Advanced Computer Architecture 10. マルチスレッド・プロセッサ 五島 正裕 Advanced Computer Architecture 内容 1. スレッド と マルチスレッド・プロセッサ 2. スループット指向 MTP 3. TLP 指向 MTP Advanced Computer Architecture スレッド と マルチスレッド・プロセッサ Advanced Computer Architecture スレッド (thread) とは いろいろなレベルのスレッド 言語のスレッド Java thread スレッド・ライブラリのユーザ・レベル・スレッド： スレッド・ライブラリのシステム・レベル・スレッド＝OS のスレッ ド： Pthreads，NT thread HW のスレッド： プロセッサ・コンテクスト：「プロセッサの実行状態」 「1つの PC で指定される命令流」 Advanced Computer Architecture OS のスレッド タスク ― スレッド・モデル 1つのプロセス ＝ 1つのタスク ＋ 1つ以上のスレッド スレッド タスク タスク シングル・スレッド・プロセス マルチスレッド・プロセス Advanced Computer Architecture OS のスレッド タスク，スレッドの HW 上の実体： タスクの実体： ページ・テーブル（大きい） スレッドの実体： プロセッサ・コンテクスト（小さい） マルチ・プロセス ＞ マルチスレッドのシングル・プロセス スレッド タスク タスク シングル・スレッド・プロセス マルチスレッド・プロセス Advanced Computer Architecture マルチスレッド・プロセッサ (MTP) プロセッサ・コンテクスト (processor context) プロセッサの動作状態を一意に定義するデータの集合 「コンテクスト・スイッチのとき，退避/復帰されるもの」 PC，レジスタ，etc． マルチスレッド・プロセッサ (MTP)： 複数のプロセッサ・コンテクストを保持する それらのスイッチを HW が行う 1個のプロセッサであって，複数のスレッドを「同時に」実行できるも の Advanced Computer Architecture 余談：マルチスレッド・プロセッサの英 訳？ Google (2009/06/23) “multithreaded processor” (18,100件) “multi-threaded processor” (12,800件) “multithreading processor” ( 6,980件) “multi-ｔhreading processor” ( 1,720件) “multithread processor” ( 1,710件) “multi-thread processor” ( 1,840件) Advanced Computer Architecture 余談：マルチスレッド・プロセッサ マルチスレッド・プロセッサ 複数スレッドを「同時に」実行できる1つのプロセッサ マルチコア (multicore)，チップ・マルチプロセッサ (CMP) 複数のプロセッサ（コア）が1つのチップ（パッケージ）に集積されて いるもの マルチプロセッサ (multiprocessor) 複数のプロセッサ・チップを持つ1つのシステム マルチスレッドのマルチコア，マルチプロセッサもある Advanced Computer Architecture 余談：CPU，プロセッサ と コア 「CPU」 obsolete? 「マルチコア・プロセッサ」，「Intel Core i7 プロセッサ」 「プロセッサ」は，チップ，パッケージ． 「コア」は，プログラムを実体する実体の一揃い 「プロセッサ・コンテクスト」，「マルチスレッド・プロセッサ」 「プロセッサ」は，プログラムを実体する実体の一揃い 「マルチコア・プロセッサ」の「コア」に相当 ならば，「コア・コンテクスト」，「マルチスレッド・コア」と言うか？ Advanced Computer Architecture 複数のスレッドの元 複数のスレッドの元 (source)： 複数のプログラムから1本ずつ 1本のプログラムから複数のスレッド それらの組み合わせ 抽出の方法： スレッド・ライブラリや言語機能を用いてプログラマが 自動マルチスレッド化コンパイラが HW が Advanced Computer Architecture MTP の分類 スループット指向 粗粒度の並列性がある単一のプログラム（⇒ 複数のプログラム） データ並列性 「粗粒度のスレッド」 ‧ スレッド・ライブラリ ‧ 言語のスレッド機能 複数のプログラム 「単一のプログラムは速くならないが， 複数のプログラムを実行しても遅くならない」 TLP (Thread-Level Parallelism) 指向 粗粒度の並列性がない単一のプログラム ⇒ TLP の抽出 Advanced Computer Architecture MTP の分類 プログラム 粗粒度の並列性 なし 指向 TLP 指向 (Thread-Level Parallelism) 単一 データ並列性 粗粒度のスレッド スループット指向 複数 あり （複数プログラム） Advanced Computer Architecture スループット指向 MTP Advanced Computer Architecture スループット指向 MTP の対象 スループット指向 MTP の対象： 粗粒度の並列性がある単一のプログラム データ並列性 「粗粒度のスレッド」 ‧ スレッド・ライブラリ ‧ 言語のスレッド機能 複数のプログラム： 「単一のプログラムは速くならないが， 複数のプログラムを実行しても遅くならない」 Advanced Computer Architecture スループット指向 MTP の戦略 スループット指向 MTP の戦略： 計算資源の利用効率の向上 シングル・スレッドでは使いきれない計算資源の活用 使い切れない原因：レイテンシ 依存関係：レイテンシ分の空きスロット，バブル 予測ミス：ペナルティ分の空きスロット，バブル 実際的な主要因： データ依存 分岐予測ミス キャッシュ・ミス Advanced Computer Architecture スループット指向 MTP の分類 細粒度 (fine-grain) MTP クロック単位で切り替え SONY Cell PPE (2threads) Microsoft Xbox 360 (2threads) ？ 