تقنية تعدد الخيوط المتزامنة

تقنية المعالجة المتعددة الخيوط (المعروفة رسميًا باسم تقنية المعالجة المتعددة الخيوط أو تقنية HT ، ويُشار إليها اختصارًا بـ HTT أو HT ) هي تقنية خاصة بشركة إنتل تُستخدم لتحسين التوازي في العمليات الحسابية (تنفيذ مهام متعددة في وقت واحد) على معالجات x86 . تم تقديمها في معالجات خوادم Xeon في فبراير 2002، وفي معالجات سطح المكتب Pentium 4 في نوفمبر 2002. ^{[ 4 ]} ومنذ ذلك الحين، أدرجت إنتل هذه التقنية في معالجات Itanium و Atom و Core ، وغيرها. ^{[ 5 ]}

لكل نواة معالج موجودة فعليًا، يتعامل نظام التشغيل مع نواتين افتراضيتين (منطقيتين) ويوزع عبء العمل بينهما كلما أمكن. تتمثل الوظيفة الرئيسية لتقنية تعدد الخيوط المتزامنة (HTT) في زيادة عدد التعليمات المستقلة في خط الأنابيب؛ فهي تستفيد من بنية المعالجات فائقة التوازي ، حيث تعمل تعليمات متعددة على بيانات منفصلة بالتوازي . مع تقنية HTT، تظهر النواة الفعلية الواحدة كمعالجين لنظام التشغيل، مما يسمح بجدولة عمليتين متزامنتين لكل نواة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لعمليتين أو أكثر استخدام نفس الموارد: فإذا لم تكن موارد إحدى العمليات متاحة، فيمكن لعملية أخرى الاستمرار إذا كانت مواردها متاحة.

إضافة إلى اشتراط دعم تعدد الخيوط المتزامنة في نظام التشغيل، لا يمكن الاستفادة من تقنية تعدد الخيوط المتزامنة بشكل صحيح إلا مع نظام تشغيل مُحسَّن خصيصًا لها. ^{[ 6 ]}

تقنية المعالجة المتعددة المتزامنة (Hyper-Threading) هي شكل من أشكال تقنية المعالجة المتعددة المتزامنة التي طورتها شركة إنتل، بينما حصلت شركة صن مايكروسيستمز على براءة اختراع المفهوم الكامن وراء هذه التقنية . من الناحية المعمارية، يتكون المعالج المزود بتقنية المعالجة المتعددة المتزامنة من معالجين منطقيين لكل نواة، ولكل منهما حالة معمارية خاصة به. يمكن إيقاف كل معالج منطقي بشكل فردي، أو مقاطعته، أو توجيهه لتنفيذ سلسلة عمليات محددة، بشكل مستقل عن المعالج المنطقي الآخر الذي يشترك معه في نفس النواة المادية. ^{[ 8 ]}

على عكس التكوين التقليدي ثنائي المعالجات الذي يستخدم معالجين فعليين منفصلين، تتشارك المعالجات المنطقية في النواة متعددة الخيوط موارد التنفيذ. تشمل هذه الموارد محرك التنفيذ، والذاكرة المؤقتة، وواجهة ناقل النظام؛ وتتيح مشاركة الموارد للمعالجين المنطقيين العمل معًا بكفاءة أكبر، كما تسمح للمعالج المنطقي باستعارة الموارد من نواة منطقية متوقفة (بافتراض أن كلتا النواتين المنطقيتين مرتبطتان بنفس النواة الفعلية). يتوقف المعالج عندما يضطر إلى انتظار البيانات التي طلبها، وذلك لإنهاء معالجة الخيط الحالي. يعتمد مدى الفائدة المرجوة من استخدام معالج متعدد الخيوط، أو متعدد النوى، على احتياجات البرنامج، ومدى كفاءة كتابة البرنامج ونظام التشغيل لإدارة المعالج بكفاءة. ^{[ 8 ]}

