Одночасне багатопотокове опрацювання: підвищення продуктивності та ефективності на процесорах AMD EPYC

Безкомпромісна продуктивність: максимізація ефективності за допомогою AMD EPYC та SMT

Однією з найважливіших переваг процесорів на базі архітектури Arm є передбачуваність продуктивності та енергоефективності. Щоб досягти такого рівня ефективності та продуктивності, виробники забезпечили можливість одночасної роботи з декількома потоками. Ця технологія використовується в процесорах корпоративного класу і називається SMT.

Виробники ARM висловлюють думку, що через SMT виникає непередбачуваність продуктивності, з’являються вразливості безпеки, а також потрібні додаткові витрати на впровадження цієї технології. Незважаючи на таку реакцію, ARM підтримує багатопотоковість у вбудованих системах та певних процесорах. З огляду на різні суперечливі думки виробників, давайте детальніше обговоримо цю тему, щоб краще зрозуміти одночасну багатопотоковість

Що таке SMT

SMT — це технологія, розроблена для того, щоб ядро процесора могло обробляти кілька потоків одночасно. З моменту появи цієї технології її почали застосовувати в багатьох процесорах для різної кількості потоків. Найпоширеніший підхід, який ми розглянемо в цій статті, — це 2-потоковий режим, що передбачає одночасне виконання двох потоків.

Переваги використання SMT

• Підвищення пропускної здатності. Одночасне використання двох потоків, безперечно, сприяє підвищенню продуктивності та збільшенню IPC (кількість інструкцій за цикл).
• Краще використання ресурсів ядра. Завдяки SMT можна створити такий процес, при якому ядро постійно динамічно задіяне. Коли у роботі першого потоку виникає затримка через очікування необхідних даних, другий продовжує працювати та використовувати ресурси ядра.
• Ефективність використання енергії. Завдяки SMT можна підвищити продуктивність, але при цьому це не впливає на енергоспоживання.
• Можливість суттєво покращити продуктивність без необхідності додаткових витрат на ліцензії.
• Гнучкість. SMT можна ввімкнути або вимкнути через BIOS, що надає адміністраторам велику гнучкість для забезпечення ідеального навантаження.
• Програмна підтримка. Технологія SMT використовується вже понад 20 років, і за цей час програмна підтримка досягла такого високого рівня, що більшість сучасних екосистем повністю підтримують SMT. У більшості випадків ця функція працює «з коробки», тому розробники можуть використовувати її відразу, без необхідності додаткової підтримки.

Проблеми проектування при впровадженні SMT

• Збільшена поверхня атаки. Атаки сьогодні настільки часті й можуть охоплювати абсолютно все, що будь-яка функція розглядається як потенційна поверхня атаки. Існує безліч тестів, пов’язаних із можливими вразливостями саме тому, що SMT є потенційною мішенню для атак. Протягом останніх 20 років виробники значно мінімізували ймовірність таких загроз. Компанія AMD використовувала таку функцію безпеки, як SEV-SNP, і процес виявлення нових загроз триває й досі.  
• Ще однією можливою проблемою є складність у забезпеченні високої продуктивності для обох потоків. Вкрай важливо визначити, як ефективно планувати виконання інструкцій і які ресурси слід спільно використовувати. Для забезпечення принципу рівного розподілу слід впровадити певні механізми контролю.

Вартість SMT: чи варта вона інвестицій?

З точки зору пересічного користувача це просто стандартна функція, яка вже є і не потребує додаткових інвестицій. Її можна легко вмикати та вимикати за потреби.

Якщо говорити про витрати на впровадження цієї функції, то ціна є відносно невеликою, а її переваги переважають мінімальні інвестиції, що для цього потрібні. Наприклад, реалізація SMT займає навіть менше 5 відсотків площі ядра, якщо брати до уваги найновіші ядра. Це стосується всієї важливої логіки, що сприяє спільній роботі ресурсів ядра. Це означає, що SMT використовує мінімальну площу кристала та забезпечує виняткові результати роботи.

Крім того, якщо ліцензія на програмне забезпечення залежить від кількості ядер, додаткова продуктивність може безпосередньо вплинути на економію коштів.  

Як SMT підвищує продуктивність та ефективність

Процесори AMD EPYC уже довели свою ефективність та високі продуктивні характеристики. Це стосується й тих робочих навантажень, які виграють від SMT та багатопотоковості, а також тих, які цього не роблять, наприклад, обчислювальних і HPC-додатків.

Тест, проведений Phoronix на Zen 5, показав надзвичайно покращену продуктивність у більшості тестів робочих навантажень, зокрема в криптографії та базах даних.

Також важливо зазначити, що тести на процесорах EPYC 5-го та 4-го покоління з різними робочими навантаженнями показали майже повну відсутність або мінімальну різницю в енергоспоживанні при вимкненій та увімкненій функції.

Середні результати тестування показали, що при увімкненій функції SMT на процесорі EPYC 9575F споживання енергії зростало лише на 2 вати порівняно з вимкненою функцією.

Технологія SMT є дійсно ефективною, і ми ще раз спробуємо довести цей факт. Коли ядро виконує інструкцію, потік може зупинитися й очікувати даних, і під час очікування споживання енергії залишається незмінним; коли додається другий потік, проміжок негайно заповнюється, а продуктивність підвищується. Це означає, що енергоефективність підвищується набагато більше, ніж незначне збільшення енергоспоживання.  

AMD EPYC із SMT: Постійне забезпечення виняткової цінності

Технологія SMT була розроблена ще давно, коли використовувалося 2 або 4 ядра на сокет, і всі намагалися витиснути максимум із наявних ресурсів. Зараз ситуація набагато краща, оскільки процесори EPYC мають до 192 ядер на сокет, але технологія SMT, як і раніше, залишається ефективною. Ця функція, безперечно, має значний вплив і дозволяє збалансувати попит на додаткові ресурси та необхідні інвестиції. SMT — це чудовий вибір для підвищення продуктивності, який практично нічого не коштує.