Simultaneous Multithreading: Leistungssteigerung und Effizienz bei AMD EPYC-Prozessoren

Kompromisslose Leistung: Maximierung der Effizienz mit AMD EPYC und SMT

Einer der größten Vorteile von Arm-basierten Prozessoren liegt in der Vorhersehbarkeit der Leistung und der Energieeffizienz. Um ein solches Maß an Effizienz und Leistung zu erreichen, haben die Hersteller die Möglichkeit geschaffen, mehrere Threads gleichzeitig auszuführen. Diese Technologie wird in CPUs der Enterprise-Klasse eingesetzt und wird als SMT bezeichnet.

ARM-Anbieter vertreten die Ansicht, dass SMT zu Unvorhersehbarkeiten bei der Leistung und zu Sicherheitslücken führt und dass für die Implementierung dieser Technologie zusätzliche Kosten anfallen. Trotz dieser Reaktion unterstützt ARM Multithreading in eingebetteten Anwendungen und bei bestimmten Prozessoren. Angesichts der unterschiedlichen, widersprüchlichen Ansichten der Anbieter wollen wir dieses Thema näher beleuchten, um ein besseres Verständnis von Simultaneous Multithreading zu erlangen

SMT verstehen

SMT ist eine Technologie, die entwickelt wurde, damit der CPU-Kern mehrere Threads gleichzeitig verarbeiten kann. Seit dem Aufkommen dieser Technologie wurde sie in vielen Prozessoren für unterschiedliche Anzahlen von Threads eingesetzt. Der gängigste Ansatz, den wir in diesem Artikel behandeln werden, ist das 2-Way-SMT – dabei werden zwei Threads gleichzeitig ausgeführt.

Vorteile des Einsatzes von SMT

• Besserer Durchsatz. Die gleichzeitige Nutzung von zwei Threads führt zweifellos zu einer Leistungssteigerung und einem höheren IPC (Instructions Per Cycle, Befehle pro Takt).
• Bessere Ressourcennutzung innerhalb des Kerns. Durch den Einsatz von SMT ist es möglich, einen Prozess zu schaffen, bei dem der Kern ständig dynamisch ausgelastet ist. Wenn es beim ersten Thread zu einer Unterbrechung kommt, weil er auf die erforderlichen Daten wartet, läuft der zweite Thread weiter und nutzt die Ressourcen des Kerns.
• Effiziente Energienutzung. Dank SMT lässt sich die Leistung steigern, ohne dass sich dies gleichzeitig auf den Stromverbrauch auswirkt.
• Möglichkeit zur deutlichen Leistungssteigerung ohne zusätzliche Lizenzkosten.
• Flexibilität. SMT kann über das BIOS deaktiviert oder aktiviert werden, was Administratoren große Flexibilität bei der Ausnutzung der idealen Arbeitslast bietet.
• Softwareunterstützung. SMT wird bereits seit mehr als 20 Jahren eingesetzt, und in dieser Zeit hat die Softwareunterstützung ein so hohes Niveau erreicht, dass die meisten modernen Ökosysteme SMT vollständig unterstützen. Diese Funktion ist in den meisten Szenarien sofort einsatzbereit, sodass Entwickler sie direkt nutzen können, ohne sie zusätzlich unterstützen zu müssen.

Herausforderungen bei der SMT-Implementierung

• Die vergrößerte Angriffsfläche. Angriffe sind heutzutage so häufig und können auf absolut alles zugreifen; deshalb wird jede Funktion als potenzielle Angriffsfläche betrachtet. Es gibt zahlreiche Tests zu möglichen Schwachstellen, gerade weil SMT ein potenzielles Angriffsziel darstellt. In den letzten 20 Jahren haben die Anbieter die Möglichkeiten solcher Bedrohungen erheblich minimiert. AMD setzte Sicherheitsfunktionen wie SEV-SNP ein, und der Prozess der Erkennung neuer Bedrohungen dauert weiterhin an.  
• Ein weiteres mögliches Problem ist die Herausforderung, für beide Threads eine hervorragende Leistung nachzuweisen. Es ist entscheidend zu bestimmen, wie Befehle effektiv eingeplant werden und welche Ressourcen gemeinsam genutzt werden sollten. Um das Prinzip der gleichmäßigen Aufteilung zu unterstützen, sollten bestimmte Kontrollmechanismen implementiert werden.

