Intel Thread Director: Sådan fungerer hybrid kerneintelligens

Informatic Digital » Recursos » Intel Thread Director: Sådan fungerer hybrid kerneintelligens

Hvis du har hørt om Intels nye hybridprocessorer, og det lyder bekendt... Tråddirektør, men du ved ikke helt, hvad den rent faktisk gørDu er kommet til det rette sted. Denne teknologi er nøglen til at forstå, hvorfor Alder Lake, Raptor Lake, Meteor Lake og efterfølgende generationer præsterer, som de gør, især inden for spil, multitasking og virtuelle maskiner.

Lad os roligt gennemgå, hvordan det fungerer Intel Thread Director indeni: hvilket problem det løser, og hvilke begrænsninger det harDu vil se, at det ikke er magi eller en skjult turboknap, men blot endnu en brik i en maskine, hvor operativsystemet, P-kernerne og E-kernerne alle spiller en betydelig rolle.

Hvad er Intel Thread Director, og hvorfor findes det?

Ankomsten af ​​12. generations Core-processorer betød, at Intel satsede på en hybrid kernearkitektur med højtydende P-kerner og højeffektive E-kernerIndtil da var processorer med alle de samme kerner normen i desktop-pc-verdenen, mens denne "big.LITTLE"-tilgang var typisk for mobile SoC'er baseret på ARM-arkitektur.

Denne ændring udgjorde et alvorligt problem: desktop-operativsystemer var ikke forberedt på skelne mellem kerner med forskellig effekt og effektivitet ved tildeling af tråde og processerPlanlæggeren så blot "X kerner" og fordelte arbejdet uden at overveje, hvilken type kerne der var bedst til hver opgave.

For at løse dette skabte Intel det, de kommercielt kalder Intel Thread Director, en teknologi integreret i CPU'en, der analyserer, hvordan processer opfører sig, og rådgiver operativsystemet med hensyn til hvor de skal placeres. Det er vigtigt at understrege, at det ikke er en erstatning for operativsystemets scheduler, men snarere et meget fint og specialiseret supportværktøj.

I modsætning til hvad mange tror, Thread Director er ikke en separat chip eller en "magisk enhed" inde i processoren.Dette involverer logik og mikrokode, der kører på selve CPU'en, indsamler meget detaljerede telemetrioplysninger og eksponerer dem for operativsystemet via specifikke grænseflader.

Sådan fungerer tråddirektøren internt

Funktionen af ​​Thread Director minder konceptuelt om en Kontrolleret spekulativ udførelse, der evaluerer trådadfærd, før den ideelle kerne besluttesFor at gøre dette bruger den en af ​​udførelsestrådene fra en P-Core i Alder Lake og Raptor Lake, mens den i Meteor Lake og senere er afhængig af lav-strømforøgende E-Cores i Tile SoC'en.

Hvad denne logik gør er overvåg instruktioner, adgangsmønstre og beregningsomkostninger for de kørende algoritmerDen ser ikke blot på den statiske instruktionsliste, men observerer den faktiske adfærd over en kort periode for at forstå, om en belastning er let, moderat, meget parallel, hukommelseskrævende osv.

Den analyse er kodet i en datastruktur, der er knyttet til posten. IA32_THREAD_FEEDBACK_CHAR, hvor tre typer nøgleinformation om hver tråd er gemt.: den slags arbejde, en præstationsscore og en energieffektivitetsscore, alt sammen i et enkelt format, så operativsystemet hurtigt kan bruge det.

Den første del er en klassificering af procestypen i fire forskellige klasser der hjælper planlæggeren med at forstå, hvilken type kerne der er bedst egnet:

• 0 klasseTråde der kan udføres uden større problemer på både P-kerner og E-kerner.
• 1 klasse: arbejdsbelastninger, der yder betydeligt bedre på P-kerner på grund af deres krav til maksimal ydeevne eller lave latenstid.
• 2 klasse: opgaver, der anbefales flyttet til E-Cores, fordi de er lettere eller drager fordel af effektiv udførelse.
• 3 klasse: processer med dyre løkker, potentielt lange ventetider eller adfærd, der kan skade andre tråde, hvis de blandes forkert, og derfor kræver særlig behandling.

Ud over klassen, en En præstationsscore fra 0 til 255, der afspejler, hvor godt den pågældende tråd præsterer på en bestemt kerne.Tilsvarende er en anden score fra 0 til 255 inkluderet for at angive energieffektiviteten forbundet med at køre den på den type kerne under de nuværende forhold.

