Présentation

Article

1 - INTRODUCTION AU MULTITHREADING

2 - DIFFÉRENTES APPROCHES MULTITHREADS

3 - PROCESSEURS MULTICŒURS

4 - REMARQUES POUR CONCLURE

5 - ANNEXE : LES RÉSEAUX D’INTERCONNEXION

6 - ACRONYMES

Article de référence | Réf : H1090 v1

Remarques pour conclure
Processeurs multithreads et multicœurs

Auteur(s) : Daniel ETIEMBLE

Date de publication : 10 mai 2018

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Sommaire

Présentation

RÉSUMÉ

Les processeurs multithreads et les processeurs multicœurs permettent l’utilisation des trois types de parallélisme (instructions, données et threads). Après un rappel des notions de processus et de thread, cet article aborde les processeurs multithreads, qui dotent un processeur physique de plusieurs contextes d’exécution se partageant les unités fonctionnelles, les caches et la mémoire. A un processeur physique correspondent plusieurs processeurs logiques exécutant chacun un thread. Les trois types de multithreading sont présentés: le multithread gros grain, le multithread grain fin et le multithread simultané.

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ABSTRACT

Multithreaded and multi-core CPUs

Multi-threaded processors and multi-core processors use the three types of parallelism (instructions, data and threads). After introducing the notions of process and thread, we present multi-threaded processors, which provide a physical processor with several execution contexts that share the functional units, caches and memory. A physical processor corresponds to several logical processors, each one executing one thread. The three types of multithreading are presented: coarse multithreading, fine grain multithreading and simultaneous multithreading.

Auteur(s)

  • Daniel ETIEMBLE : Ingénieur de l’INSA de Lyon - Professeur émérite à l’université Paris Sud

INTRODUCTION

Du parallélisme d’instructions au parallélisme de threads

Jusqu’au début des années 2000, l’augmentation des performances des monoprocesseurs a résulté de l’augmentation des fréquences d’horloge d’une part, de l’utilisation du parallélisme d’instructions d’autre part. L’article [H 1 058] décrit en détail cette évolution. Le « mur de la chaleur » n’a pas permis l’augmentation des fréquences d’horloge au-delà de 4 GHz. L’utilisation du parallélisme d’instructions dans les processeurs superscalaires à exécution des instructions dans l’ordre [H 1 010] et non ordonnée [H 1 011] a également atteint ses limites, même si l’utilisation du parallélisme de données avec les instructions SIMD [H 1 200] a permis d’augmenter les performances. Pour continuer à améliorer ces dernières, l’utilisation du parallélisme de threads dans les processeurs multithreads et multicœurs a permis de combiner les trois types de parallélisme : parallélisme d’instructions, parallélisme de données via les instructions SIMD et parallélisme de threads. Ce dernier type implique l’utilisation de la programmation parallèle. Cet article introduit les supports matériels pour le multithreading (processeurs multithreads) et les multicœurs. La plupart des processeurs d’usage général utilisés en 2017 (PC et serveurs) sont des multicœurs dont les cœurs sont multithreads.

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KEYWORDS

task parallelism   |   multithreading   |   multi-core processor   |   cache hierarchy   |   interconnection network

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-h1090


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4. Remarques pour conclure

Cet article a présenté les caractéristiques matérielles essentielles des processeurs multicœurs, dont les cœurs sont le plus souvent multithreads, que l’on trouve dans les processeurs d’usage général comme les PC et les serveurs. Il ne traite pas l’ensemble des architectures de processeurs à plusieurs cœurs, qui font ou feront l’objet d’articles particuliers de la collection, notamment :

  • les manycores qui sont les processeurs à très grand nombre de cœurs bien qu’il n’existe pas de frontière claire entre multicœurs et manycores. Ces processeurs restent encore au stade de prototypes industriels ou universitaires et visent le plus souvent des classes d’applications spécifiques ;

  • les accélérateurs de type coprocesseur comme le Xeon Phi d’Intel ;

  • les processeurs graphiques (GPU) qui relèvent d’un mode de fonctionnement différent : SIMT pour Single Instruction Multiple Thread.

L’approche multithread utilisée dans les processeurs présentés dans cet article vise particulièrement le marché des serveurs. L’objectif des serveurs est d’obtenir l’efficacité maximale en termes de débit d’exécution de plusieurs programmes, ce que permet le multithreading, alors qu’il est beaucoup plus difficile de diminuer le temps d’exécution d’un seul programme. La tendance a été d’augmenter le nombre de threads par processeur ou par cœur, comme le montre l’évolution des cœurs des familles Sparc et Power. L’approche Intel est différente, puisque l’hyperthreading utilise 2 threads par cœur, sauf exception. Intel ne fournit pas d’explications sur la raison de ce choix. Dans tous les cas, un effort particulier a été porté sur la microarchitecture pour que le fonctionnement multithread ne détériore pas trop le fonctionnement monothread du processeur ou cœur.

L’approche multicœur combinée avec l’approche multithread est la seule solution permettant de respecter les contraintes thermiques et de consommation (« mur de la chaleur ») tout en continuant à augmenter les performances. Le nombre maximal de cœurs et de threads par processeur a crû régulièrement depuis le milieu des années 2000, comme le montre la figure 28 pour les multicœurs à multithread simultané. On ne peut cependant pas affirmer que cette croissance va continuer. Avec l’augmentation du nombre de cœurs, la pression s’accentue sur les réseaux d’interconnexion...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BORKENHAGEN (A.) et al -   « A Multithreaded Power PC Processor for Commercial Servers, » IBM J.  -  Research and Development, vol. 44, no. 6, Nov. 2000, pp. 885-898.

  • (2) - THORNTON (J.) -   Design of a Computer – The Control Data 6600.  -  http://www.mirrorservice.org/sites/www.bitsavers.org/pdf/cdc/cyber/books/DesignOfAComputer_CDC6600.pdf

  • (3) - SNELLING (D.F.), SMITH (B.J.) -   « MIMD Processing and the Denelcor HEP », Workshop on Using Multiprocessors in Meteorological Models, 3-6 December 1984,  -  https://www.ecmwf.int/sites/default/files/elibrary/1984/12351-mimd-processing-and-denelcor-hep.pdf

  • (4) - ALVERSON (G.) et al -   « The Tera Computer System, »  -  Proc. 1990 ACM Int’l Conf. Supercomputing (Supercomputing 90), IEEE CS Press, pp. 1-6 (1990).

  • (5) - JOHNSON (K.), RATHBONE (M.) -   « Sun’s Niagara Processor, A Multithread & Multi-core CPU »,  -  http://www.cs.nyu.edu/~lerner/spring10/projects/multicore-niagara.pdf

  • ...

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