說(shuō)到超線程技術(shù)，大家應(yīng)該都不陌生了，Intel早在2002年推出的Northwood奔騰4 HT處理器就把這一技術(shù)帶入到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，雖然隨后的酷睿2處理器超線程被拋棄，不過(guò)到了2008年推出的Nehalem架構(gòu)Core i7處理器又把超線程技術(shù)帶回到市場(chǎng)上，并一直沿用至今，現(xiàn)在的Core i7/i3、部分奔騰與Atom、還有移動(dòng)版的雙核Core i5與Core M處理器都有超線程技術(shù)，AMD最新推出的Ryzen系列除最低端的Ryzen 3外都帶有SMT多線程技術(shù)，與Intel的超線程技術(shù)類(lèi)似。

在了解超線程是什么鬼之前我們要先知道線程是什么，Thread線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行運(yùn)算調(diào)動(dòng)的最小單位，它被包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位，一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。

Intel Hyper-Threading Technology（超線程技術(shù)）的學(xué)術(shù)名字是Simulate MultiThreading（SMT，同步多線程技術(shù)），SMT是超線程技術(shù)的學(xué)術(shù)名稱，這兩個(gè)東西是完全一樣的。這技術(shù)的引入是為了更好的利用CPU的空閑資源，Intel從奔騰處理器就開(kāi)始引入超標(biāo)量、亂序運(yùn)行、大量的寄存器及寄存器重命名、多指令解碼器、預(yù)測(cè)運(yùn)行等特性，這些特性的原理是讓CPU擁有大量資源，并可以預(yù)先運(yùn)行及平行運(yùn)行指令，以增加指令運(yùn)行效率，可是在現(xiàn)實(shí)中這些資源經(jīng)常閑置，為了有效利用這些資源，就干脆再增加一些資源來(lái)運(yùn)行第二個(gè)線程，讓這些閑置資源可運(yùn)行另一個(gè)線程。

什么是多線程？

MultiThreading多線程這個(gè)概念有些曖昧，多線程可以指在一個(gè)CPU核心上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程，也可以是多個(gè)任務(wù)，盡管在同一個(gè)核心內(nèi)執(zhí)行，但是它們之間完全分離。多線程在概念上類(lèi)似搶占式多任務(wù)處理，但是在現(xiàn)在的超標(biāo)量處理器中以線程級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

多線程有兩個(gè)主要實(shí)現(xiàn)方法，一個(gè)是Temporal MultiThreading時(shí)間多線程，另一個(gè)則是Simulate MultiThreading同步多線程，時(shí)間多線程還可以進(jìn)一步分為Fine-Grained MultiThreading細(xì)粒度多線程與Coarse-Grained MultiThreading粗粒度多線程。

各種多線程技術(shù)

CMT粗粒度多線程是最簡(jiǎn)單的多線程技術(shù)，當(dāng)單一執(zhí)行線程遇到長(zhǎng)時(shí)間的延遲，如Cache Missed時(shí)，就進(jìn)行線程切換，直到原線程等待的操作完成，才切換回去。

FMT細(xì)粒度多線程比CMT粗粒度多線程復(fù)雜一些，它隨時(shí)可以在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)切換多個(gè)線程，以追求最大的輸出能力，當(dāng)然，隨時(shí)可以切換也是有代價(jià)的，它拉長(zhǎng)了每個(gè)執(zhí)行線程的平均執(zhí)行時(shí)間。

CMT和FMT都沒(méi)有在消費(fèi)級(jí)處理器上面使用，Intel與AMD處理器上使用的都是SMT同步多線程，不過(guò)NVIDIA與AMD的GPU都有使用FMT技術(shù)。

SMT同步多線程具有多個(gè)執(zhí)行單元，CMT和FMT都是在單個(gè)執(zhí)行單元下的技術(shù)，不同的線程在指令級(jí)別上并不是真正的“并行”，而SMT則具有多個(gè)執(zhí)行單元，同一時(shí)間內(nèi)可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令，可以充分發(fā)掘超標(biāo)量處理器的潛力，因此SMT具有最大的靈活性和資源利用率，不過(guò)處理器也更復(fù)雜。

不過(guò)現(xiàn)在的消費(fèi)級(jí)處理器都是超標(biāo)量處理器，所以要支持SMT其實(shí)在架構(gòu)上不用太多改變：所需的主要添加是在一個(gè)周期中從多個(gè)線程獲取指令的能力，以及一個(gè)更大的寄存器文件來(lái)保存來(lái)自多個(gè)線程的數(shù)據(jù)。并發(fā)線程的數(shù)量可以由芯片設(shè)計(jì)者決定。常見(jiàn)模式是每個(gè)CPU核心有兩個(gè)并發(fā)線程，但一些處理器的每個(gè)核心支持最多八個(gè)并發(fā)線程。

工作原理

對(duì)于單一處理器核心來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō)，雖然也可以每秒鐘處理成千上萬(wàn)條指令，但是在某一時(shí)刻，只能夠?qū)σ粭l指令(單個(gè)線程)進(jìn)行處理，超線程技術(shù)能夠 把一個(gè)物理處理器在軟件層變成兩個(gè)邏輯處理器 ，可以使處理器在某一時(shí)刻，同步并行處理更多指令和數(shù)據(jù)(多個(gè)線程)，當(dāng)然了實(shí)際效能不可實(shí)現(xiàn)雙倍提升，畢竟干活的核心只有一個(gè)。