Med den telemetri kan operativsystemet træffe mere informerede beslutninger om, hvilke tråde der skal sendes til P-Cores, og hvilke der skal dirigeres til E-Coresikke kun på kernetypen, men også den aktuelle belastning, antallet af aktive opgaver og brugersessionsprioriteterne.

Vigtigheden af ​​scoring og belastningsdeling

I moderne multi-core CPU'er er det ikke længere nok at afgøre, om noget går til en P-Core eller en E-Core: Det har også betydning, hvilken specifik kerne hver tråd falder ind under for at undgå flaskehalse og underudnyttede kerner.Her spiller den præstations- og effektivitetsscore, som Thread Director leverer, en nøglerolle.

Takket være den numeriske evaluering kan operativsystemets planlægger Afbalancer belastningen mellem kerner af samme type, og tildel de tungeste gevind til de mindst belastede kerner først. og udnytter enhver tilgængelig plads bedst muligt. Ideen er at undgå at P-kerner er mættede, mens andre er næsten inaktive, eller E-kerner er underudnyttede og udfører meningsløse opgaver.

En anden fordel er, at tråddirektøren Det hjælper med hurtigt at opdage, hvornår en arbejdsbelastning er bedst egnet til en bestemt type kerne baseret på dens instruktionssæt eller egenskaber.Hvis det under evalueringen ses, at en tråd bruger instruktioner, der kun understøttes af P-kerner (for eksempel visse avancerede AVX-sæt), forstår operativsystemet tydeligt, at denne tråd skal gå til en P-kerne.

Det er også relevant i scenarier, hvor den samme proces Det udvikler sig over tid: det kan starte med et let tempo, bevæge sig ind i en fase med intens beregning og derefter vende tilbage til en mere afslappet tilstand.Kontinuerlig feedback tillader disse tråde at migrere mellem P og E afhængigt af hvad de laver på et givet tidspunkt, uden at applikationen behøver at være opmærksom på hybridarkitekturen.

I praksis har denne mekanisme til formål at få brugeren til at opfatte, at systemet Den reagerer problemfrit, uanset om du kører et krævende spil, åbner flere applikationer, afspiller indhold eller lader processer køre i baggrunden.Dynamisk distribution forhindrer en simpel baggrundsopgave i at optage en hel P-kerne, mens en E-kerne er inaktiv.

Tråddirektøren "kommanderer" ikke: operativsystemet bestemmer.

Firmanavnet kan være misvisende, fordi "direktør" lyder som om, han har ansvaret, men virkeligheden er, at Tråddirektøren træffer ikke den endelige beslutning om, hvor hver tråd kører.Operativsystemets scheduler har stadig det sidste ord og bruger eller ignorerer de oplysninger, som CPU'en leverer, i henhold til sin egen logik.

Dette er meget mærkbart i hverdagssituationer, som f.eks. når Du sender et ressourcekrævende program til baggrunden, for eksempel en render i Blender, og fortsætter med at bruge computeren til andre opgaver.Windows fortolker, at det, der er i forgrunden, har prioritet for brugeren, så det reducerer de ressourcer, der er allokeret til rendering, og kan flytte sin primære arbejdsbyrde til E-kernerne.

På samme måde kan en applikation med lav efterspørgsel, der kører i det aktive vindue, ende med at bruge en P-kerne blot ved at være i fokus, selvom dens CPU-forbrug ikke er særlig højt. Dette illustrerer, at... Operativsystemets kriterier (forgrunds-/baggrundstilstand, procesprioritet, strømpolitikker) vejer tungere end tråddirektørens mening..

Kort sagt fungerer Thread Director som en slags "ekspertrådgiver" for systemplanlæggeren, men Hvis operativsystemet ikke er forberedt på at forstå dette eller beslutter at prioritere andre regler, vil trådallokeringen ikke være optimal.Derfor er der klare forskelle mellem Windows 10, Windows 11 og de forskellige versioner af Linux, når det kommer til at udnytte hybrid-CPU'er.

Fra applikationsudviklerens perspektiv er det interessante, at Der er ingen grund til at omskrive softwaren specifikt til P-kerner og E-kerner I de fleste tilfælde, så længe operativsystemet understøtter Thread Director, fordeles størstedelen af ​​arbejdsbyrden nogenlunde uden kodeændringer, undtagen i nogle få meget specifikke scenarier.

Adfærd i spil og virkelige arbejdsbelastninger: P-kerner, E-kerner og sekundære tråde

Et af de mest forvirrende problemer er, hvad der sker i moderne spil, der bruger mange tråde, især når Antallet af opgaver overstiger de tilgængelige P-kerner, og E-kerner begynder at blive brugt til sekundære tråde.Det er her, teori møder den virkelige praksis.

