Bibliographie & annexes
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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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MOTS-CLÉS
parallélisme de tâches multithreading processeur multicoeur hiérarchie de caches réseau d'interconnexion
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Différentes approches multithreads
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1. Introduction au multithreading
1.1 Processus et thread
Avant d’aborder la technique du multithreading et ses implantations matérielles, il est nécessaire de définir les notions de processus et de thread. La terminologie française pour thread, qui est processus léger ou fil d’exécution, est rarement utilisée.
Un processus fournit les ressources nécessaires pour exécuter un programme. Il dispose d’un espace d’adressage virtuel, du code exécutable, des accès aux objets système, un contexte de sécurité, un identificateur de processus unique, des variables d’environnement, une classe de priorité, des tailles minimales et maximales de travail, et au moins un thread d’exécution. Chaque processus est démarré avec un seul thread, souvent appelé le thread principal, mais peut créer des threads supplémentaires à partir de l’un de ses threads.
Un thread est une entité dans un processus qui peut être ordonnancée pour l’exécution. Tous les threads d’un processus partagent son espace d’adressage virtuel et les ressources système. En outre, chaque thread tient à jour les gestionnaires d’exception, une priorité de planification, une pile locale, un identifiant de thread unique et un ensemble de structures que l’environnement d’exécution utilisera pour sauvegarder le contexte du thread jusqu’à son utilisation. Le contexte du thread inclut les registres processeur qui lui sont propres, un bloc d’environnement de thread et une pile utilisateur dans l’espace d’adressage du processus du thread, comme le montre la figure 1 avec un processus à un seul thread (partie gauche) et un processus à plusieurs threads (partie droite).
1.2 Utilisation du multithreading
Un ancêtre du multithreading est la multiprogrammation qui n’implique pas le support d’une architecture parallèle. La multiprogrammation a été utilisée dès les années 1960, avec le support de la mémoire virtuelle, pour tolérer la latence vers les mémoires secondaires (disques, bandes…).
Par exemple, sur un défaut de page, le système d’exploitation réalise une commutation de contexte pour lancer un autre...
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Introduction au multithreading
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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