¿Cómo funciona Hyper Threading en los procesadores Intel Core i7?

Seguro que has oído muchas veces el término Hyper-Threading. Se supone que es una tecnología mágica que duplica la velocidad de su procesador una vez habilitada. Las empresas pueden activarlo o desactivarlo y cobrar mucho más, como una prima.

Me gustaría decir que todo eso es una completa tontería y que este artículo tiene como objetivo educarlo para que comprenda mejor qué es Hyper-Threading. Este artículo será muy amigable para los novatos.

Prefacio

En los viejos tiempos, si Intel o AMD tuvieran que fabricar una CPU más rápida, generalmente aumentarían la cantidad potencial de transistores reduciéndolos y colocando más en el mismo espacio e intentarían aumentar sus frecuencias (medidas en MHz/GHz). Todas las CPU tenían un solo núcleo. Las CPU pasaron a ser de 32 bits y podían manejar RAM de hasta 4 GB. Más tarde pasaron a CPU de 64 bits que podían manejar saltos de RAM de más de 4 GB. Luego, se decidió utilizar múltiples núcleos y distribuir las cargas de trabajo entre estos múltiples núcleos para una computación más eficiente. Todos los núcleos se comunican entre sí para distribuir cualquier tarea. Se dice que esta tarea es una tarea de subprocesos múltiples.

Partes de una CPU

Una CPU consta de las siguientes partes que funcionan en armonía. Como se mencionó anteriormente, esto será una simplificación excesiva. Este es simplemente un curso intensivo y no tome esta información como la palabra del Evangelio. Estas piezas no se enumeran en ningún orden en particular:

• Programador (en realidad a nivel del sistema operativo)
• Recuperador
• Descifrador
• Centro
• Hilo
• Cache
• Controlador de memoria y E/S
• FPU (Unidad de punto flotante)
• Registros

Las funciones de estas partes son las siguientes.

La memoria y el controlador de E/S gestionan la entrada y salida de datos hacia y desde la CPU. Los datos se llevan del disco duro o SSD a la RAM y luego los datos más importantes se llevan a la memoria caché de la CPU. El caché tiene 3 niveles. Por ej. el Core i7 7700K tiene caché L3 de 8 MB. Esta caché la comparte toda la CPU a 2 MB por núcleo. Los datos de aquí son recogidos por la caché L2 más rápida. Cada núcleo tiene su propia caché L2, que es de 1 MB en total y 256 KB por núcleo. Como el caso del Core i7, cuenta con Hyper-Threading. Cada núcleo tiene 2 subprocesos, por lo que ambos subprocesos comparten esta caché L2. La caché L1 en total es de 256 KB a 32 KB por subproceso. Aquí los datos luego ingresan a los registros que son un total de 8 registros en modo de 32 bits y 16 registros en modo de 64 bits. El SO (Sistema Operativo) programa procesos o instrucciones para el hilo disponible. Como hay 8 subprocesos en un i7, cambiará hacia y desde subprocesos dentro de los núcleos. SO como Windows o Linux son lo suficientemente inteligentes como para saber qué son los núcleos físicos y cuáles son los núcleos lógicos.

¿Cómo funciona Hyper Threading?

En una CPU multinúcleo tradicional, cada núcleo físico tiene sus propios recursos y cada núcleo consta de un único subproceso que tiene acceso independiente a todos los recursos. Hyper-Threading implica 2 (o en casos raros más) subprocesos que comparten los mismos recursos. El programador puede cambiar tareas y procesos entre estos subprocesos.

En una CPU multinúcleo tradicional, el núcleo puede “estacionarse” o permanecer inactivo si no tiene ningún dato o proceso asignado. Este estado se llama inanición y se soluciona sanamente mediante SMT o Hyper-Threading.

Núcleos físicos versus lógicos (y qué son los subprocesos)

Si lees la hoja de especificaciones de casi todos los Core i5, notarás que tiene 4 núcleos físicos y 4 núcleos lógicos o 4 subprocesos (los Coffee Lake i5 tienen 6 núcleos y 6 subprocesos). Todos los i7 hasta 7700K son de 4 núcleos y 8 núcleos lógicos/de subprocesos. En el contexto de la arquitectura de las CPU de Intel, los subprocesos y los núcleos lógicos son lo mismo. No han cambiado el diseño de su arquitectura desde Nehalem de primera generación hasta hoy con Coffee Lake, por lo que esta información se mantendrá. Esta información no será suficiente para las CPU AMD más antiguas, pero Ryzen también ha cambiado mucho su diseño y sus procesadores ahora son similares en diseño a los de Intel.

Ventajas del hiperprocesamiento

• Hyper-Threading resuelve el problema del “hambre”. Si un núcleo o subproceso está libre, el programador puede pasarle los datos en lugar de que el núcleo permanezca inactivo o esperando que otros datos nuevos fluyan a través de él.
• Se pueden realizar cargas de trabajo mucho mayores y paralelas con mayor eficiencia. Como hay más subprocesos para paralelizar, las aplicaciones que dependen en gran medida de múltiples subprocesos pueden aumentar su trabajo significativamente (aunque no el doble de rápido).
• Si está jugando y tiene algún tipo de tarea importante ejecutándose en segundo plano, la CPU no tendrá dificultades para proporcionar cuadros adecuados y ejecutar esa tarea sin problemas, ya que puede cambiar recursos entre subprocesos.

Desventajas del Hyper Threading

Las siguientes no son muchas desventajas, más bien son más inconvenientes.

• Hyper-Threading necesita implementación desde el nivel de software para aprovecharlo. Aunque cada vez se desarrollan más aplicaciones para aprovechar múltiples subprocesos, las aplicaciones que no aprovechan ninguna tecnología SMT (Simultaneous Multi-Threading) o incluso múltiples núcleos físicos se ejecutarán exactamente igual. El rendimiento de estas aplicaciones depende más de la velocidad del reloj y del IPC de una CPU.
• Hyper-Threading puede hacer que la CPU genere más calor. Esta es la razón por la que los i5 solían tener una frecuencia mucho mayor que los i7 porque no se calentaban tanto porque tienen menos subprocesos.
• Varios subprocesos comparten los mismos recursos dentro de un núcleo. Por eso el rendimiento no se duplica. Más bien, es un método muy inteligente para maximizar la eficiencia y aumentar el rendimiento siempre que sea posible.

Conclusión

Hyper-Threading es una tecnología antigua, pero llegó para quedarse. A medida que las aplicaciones se vuelven cada vez más exigentes y la tasa de mortalidad de la ley de Moore es cada vez mayor, la capacidad de paralelizar cargas de trabajo ha ayudado a mejorar significativamente el rendimiento. Poder ejecutar cargas de trabajo parcialmente paralelas ayuda a aumentar su productividad y hace su trabajo más rápido sin tartamudear. Y si estás buscando comprar la mejor placa base para tu procesador i7 de séptima generación, echa un vistazo a este artículo.