Intels idé er, at i et typisk scenarie, Kritiske spiltråde (render, hovedlogik, vigtig fysik) falder på P-kernernemens E-kernerne håndterer tråde med lavere prioritet, systemopgaver og baggrundsprocesser såsom capture cards, chats, browsere osv.

Når et spil starter, for eksempel en niende eller tiende tråd, der kun bruger mellem 10% og 30% af en P-kerne intermitterendeTråddirektøren kan foreslå operativsystemet, at det flytter tråden til en E-kerne. Scheduleren, der ved, at denne tråd ikke er kritisk, og tager højde for performance/effektivitetsscoren, sender den til den effektive kerne uden at påvirke spiloplevelsen.

Det skal bemærkes, at en E-Core er mere beskeden end en P-Core, men hvis arbejdsbyrden er lille, Den kan optage en større procentdel af E-Core (for eksempel 60%) og stadig levere den nødvendige ydeevne uden at skabe flaskehalse.På denne måde frigøres P-kernerne til det, der virkelig betyder noget, og det tilgængelige silicium bliver bedre "klemt".

I de fleste veldesignede spil, der kører på Windows 11, er kombinationen af Den hybridbevidste planlægger plus tråddirektør tilbyder stabil adfærd i omkring 99% af tilfældene.Der er dog nogle titler eller motorer med noget usædvanlige trådmønstre, hvor fordelingen ikke er så perfekt, men disse har en tendens til at være undtagelsen.

Forholdet til Windows 11, Windows 10 og generel kompatibilitet

Et af hovedpunkterne er, at Windows 11 blev udviklet i direkte samarbejde mellem Microsoft og Intel for at udnytte hybridarkitekturen fuldt ud og bruge Thread Director som standard.Dette inkluderer en opdateret planlægger, specifikke strømpolitikker og finere integration med telemetri fra CPU'en.

I Windows 10 er planlæggeren dog Den er ikke designet fra bunden til at forstå P-kerner og E-kerner eller til korrekt at fortolke Thread Director-signaler.Det virker, men opgavefordelingen er mere "blind", og derfor kan ydeevne og effektivitet være betydeligt lavere sammenlignet med den samme CPU i Windows 11.

I Linux har historien taget en anden vej. I starten, Kernen udnyttede ikke Intels hybridkerner fuldt ud, hvilket resulterede i betydeligt dårligere ydeevne end i Windows.især under blandede arbejdsbelastninger og virtualisering. Med tiden er kernelplanlæggeren og grænsefladerne med Thread Director blevet forfinet.

Takket være de seneste kernepatches har Intel tilføjet avanceret understøttelse af Thread Director og har derudover arbejdet med virtualisering af denne teknologi til virtuelle maskiner (Thread Director Virtualization)Dette giver en gæst, såsom en virtuel Windows 11-maskine, mulighed for at drage fordel af ITD-baseret programmeringslogik, selv når den kører oven på en Linux-vært.

I tests med en Core i9-13900K, der kører Windows 11 i en Linux VM, blev det målt Op til 14% forbedring af ydeevnen i 3DMark ved korrekt udnyttelse af allokeringen mellem P-kerner og E-kerner fra den virtuelle maskineDenne gevinst er især interessant for servere, der tilbyder cloud-spil eller flere virtuelle skriveborde.

Tråddirektør hos Alder Lake, Raptor Lake, Meteor Lake og videre

Tråddirektøren debuterede officielt med 12. generations Intel Core-processorer (Alder Lake), som først introducerede hybrid desktoparkitekturDisse chips kombinerer højtydende P-kerner med effektive E-kerner og er fremstillet ved hjælp af Intel 7-litografi, der arver mange af mærkets tidligere teknologier.

I Alder Lake-S, designet til stationære computere og LGA1700-sokkel, finder vi Op til 16 kerner (8 P-kerner + 8 E-kerner) og 24 tråde i alt, understøttelse af DDR5, bagudkompatibilitet med DDR4 og PCIe 5.0-baner direkte fra CPU'enDerudover er der den klassiske Intel Smart Cache (delt L3) og en reorganiseret L2-cache til at rumme de to typer kerner.

P-Cores-funktionen 1,25 MB L2-cache pr. kerne, mens E-kernerne er grupperet i klynger på fire, der deler 2 MB L2Derudover er der op til 30 MB L3-cache (LLC) fælles for alle kerner, hvilket hjælper med at reducere latenstid og forbedre dataudveksling mellem tråde af forskellige typer.