粗粒度 (coarse-grain) MTP，SoE (Switch on Event) MTP 長レイテンシ（キャッシュ・ミス）イベント発生時に切り替え Intel Itanium 2 SMT (Simultaneous Multi-Threading) プロセッサ 命令単位で切り替え Intel Hyper-Threading (HT) Technology (2threads) Advanced Computer Architecture 細粒度 MTP の効果 毎サイクル，スレッドを切り替える たとえば，スレッド数 ２ なら， クロックを倍，パイプライン段数を倍にしても，レイテンシの影響が出 ない cycle cycle Advanced Computer Architecture 細粒度 MTP の効果 昔 微細化 パイプライン化 細粒度 MT IF IF ID EX IF ID ID EX IF L1 WB EX L1 L1 WB ID EX L1 IF IF ID EX L1 L1 WB IF IF ID EX L1 L1 WB IF IF ID EX L1 L1 WB IF IF ID EX L1 L1 WB IF IF ID IF IF WB EX L1 L1 WB ID EX L1 L1 WB WB Advanced Computer Architecture 粗粒度 MTP の効果 キャッシュ・ミス（など）で切り替え 分岐予測ミスには効果なし cycle キャッシュ・ミス キャッシュ ミス キャッシュ ヒット Advanced Computer Architecture SMT の構成 Out-of-Order スーパスカラがベース 拡張： 命令フェッチ： 細粒度で（クロックごとに）スレッド切り替え それ以外： 論理レジスタ番号をスレッドの ID で拡張 ‧ 「スレッド 0 は r0～r31，スレッド 1 は r32～r63」 Advanced Computer Architecture SMT PC PC 命令 キャッシュ フェッチ Fetch RFRF リネーム ロジック 命令 ウィンドウ リネーム ディスパッチ スケジュール 発行 Rename Dispatch Schedule Issue フロントエンド front-end 演算器 読出 OR 実行 Exec バックエンド back-end 書戻 WB Advanced Computer Architecture SMT の効果 演算器 cycle 演算器 演算器 cycle Advanced Computer Architecture SMT の利点/欠点 利点： OoO スーパスカラから，わずかな追加 HW で，MT化できる 他の MTP に比べ， 分岐予測ミス・ペナルティを含む，すべてのレイテンシを隠蔽可能 欠点（？）： （マルチコアに比べると）性能向上幅が小さい 「貧乏人のマルチコア」 スケーラブルでない 大容量のレジスタ・ファイルが必要になる Advanced Computer Architecture SMT のスレッド数 SMT の効果：空いている演算器の有効利用 スレッド数のみ ２ 以上に増やしても，性能向上はわずか スレッド数を（２より）増やす ⇒ 演算器を 1揃い より増やす シングル・コア 4-way SMT vs non-SMT デュアルコア デュアルコアの方が分散していてコンパクト 実際上，スレッド数は 2 まで たとえば，Quad-core を SMT 化するか？ HW コストには見合うが，努力に見合うか？ Advanced Computer Architecture TLP 指向 MTP Advanced Computer Architecture TLP と ILP ILP : Instruction-Level Parallelism （1本のスレッドの中の）命令レベルの並列性 TLP : Thread-Level Parallelism 複数のスレッドの中の 命令レベルの並列性 複数の PC が指す周辺にある ILP データ並列性や「粗粒度のスレッド」によるスレッドの並列性は，TLP と は言わない（たぶん） ILPは 1～2，TLPは10～100（理想） Advanced Computer Architecture スレッドの抽出法 スレッドの抽出法： 静的： コンパイラ バイナリ互換性なし 動的： プロセッサ バイナリ互換性維持（可能） Advanced Computer Architecture SpMT SpMT（Speculative Multi-Threading，投機的MT） 逐次プログラムをTLP指向で PC を複数 必然的に投機的になる 子スレッドを投機的に fork． プログラマ（やコンパイラ）が指定可能な粒度では敵わない ⇒ 再粒度 １スレッド：数～数十命令 Advanced Computer Architecture 複数パス実行 複数パス実行 (multi-path execution) 分岐予測があたりにくい分岐の先を子スレッドに あたったスレッドが生き残る 分岐予測 複数パス実行 PC PC PC PC PC Advanced Computer Architecture ヘルパ・スレッディング (helper threading) ヘルパ・スレッド 簡約化されたコードを実行し，キャッシュ・プリフェッチ（など）を行 う メイン・スレッド キャッシュ・アクセスがヒットする Pseudo Multi-Threading (using Intel Hyper-Threading) メイン・スレッド × 1 ＋ ヘルパ・スレッド × 1 を SMT で． Advanced Computer Architecture Slipstream Processors Slipstream Processors 先行スレッド 静的予測に基づいて簡約化されたコードを実行 簡約化されているので速い キャッシュや予測器を暖める 検証スレッド 先行スレッドの後を追って， 簡約化されていないコードを実行し，予測を検証 キャッシュや予測器が暖まっているので速い Advanced Computer Architecture 今日のまとめ Advanced Computer Architecture MTP の分類 プログラム 粗粒度の並列性 なし 指向 TLP 指向 (Thread-Level Parallelism) 単一 データ並列性 粗粒度のスレッド スループット指向 複数 あり （複数プログラム） Advanced Computer Architecture スループット指向 MTP の分類 細粒度 (fine-grain) MTP クロック単位で切り替え SONY Cell PPE (2threads) 粗粒度 (coarse-grain) MTP，SoE (Switch on Event) MTP 長レイテンシ（キャッシュ・ミス）イベント発生時に切り替え Intel Itanium 2？ SMT (Simultaneous Multi-Threading) プロセッサ 命令単位で切り替え Intel Hyper-Threading (HT) Technology (2threads) Advanced Computer Architecture SpMT SpMT（Speculative Multi-Threading，投機的MT） 逐次プログラムをTLP指向で ⇒ 必然的に投機的になる 親スレッドが，複数の子スレッドを投機的に fork，データ予測 あたったスレッドが生き残る 分岐予測 SpMT PC PC PC PC PC
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