактовая частота.
Сколько ядер процессора нужно для современных игр?
Содержание
Содержание
8, 12, 16 — сколько ядер нужно сейчас для игрового компьютера? Какое влияние на производительность оказывают виртуальные потоки? Какая загрузка процессора в той или иной игре и есть ли еще задел на будущее? Многие задавали себе такие вопросы во время выбора процессора. Сегодня попробуем разобраться в них.
Чтобы понять все описанное ниже, стоит чуть-чуть коснуться архитектуры процессоров Zen 2.
Процессоры семейства Zen 2 состоят из чиплета с вычислительными ядрами CCD (Core Complex Die) и чиплета ввода/вывода (cIOD). ССD в свою очередь состоит из двух ССX (Core Complex), один CCX несет в себе до четырех процессорных ядер с поддержкой технологии SMT. Именно комбинация ядер в ССХ позволяет менять количество ядер в процессоре, конечно же, если речь идет о процессорах Zen 2 c числом ядер до 8.
Если в процессоре используется 12–16 ядер, в таком случае используются уже два CCD с тремя активными ядрами в каждом CCX и четырьмя активными ядрами для 16-ядерного процессора Ryzen R9 3950X.
Чтобы тестирование было максимально приближено к младшим процессорам, использоваться будут два процессора серии Zen 2:
Ryzen 9 3900X
Ryzen 7 3700X
2 CCD, 4 ССХ по 3 ядра в каждом
1 ССD, 2 ССХ по 4 ядра в каждом
Путем отключения ядер и технологии SMT в тестировании принимают участие почти все процессоры семейства Zen 2, доступные в продаже, без перекоса по объему кеша третьего уровня и работы шины Infiniti Fabric.
Чиплеты
Конфигурация CCХ
L3-кеш, Мбайт
Количество потоков
Процессор
Во время тестирования все получившиеся процессоры разогнаны в ручном режиме с фиксацией тактовой частоты для всех ядер на отметке 4200 МГц.
Тестовая конфигурация
Во всех протестированных играх установлены максимальные настройки качества графики, сглаживание отключено и выставлено разрешение 720p, чтобы минимизировать 100 % загрузку видеокарты. Для тестирования была установлена операционная система Windows 10 со всеми обновлениями.
Тестирование
PlayerUnknown’s Battlegrounds
Для комфортной игры с приемлемым количеством FPS нужно минимум 8 виртуальных потоков. С увеличением количества потоков до 12 максимальный FPS увеличивается незначительно, но вот плавность игры меняется в лучшую сторону.
Tom Clancy’s The Division 2
Игра достаточно хорошо оптимизирована под многоядерные процессоры. Активация технологии SMT у 4-ядерного процессора дает прибавку производительности почти на 20 %. Связано это с тем, что загрузка процессора на протяжения всего тестового отрезка находится в пределах 90-100 %, и это без активности каких-либо фоновых программ. Дальнейшее наращивание количества потоков свыше шести уже не так сильно отражается на производительности.
Counter-Strike Global Offensive
Игра достаточно хорошо оптимизирована под многоядерные процессоры. Активация технологии SMT у 4-ядерного процессора дает прибавку производительности почти на 20 %. Связано это с тем, что загрузка процессора на протяжения всего тестового отрезка находится в пределах 90-100 %, и это без активности каких-либо фоновых программ. Дальнейшее наращивание количества потоков свыше шести уже не так сильно отражается на производительности.
Даже у 4-ядерного процессора есть задел на будущее, потому что его загрузка редко превышала 60 %.
Fortnite
Еще один достаточно популярный онлайн-шутер. Однако в данном случае игра на 4-ядерном процессоре уже не выглядит так однозначно хорошо. Наличие технологии SMT положительно влияет на производительность. Наибольший ее рост наблюдается при переходе от 4 к 6 ядрам, дальнейшее увеличение потока не оказывает практически никакого эффекта на производительность.
На протяжении всего тестового отрезка загрузка 4-ядерного процессора находится в пределах 90 %, что во время активных игровых действий может вызывать фризы и подергивания.
Grand Theft Auto V
После недавней бесплатной раздачи данная игра снова набирает популярность.
Grand Theft Auto V, как и любая игра с открытым миром, любит много ядер. 4-ядерный процессор еще справляется. Это и не удивительно, так как эта игра 2015 года. Однако его загрузка на протяжении всего тестового отрезка близка к 100 %. Увеличение количества ядер более 6 уже не так сильно скажется на производительности, как переход от 4 ядер.
Kingdom Come Deliverance
Kingdom Come: Deliverance — масштабная ролевая игра с открытым миром, которая перенесет вас в Богемию XIV. Игра не отличается хорошей оптимизацией, но даже здесь наблюдается значительный рост производительности от перехода с 4 ядер до 6, особенно по очень редким событиям, которые и отражают основную плавность геймплея.
Metro Exodus
Metro Exodus — одна из тех игр, где вкладываться лучше всего в видеокарту. Разница в производительности при переходе с четырех полноценных ядер на 24-поточный процессор во время игры практически отсутствует, единственное отличие — значительно быстрее запуск самой игры и загрузка уровней.
Если по производительности разницы практически нет, то уровень загрузки между процессорами с разным количеством ядер меняется очень значительно. Имея даже 4-ядерный процессор, можно пройти игру без какого-либо дискомфорта.
Red Dead Redemption 2
Еще одна игра, где изменение количества ядер процессора практически никак не отражается на производительности. Большую часть времени именно видеокарта будет ограничивающим фактором.
Shadow of the Tomb Raider
Данная игра отлично реагирует на рост количества ядер и потоков — чем больше ядер, тем больше производительности. Разница в производительности наблюдается не только при переходе от 4 ядер к 6, но также и при переходе к 8 ядрам и даже 12. Технология SMT проявила себя в данной игре с лучшей стороны.
Данная игра отлично реагирует на рост количества ядер и потоков — чем больше ядер, тем больше производительности. Разница в производительности наблюдается не только при переходе от 4 ядер к 6, но также и при переходе к 8 ядрам и даже 12. Технология SMT проявила себя в данной игре с лучшей стороны.
Выводы
Так называемая Эра 4-ядерных процессоров даже с технологией (SMT и HT) неминуемо подходит к концу, и покупать сейчас процессор для современных игр необходимо минимум c наличием 6 реальных ядер, а лучше 12 виртуальными потоками.
В то же время, если мы говорим про игры, переплачивать за 8/16 или даже 16/32 монстры совершенно не имеет никакого смысла, лучше вложить эти средства в более мощную видеокарту.
Как можно было видеть, загрузка даже 6-ядерного процессора с технологией SMT редко в каких игровых проектах превышала 50 %, что гарантирует некий задел на будущее. А загрузка видеокарты даже в разрешении 720p достаточно часто приближалась к отметке 100 % — именно она в повседневных условиях и будет ограничивающим фактором в производительности.
Поэтому если стоит выбор купить мощнее процессор или видеокарту, то он очевиден.
Производительность в играх ограничивается не только процессором и видеокартой, важную роль играет оптимизация. Если ее нет или она не очень хорошая, как, например, в протестированном Kingdom Come Deliverance, увы, производительность будет соответствующая, и неважно, сколько ядер у процессора или насколько мощная видеокарта.
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.