Die Kosten von SMT: Lohnt sich die Investition?

Aus Sicht des normalen Nutzers handelt es sich lediglich um eine Standardfunktion, die bereits vorhanden ist und keine zusätzlichen Investitionen erfordert. Sie lässt sich bei Bedarf ganz einfach ein- und ausschalten.

Betrachtet man die Kosten im Zusammenhang mit der Implementierung dieser Funktion, so sind diese relativ gering, und die Vorteile überwiegen die minimalen Investitionen. So beansprucht die Implementierung von SMT bei den neuesten Kernen beispielsweise weniger als 5 Prozent der Kernfläche. Dies umfasst die gesamte wichtige Logik, die die gemeinsame Nutzung der Kernressourcen ermöglicht. Das bedeutet, dass SMT nur minimaler Siliziumfläche bedarf und außergewöhnliche Leistungsergebnisse liefert.

Darüber hinaus kann sich zusätzliche Leistung direkt auf die Kosteneinsparung auswirken, falls die Software je nach Anzahl der Kerne lizenziert wird.  

Wie SMT Leistung und Effizienz steigert

AMD EPYC-Prozessoren haben ihre Effizienz und ihre hohen Leistungsmerkmale bereits unter Beweis gestellt. Dies gilt auch für Workloads, die von SMT und Multithreading profitieren, während andere, wie beispielsweise Rechen- und HPC-Anwendungen, davon nicht profitieren.

Der von Phoronix an Zen 5 durchgeführte Test zeigte bei den meisten getesteten Workloads eine extrem verbesserte Leistung, insbesondere bei Kryptografie und Datenbanken.

Zudem ist es wichtig zu erwähnen, dass Tests an der 5. und 4. Generation von EPYC mit verschiedenen Workloads fast keinen oder nur einen minimalen Unterschied im Stromverbrauch zeigten, wenn die Funktion deaktiviert bzw. aktiviert war.

Durchschnittliche Tests ergaben, dass SMT auf dem EPYC 9575F im Vergleich zur deaktivierten Funktion nur einen Anstieg von 2 Watt verursachte.

SMT ist wirklich effizient, und wir werden erneut versuchen, diese Tatsache zu belegen. Wenn der Kern eine Anweisung ausführt, kann ein Thread anhalten und auf Daten warten; während des Warteprozesses bleibt der Stromverbrauch unverändert. Wird ein zweiter Thread hinzugefügt, wird die Lücke sofort gefüllt und die Leistung verbessert. Das bedeutet, dass die Energieeffizienz weitaus stärker gesteigert wird als der geringfügige Anstieg des Stromverbrauchs.  

AMD EPYC mit SMT: Konsequent außergewöhnlichen Mehrwert liefern

Die SMT-Technologie wurde vor langer Zeit entwickelt, als noch 2 oder 4 Kerne pro Sockel zum Einsatz kamen und jeder versuchte, das Maximum aus den verfügbaren Ressourcen herauszuholen. Heute ist die Situation deutlich besser, da EPYC-Prozessoren bis zu 192 Kerne pro Sockel bieten, doch die SMT-Technologie ist nach wie vor effektiv. Diese Funktion ist zweifellos von großer Bedeutung und kann den Bedarf an mehr Ressourcen mit den erforderlichen Investitionen in Einklang bringen. SMT ist eine hervorragende Wahl, um die Leistung zu steigern – und das nahezu ohne zusätzliche Kosten.