Platformen tilføjer også Understøttelse af PCIe 5.0 (op til 16 baner fra CPU'en), plus PCIe 4.0-baner fra Z690-chipsættet, integreret WiFi 6E og Thunderbolt 4-kompatibilitetSelvom der på lanceringstidspunktet næsten ikke var nogen PCIe 5.0 GPU'er og SSD'er, var infrastrukturen allerede på plads.

Med Raptor Lake forfinede Intel denne tilgang, men den virkelige ændring i Thread Director kommer med Meteor Lake: Evalueringslogikken udføres derefter på de lavstrøms E-kerner, der findes i Tile SoC'en, som er blokken med direkte adgang til RAM takket være den integrerede hukommelsescontroller.Derfra analyseres hver proces, og der træffes en beslutning om, hvorvidt den kan løses i disse E-kerner, eller om den skal henvises til Compute Tile, hvor de kraftigste kerner findes.

Det betyder, at startende fra Meteor Lake, Tråddirektøren behøver ikke længere konstant at orkestrere direkte mellem "tre typer kerner", fordi mange opgaver med lav efterspørgsel løses, før de når de primære P-kerner.Først når det registreres, at en belastning kræver mere processorkraft, flyttes den til højtydende computerblokken.

Integration med Alder Lake-S hybridarkitekturen

Inden for desktop-økosystemet repræsenterer Alder Lake-S det perfekte eksempel på, hvad Thread Director kan bidrage til en hybridprocessor med meget klare mål: gaming, indholdsskabelse og avanceret overclocking.Intel har redesignet hele platformen for at udnytte denne blanding af kerner.

Hybridarkitektur opgiver den gamle monolitiske tilgang og foreslår en model, der minder meget om ARM big.LITTLE, med P-kerner designet til tunge arbejdsbelastninger og E-kerner gearet til skalerbarhed og multitasking-effektivitetDenne kombination giver en stigning på 19% i IPC pr. kerne sammenlignet med den 11. generation, ifølge Intels interne målinger.

I dagligdags vendinger betyder det, at når man kører et spil, P-kernerne håndterer spilmotoren, mens E-kernerne tager sig af baggrundsopgaver såsom streaming, Discord, browsing eller systemprocesser.Intel har vist forbedringer på op til 19% i gaming og op til 84% i "gaming + streaming"-scenarier sammenlignet med en Core i9-11900K.

Denne adfærd afhænger af tråddirektørens evne til at Registrer hvilke tråde der er kritiske for spillets latenstid, og hvilke tilføjelser der kan omdirigeres til E-Cores uden at forringe oplevelsenDette opretholder FPS-hastigheden og reducerer risikoen for hakken, når der sker mange ting på én gang.

Alder Lake-platformen introducerede også Nye strømstyringsmekanismer, der matcher PL1 og PL2 for at opretholde boostfrekvenser i længere tidDette er muligt takket være E-kerner, der kan håndtere lette belastninger uden at P-kernerne permanent er på deres termiske grænse.

Overclocking, hukommelse og tilhørende værktøjer

Alder Lake-S-modellerne kom med en modernisering af tuningværktøjerne, startende med Intel Extreme Tuning Utility (XTU) 7.5, som tilføjer specifik kontrol over E-Core-frekvenser og fuld understøttelse af DDR5Dette er ud over P-Cores-telemetri og nye interne BCLK-administrationsmuligheder.

En af de største nye udviklinger inden for hukommelse er XMP 3.0, som udvider overclockingprofiler til op til fem pr. modul (tre fra producenten og to, der kan tilpasses af brugeren)Disse brugerdefinerbare profiler kan navngives med op til 16 tegn, hvilket gør det nemt hurtigt at identificere den anvendte indstilling.

Derudover tillader XMP 3.0 Juster manuelt spændinger såsom VDD, VDDQ og VPPhvilket giver entusiaster masser af manøvremuligheder og får mest muligt ud af DDR5. Selvom Thread Director ikke direkte påvirker hukommelsen, er hele platformen designet med en bred vifte af krævende arbejdsbelastninger i tankerne.

Det blev også tilføjet Dynamisk hukommelsesboostteknologi, en slags automatisk "Turbo" til RAM, der aktiverer XMP-profilen, når der registreres en belastning, og vender tilbage til basistilstanden, når efterspørgslen falder.Denne logik minder om, hvordan Turbo Boost fungerer i CPU'er, og hjælper med at afbalancere ydeevne, strømforbrug og temperaturer uden konstant brugerindgriben.