تعمل تقنية تعدد الخيوط المتزامنة عن طريق تكرار أجزاء معينة من المعالج - تلك التي تخزن حالة البنية - دون تكرار موارد التنفيذ الرئيسية . يسمح هذا للمعالج الذي يدعم تعدد الخيوط المتزامنة بالظهور كمعالج "فعلي" عادي بالإضافة إلى معالج " منطقي " إضافي لنظام التشغيل المضيف (أنظمة التشغيل التي لا تدعم تعدد الخيوط المتزامنة ترى معالجين "فعليين")، مما يسمح لنظام التشغيل بجدولة خيطين أو عمليتين في وقت واحد وبشكل مناسب. عندما لا تكون موارد التنفيذ في المعالج الذي يدعم تعدد الخيوط المتزامنة قيد الاستخدام من قِبل المهمة الحالية، وخاصةً عندما يكون المعالج متوقفًا، يمكن استخدام موارد التنفيذ هذه لتنفيذ مهمة مجدولة أخرى. (قد يتوقف المعالج بسبب فقدان البيانات في الذاكرة المؤقتة ، أو خطأ في توقع التفرع ، أو تبعية البيانات ). ^{[ 9 ]}

هذه التقنية شفافة لأنظمة التشغيل والبرامج. الحد الأدنى المطلوب للاستفادة من تقنية المعالجة المتعددة المتماثلة (Hyper-Threading) هو دعم المعالجة المتعددة المتناظرة (SMP) في نظام التشغيل، حيث لا تختلف المعالجات المنطقية عن المعالجات الفيزيائية بالنسبة لنظام التشغيل.

من الممكن تحسين أداء نظام التشغيل على الأنظمة متعددة المعالجات والقادرة على استخدام تقنية تعدد الخيوط المتزامنة (Hyper-Threading). على سبيل المثال، لنفترض نظام SMP بمعالجين فعليين يدعمان تقنية تعدد الخيوط المتزامنة (ليصبح المجموع أربعة معالجات منطقية). إذا كان مُجدول الخيوط في نظام التشغيل غير مُدرك لتقنية تعدد الخيوط المتزامنة، فسيتعامل مع جميع المعالجات المنطقية الأربعة بنفس الطريقة. إذا كان هناك خيطان فقط مؤهلان للتنفيذ، فقد يختار جدولة هذين الخيطين على المعالجين المنطقيين اللذين ينتميان إلى نفس المعالج الفعلي. سيؤدي ذلك إلى انشغال هذا المعالج بشكل كبير، ومشاركته لموارد التنفيذ، بينما سيبقى المعالج الآخر خاملاً، مما يُؤدي إلى أداء أضعف مما لو تم جدولة الخيوط على معالجين فعليين مختلفين. يُمكن تجنب هذه المشكلة بتحسين المُجدول ليتعامل مع المعالجات المنطقية بشكل مختلف عن المعالجات الفعلية، وهو ما يُعد، بمعنى ما، شكلاً محدوداً من تغييرات المُجدول المطلوبة لأنظمة NUMA .

أول ورقة بحثية منشورة تصف ما يُعرف الآن باسم الترابط الفائق في جهاز كمبيوتر للأغراض العامة كتبها إدوارد إس. ديفيدسون وليونارد إي. شار في عام 1973. ^{[ 10 ]}

قدمت شركة دينيلكور تقنية المعالجة المتعددة الخيوط مع معالج العناصر غير المتجانسة (HEP) عام ١٩٨٢. لم يكن بإمكان خط أنابيب HEP استيعاب تعليمات متعددة من نفس العملية، بل كان يُسمح بوجود تعليمة واحدة فقط من كل عملية في خط الأنابيب في أي لحظة. في حال تسببت تعليمة من عملية معينة في حجب خط الأنابيب، تستمر التعليمات من العمليات الأخرى في العمل بعد انتهاء خط الأنابيب.