邏輯雙核與物理雙核

可以這樣說(shuō)，超線程是一種可以將CPU內(nèi)部暫時(shí)閑置處理資源充分“調(diào)動(dòng)”起來(lái)的技術(shù)，奔騰4 HT處理器多加入了一個(gè)邏輯處理單元，這讓CPU可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)程序而共享一顆CPU內(nèi)的資源，如：ALU、FPU、 緩存等，當(dāng)兩個(gè)線程都同時(shí)需要某一個(gè)資源時(shí)，其中一個(gè)要暫時(shí)停止，并讓出資源，直到這些資源閑置后才能繼續(xù)，因此超線程的性能并不等于兩顆CPU的性能。

四個(gè)框框（雙核四線程）的奔騰EE 840在單核還是絕對(duì)主流的2005年看起來(lái)就夸張

在發(fā)布奔騰4 HT處理器的時(shí)候Intel說(shuō)過(guò)，超線程技術(shù)只增加了5%的芯片面積，就可換來(lái)15%~30%的性能提升，而后來(lái)的Nehalem架構(gòu)帶來(lái)了全新的超線程技術(shù)，得益于指令集分制預(yù)測(cè)技術(shù)與較短的流水線，它擁有比奔騰4好得多的效能，再加上整合了內(nèi)存控制器讓其擁有更大的內(nèi)存帶寬，還有更大的緩存，這樣就更能夠有效的發(fā)揮超線程的作用，Nehalem的超線程可以在增加很少能耗的情況下，讓性能提升20-30%，后續(xù)每一代雖然都有一些小修改，不過(guò)基本上都是Nehalem架構(gòu)的延續(xù)。

超線程的作用

其實(shí)在Intel剛把超線程技術(shù)推向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的時(shí)候市場(chǎng)反應(yīng)不怎么好，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的操作系統(tǒng)和軟件都沒(méi)有對(duì)多線程技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，多數(shù)軟件都是以單線程運(yùn)行，超線程的優(yōu)勢(shì)非但顯露不出來(lái)反而會(huì)因?yàn)榱硪粋€(gè)虛擬處理器搶占資源導(dǎo)致運(yùn)行起來(lái)比沒(méi)超線程的處理器更慢。

這些問(wèn)題隨著這些年來(lái)操作系統(tǒng)和軟件逐步對(duì)多核多線程進(jìn)行優(yōu)化得到改變，特別是Windows 10系統(tǒng)對(duì)多線程優(yōu)化相當(dāng)好，操作系統(tǒng)的調(diào)度器設(shè)置更為科學(xué)，多核心多線程的負(fù)載更為平均，你在Windows 10系統(tǒng)下打開(kāi)任務(wù)管理器會(huì)發(fā)現(xiàn) 不論物理核心還邏輯核心的負(fù)載都相當(dāng)平衡，除非是人為指定負(fù)載線程，否則很少會(huì)出現(xiàn)之前Windows 7那樣單核負(fù)載多核圍觀的慘狀。

Windows 10下CPU的負(fù)載相當(dāng)平均

至于超線程的作用其實(shí)還是很明顯的，之前我們對(duì)比測(cè)試過(guò)Core i7-6700K和Core i5-7600K，他們倆的四核與單核Boost頻率是相同的，都是4.0GHz與4.2GHz，區(qū)別就在于超線程的有無(wú)和L3緩存的大小了，至于Skylake與Kaby Lake兩者是沒(méi)有性能上的差別的。

有超線程的Core i7-6700K多線程性能比Core i5-7600K好19%左右，然而超線程技術(shù)在提升處理器的利用率增大吞吐量的同時(shí)也稍微增加了單個(gè)線程的延時(shí)，如果只看單線程能力的話Core i5-7600K其實(shí)比Core i7-6700K還好2.8%左右，然而降低這么一點(diǎn)單線程性能讓多線程性能提升這么多這其實(shí)是很劃算的。

太長(zhǎng)不看版：

簡(jiǎn)單地說(shuō)，超線程技術(shù)是一個(gè)很好的提升核心利用率的東西，將閑置處理資源充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，增強(qiáng)核心并行運(yùn)算性能，在操作系統(tǒng)中一顆物理CPU能當(dāng)做多顆CPU來(lái)使用。

超線程有什么好處呢：

· 有效提升CPU利用率

· 改善計(jì)算機(jī)的性能

· 提高系統(tǒng)可靠性

比如奔騰G4560這種雙核在擁有超線程之后性能暴增，在低端入門(mén)市場(chǎng)相對(duì)受歡迎，雙核四線程的處理器能夠?qū)?yīng)大多數(shù)輕量級(jí)日常應(yīng)用。當(dāng)然隨著核心數(shù)目增多超線程的作用就越弱，特別是那些八核或者核心數(shù)更多的處理器，十六個(gè)框框看起來(lái)很爽然而實(shí)際上用起來(lái)很多線程都是空載的，大多數(shù)消費(fèi)者與應(yīng)用都沒(méi)法很好的利用這么多線程的性能，目前只有視頻和3D渲染軟件和壓縮軟件有能做到，軟件還是制約硬件性能的最大因素。

另外，超線程技術(shù)需要CPU支持，需要主板支持，需要操作系統(tǒng)支持，還需要應(yīng)用軟件支持，缺一不可，否則就玩不轉(zhuǎn)了。