Временна́я многопоточность (англ. Temporal multithreading) — одна из двух главных форм многопоточности, которая может быть реализована в процессорах аппаратно. Второй формой является одновременная многопоточность. Различие между этими двумя формами состоит в максимальном количестве потоков, которые исполняются на каждой стадии вычислительного конвейера в определенный тактовый цикл процессора. При временной многопоточности в каждый данный момент исполняется только один поток, а при одновременной многопоточности — несколько. Некоторые специалисты используют термин super-threading в качестве синонима временной многопоточности.^[1]

На обычном процессоре управление потоками осуществляется операционной системой. Поток исполняется до тех пор, пока не произойдет аппаратное прерывание, системный вызов или пока не истечёт отведённое для него операционной системой время. После этого процессор переключается на код операционной системы, который сохраняет состояние потока (его контекст) и переключается на состояние следующего в очереди потока, которому тоже выделяется время на исполнение. При такой многопоточности достаточно большое количество тактов процессора тратится на код операционной системы, переключающий контексты. Если поддержку потоков реализовать аппаратно, то процессор сам сможет переключаться между потоками, а в идеальном случае — выполнять несколько потоков одновременно за каждый такт.

Варианты

Временная многопоточность делится на две главные под-формы:

Крупнозернистая (Coarse-grained multithreading (CGMT), Blocked multithreading)

В конвейере процессора исполняется только один поток некоторый продолжительный промежуток времени. В момент, когда этому потоку требуются например данные из памяти, а данные отсутствуют в кэше, процессор сохраняет состояние потока и переключается автоматически на другой поток, пока тому тоже не понадобится что-то из памяти. Другимим причинами переключения на другой поток могут является заданное количество тактов процессора. Таким образом конвейер процессора не простаивает и почти всегда занят исполнением кода того или иного потока.

Тонкозернистая (Fine-grained multithreading (FGMT), Interleaved multithreading )

Процессор переключается между потоками программы при каждом такте. Тонкозернистая многопоточность гарантирует исполнение всех потоков, приписанных к процессору. Выполнение каждого конкретного потока замедляется, но общая пропускная способность процессора — увеличивается. Многопоточные процессоры, реализующие тонко-зернистую многопоточность, хорошо справляются с программами, где присутствует множество потоков, например сервера баз данных, веб-сервера, сервера приложений, обрабатывающие множество одинаковых запросов от множества клиентов. Такие процессоры ещё называются barrel processors (исполнение потоков в процессоре чередуется каждый цикл как клёпки бочки по кругу).

Реализации

Процессоры с крупно-зернистой многопоточностью: в 1998 году компания IBM выпустила RS64-II (Northstar) — первый микропроцессор на рынке, в котором аппаратно поддерживалась многопоточность. Процессор поддерживал попеременное выполнение 2 потоков. Из недавних: двух-ядерный процессор Montecito (2006 г.) компании Intel с ядрами на основе Itanium 2, где каждое ядро исполняет два потока крупно-зернисто; Fujitsu SPARC64 VI (2007 г.).

Примерами процессоров, в которых была реализована тонко-зернистая многопоточность, могут быть процессор Denelcor HEP (1982 г.) — 8 потоков. В процессоре Cray/Tera MTA (1988 г.) могло выполняться поочередно 128 потоков. Из недавних: Sun UltraSPARC T1 (2005 г., 4 потока на ядро) и T2 (2008 г.), Oracle SPARC T3 (2010 г., 8 потоков), SPARC M7 (2015 г., 8 потоков).

Сравнение с одновременной многопоточностью

Временная многопоточность имеет преимущество перед одновременной в том, что из-за неё меньше греется процессор; однако недостатком является то, что в каждый данный такт процессора исполняется код только одного потока.

На скалярном процессоре тонко-зернистая многопоточность неотличима от одновременной. Для реализации одновременной многопоточности процессору требуется суперскалярный конвейер, и чем больше потоков одновременно планируется исполнять, тем выше должна быть суперскалярность конвейера, что повышает сложность процессорной логики.

Примечания