Simultaneous Multithreading

Der Begriff Simultaneous Multithreading (etwa simultaner Mehrfadenbetrieb), oder kurz SMT, bezeichnet die Fähigkeit eines Mikroprozessors, mittels getrennter Pipelines und/oder zusätzlicher Registersätze mehrere Threads gleichzeitig auszuführen. Hiermit stellt SMT eine Form des hardwareseitigen Multithreadings dar.

Die derzeit wohl bekannteste Form des SMT ist Intels Hyper-Threading Technologie (HTT) für Pentium 4, Xeon, Atom und Core i7, aber auch Prozessoren anderer Hersteller, z. B. Cell, POWER5 und POWER6 von IBM verfügen über SMT.

Funktionsweise

Ziel von SMT ist es, die bereits aufgrund der Pipeline-Architektur redundant vorhandenen Ressourcen eines Prozessors noch besser auszulasten, als dies bei der Pipeline-Architektur ohnehin möglich ist. Die Pipeline-Architektur arbeitet nur Befehle innerhalb eines Threads ab. Dadurch kann sie nur solche Befehle parallelisieren, die innerhalb eines Threads unabhängig voneinander sind.

Beispiel für 2-fach SMT

Die folgenden Pipelinestufen und 2 Threads sind gegeben:

Pipeline

IF

ID

OF

EXn

WB

Thread 1

LD R6,adr4 ADD R4,R6,1 BEQ R4,R6,j1 BR j2 j1: ADD R4,R4,1 j2: ST R4,adr6

Thread 2

LD R1,adr0 OR R1,R1,0xF0 LD R2,adr1 ADD R3,R1,R2 ST R3,adr2

Out-of-Order-Issue und Out-of-Order-Completion. 2 Befehle je Takt. Bei einer Datenabhängigkeit fällt die erste EX-Phase des abhängigen Befehls mit der WB-Phase des vorherigen Befehls zusammen.

2 Integereinheiten EX1, EX2
1 Sprungeinheit EX1, EX2
1 Storeeinheit EX1, EX2
1 Load-Einheit EX1, EX2, EX3 EX4

Bei unbedingten Sprüngen ist das Holen des Zielbefehls (IF) nach der ID-Phase erlaubt. Bedingte Sprünge müssen im Falle eines Sprunges die EX2-Phase abarbeiten bevor die Zielanweisung geladen werden kann. Wenn der Sprung nicht ausgeführt wurde kann der Befehl parallel zur EX2-Phase wieder aufgenommen werden.

Takte

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

LD R6,adr4

IF

ID

OF

EX1

EX2

EX3

EX4

EX5

WB

LD R1,adr0

IF

ID

OF

EX1

EX2

EX3

EX4

EX5

WB

LD R2,adr1

IF

ID

OF

EX1

EX2

EX3

EX4

EX5

WB

ADD R4,R6,1

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

OR R1,R1,0xF0

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

BEQ R4,R6,m1

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

ADD R3,R1,R2

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

BR m2

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

ST R3,adr2

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

j1:

ADD R4,R4,1

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

Kein Sprung zu j1

j2:

ST R4,adr6

IF

ID

OF

EX1

EX2

WB

Anwendungsgebiete

Simultaneous Multithreading stellt eine kostengünstige, wenn auch wesentlich leistungsärmere Alternative zu Multicore-Prozessoren dar. Die Leistung eines SMT-Prozessors lässt sich allerdings nur dann effektiv nutzen, wenn mehrere parallel zu verarbeitende Aufgaben durchzuführen sind, die durch das Betriebssystem, den Programmierer oder den Compiler auch derart gestaltet wurden, dass sie weitgehend parallel ausführbar sind. Bei vielen modernen Anwendungen (Stand 2005) ist dies bereits der Fall.

Abgrenzung

Das Simultaneous Multithreading ist also zwischen Pipeline-Architektur und Mehrkern-Architektur anzusiedeln.

Abgrenzung zur Pipeline-Architektur/Superskalarität

Von der Pipeline-Architektur unterscheidet sich SMT dadurch, dass die Ausführung mehrerer Threads gleichzeitig möglich ist. Nicht nur Datenverarbeitungseinheiten des Prozessors wie ALU und FPU werden repliziert, sondern auch der Registersatz und die Befehlsdekodierung. Gegenüber dem System erscheint eine SMT-CPU meist wie mehrere unabhängige Prozessoren.

Die Pipeline-Architektur versucht, Befehle desselben Programms zu parallelisieren, und führt sie, falls dies aufgrund von Abhängigkeiten nicht möglich ist, sequenziell aus. SMT versucht die Befehle zweier oder mehrerer Threads (aus einem oder mehreren Programmen) zu parallelisieren, und führt sie, falls das nicht möglich ist, abwechselnd aus. (Dies kann als „Superskalarität über mehrere Threads“ bezeichnet werden.)

Bei beiden Konzepten handelt es sich also um eine Anstrengung, durch eine Parallelisierung der Befehlsverarbeitung die verschiedenen Einheiten einer CPU besser auszulasten und so eine höhere Geschwindigkeit der Programmverarbeitung zu erreichen, ohne die Taktfrequenz oder die Anzahl der befehlsausführenden Einheiten zu erhöhen, wobei der Parallelisierungsgrad bei SMT höher oder gleich, aber nie geringer als der der Pipeline-Architektur sein kann.

Abgrenzung zur Mehrkern-Architektur

Von der Multicore-Architektur unterscheidet sich SMT dadurch, dass die dem System gemeldeten Prozessoren einer SMT-CPU keine unabhängigen Prozessoren sind. Bei SMT teilen sich die virtuellen Prozessoren den Zugriff auf dieselben Datenverarbeitungseinheiten (ALU/FPU), während innerhalb eines Mehrkernprozessors jeder Kern seine eigene Datenverarbeitungseinheit besitzt.

Sowohl ein SMT-Prozessor mit zwei Threads als auch ein Doppelkern-Prozessor erscheinen gegenüber dem System als zwei Prozessoren. Jedoch handelt es sich bei einem Doppelkern-Prozessor um tatsächlich zwei unabhängige und dementsprechend schnelle Prozessoren, während es sich bei SMT um einen Prozessor mit zwei oder mehr Hardware-Threads handelt.

Prozessoren mit SMT

• Intel Pentium 4 (Hyper-Threading)
• Intel Xeon (Hyper-Threading)
• Intel Atom (Hyper-Threading)
• Intel Core i7
• IBM Cell
• IBM Power5 und Power6
• UltraSPARC T1
• UltraSPARC T2
• Sun Rock

Weitere Informationen

Siehe auch

Hardwareseitiges Multithreading, Hyper-Threading, Nebenläufigkeit, Parallelisierung, Pipeline (Prozessor), Multicore-Prozessor