Alt dette suppleres af Z690-chipsættet, som Den tilbyder fuld understøttelse af CPU- og hukommelsesoverclocking, plus PCIe 4.0-baner og moderne tilslutningsmuligheder såsom USB 3.2 Gen 2x2 og WiFi 6E (Gig+).Ideen er, at platformen som helhed er forberedt på at udnytte den dynamiske adfærd, som Thread Director muliggør i trådallokering.

Linux, servere og virtualisering med Thread Director

Uden for hjemmeskrivebordet begynder Thread Director at blive særligt relevant i Linux-miljøer, hvor flere virtuelle maskiner eller cloudbaserede spilstreamingtjenester kørerHer afspejles effektivitet i kerneallokering direkte i omkostninger og servicekvalitet.

Intel har for nylig lanceret en Et sæt programrettelser til Linux-kernen, der forbedrer Thread Director-integrationen og planlægningslogikken for hybrid-CPU'er betydeligtDisse ændringer justerer ikke kun, hvordan opgaver fordeles på værten, men introducerer også konceptet med Thread Director Virtualization.

Med denne virtualisering kan en virtuel maskine (for eksempel Windows 11 som gæst) Modtag og brug information fra Thread Director, selv når du kører på en Linux-vært.Resultatet er, at gæsten bedre kan fordele sine egne arbejdsbyrder mellem virtualiserede P-kerner og E-kerner og dermed komme tættere på native ydeevne.

De offentliggjorte beviser viser, at i scenarier med Spil, der kører på en Windows 11 VM på en Linux-vært med en Core i9-13900KYdelsesforbedringen kan nå op på 14 % i benchmarks som 3DMark. For Linux-baserede cloud-streamingudbydere er dette spring meget betydeligt.

Det er vigtigt at bemærke det Disse optimeringer er primært beregnet til professionelle miljøer og servermiljøer.Linux har en meget høj markedsandel sammenlignet med Windows Server. I hjemmemiljøet vil den gennemsnitlige bruger ikke mærke den store forskel, selvom det altid er gode nyheder, når kernen forbedrer sin håndtering af hybride CPU'er.

Begrænsninger, myter og hvad vi kan forvente

Trods alle dens fordele er det bedst ikke at overmytologisere Tråddirektøren. Det første, man skal forstå, er, at Det kan ikke fuldt ud kompensere for et dårligt optimeret operativsystem eller en spilmotor med dårlig trådhåndtering.Hvis belastningen er dårligt fordelt fra softwaren, kan CPU'en kun gøre så meget.

Det er heller ikke en magisk teknologi, der garanterer det Der vil aldrig være sjældne tilfælde, hvor en vigtig tråd ender i en E-Core, eller en let opgave forbliver i en P-Core længere end nødvendigt.Feedbacken er meget hurtig, men ikke øjeblikkelig, og der er altid usædvanlige indlæsningsmønstre, der kan forvirre planlæggeren.

En anden almindelig myte er, at med Thread Director, Spil- og applikationsudviklere kan helt glemme hybridarkitekturSelvom operativsystemet i de fleste tilfælde håndterer alt rimeligt godt, er det stadig en god idé at designe motorer, der bedre klassificerer deres egne tråde, sætter passende prioriteter og undgår ukontrolleret mætning, for at få mest muligt ud af det.

Når man ser frem til fremtidige generationer som Arrow Lake, peger alt på det Den grundlæggende filosofi bag Thread Director vil forblive, med forbedringer af telemetri og integration med operativsystemer.Erfaringerne fra Alder, Raptor og Meteor Lake vil bidrage til yderligere at reducere grænsetilfælde, hvor allokeringen ikke er helt optimal.

I daglig brug, for brugeren der spiller, redigerer video, streamer eller kører virtuelle maskiner, er det vigtigste at være klar over, at Windows 11 og moderne versioner af Linux med de nyeste programrettelser er næsten obligatoriske, hvis du virkelig vil have mest muligt ud af en Intel hybrid CPU.Med det rigtige system bliver Thread Director en stille allieret, der hjælper alt med at køre mere gnidningsløst og med bedre energieffektivitet.

I sidste ende har Intel Thread Director etableret sig som en central del af overgangen til pc-processorer med heterogene kerner, der giver operativsystemet mulighed for at træffe smartere beslutninger om, hvor hver tråd skal køresSelvom den ikke kører noget alene, gør dens kontinuerlige analyse af ydeevne og effektivitet en forskel i spil, multitasking, indholdsoprettelse og virtualisering, forudsat at den underliggende software er klar til at forstå det.