مُنحت براءة الاختراع الأمريكية للتكنولوجيا الكامنة وراء تقنية المعالجة المتعددة الخيوط إلى كينيث أوكين في شركة صن مايكروسيستمز في نوفمبر 1994. في ذلك الوقت، لم تكن تقنية معالجة CMOS متطورة بما يكفي للسماح بتنفيذ فعال من حيث التكلفة. ^{[ 11 ]}

طبّقت إنتل تقنية تعدد الخيوط المتزامنة (Hyper-Threading) على معالجات x86 في عام 2002 مع معالج Xeon القائم على معمارية Foster MP . كما أُضيفت هذه التقنية إلى معالج Pentium 4 بسرعة 3.06  جيجاهرتز القائم على معمارية Northwood  في العام نفسه، ثم أصبحت ميزة أساسية في جميع معالجات Pentium  4  HT وPentium  4 Extreme Edition وPentium Extreme Edition منذ ذلك الحين. أما معالجات Intel Core وCore 2 (2006) التي خلفت سلسلة Pentium 4، فلم تستخدم تقنية تعدد الخيوط المتزامنة. لم تكن هذه التقنية مدعومة في المعالجات القائمة على معمارية Core الدقيقة، لأن معمارية Core الدقيقة كانت امتدادًا لمعمارية P6 الأقدم . استُخدمت معمارية P6 في الإصدارات السابقة من معالجات Pentium، وتحديدًا Pentium Pro و Pentium II و Pentium III (بالإضافة إلى مشتقاتها Celeron و Xeon في ذلك الوقت). وقد أضاف نظاما التشغيل Windows 2000 SP3 و Windows XP SP1 دعمًا لتقنية تعدد الخيوط المتزامنة.

أصدرت إنتل معمارية Nehalem الدقيقة (Core  i7) في نوفمبر 2008، والتي شهدت عودة تقنية تعدد الخيوط المتزامنة. احتوت معالجات Nehalem من الجيل الأول على أربع نوى فعلية، وبلغت قدرتها الفعلية ثمانية خيوط. ومنذ ذلك الحين، تم إصدار نماذج ثنائية وسداسية النوى، تدعم أربعة واثني عشر خيطًا على التوالي. ^{[ 12 ]} كانت نوى Intel Atom السابقة معالجات ذات ترتيب تنفيذي، تدعم أحيانًا تقنية تعدد الخيوط المتزامنة، ومخصصة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة منخفضة الطاقة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية منخفضة السعر. ^{[ 13 ]} أُطلق معالج Itanium 9300  بثمانية خيوط لكل معالج (خيطان لكل نواة) بفضل تقنية تعدد الخيوط المتزامنة المحسّنة. يتميز النموذج التالي، Itanium 9500 (Poulson)، بمعمارية ذات 12 نواة، مع ثماني نوى معالجة مركزية تدعم ثماني نوى افتراضية إضافية عبر تقنية تعدد الخيوط المتزامنة. ^{[ 14 ]} كما تستخدم رقائق خوادم Intel Xeon  5500 تقنية تعدد الخيوط المتزامنة ثنائية الاتجاه. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

بحسب شركة إنتل، لم تتجاوز مساحة شريحة المعالج في أول تطبيق لتقنية تعدد الخيوط المتزامنة 5% مقارنةً بالمعالج غير المزود بهذه التقنية، إلا أن الأداء كان أفضل بنسبة تتراوح بين 15 و30%. ^{[ 17 ] [ 18 ]} وتدّعي إنتل تحسناً في الأداء يصل إلى 30% مقارنةً بمعالج بنتيوم  4 مماثل له في جميع الجوانب، ولكنه لا يدعم تعدد الخيوط المتزامنة. ويذكر موقع Tom's Hardware  : "في بعض الحالات ، قد يتفوق معالج بنتيوم 4 بتردد 3.0 جيجاهرتز مع تفعيل تقنية تعدد الخيوط المتزامنة على معالج بنتيوم 4 بتردد 3.6  جيجاهرتز مع تعطيل هذه التقنية." ^{[ 19 ]} كما تدّعي إنتل أيضاً تحسينات ملحوظة في الأداء مع معالج بنتيوم 4 المزود بتقنية تعدد الخيوط المتزامنة  في بعض خوارزميات الذكاء الاصطناعي.

بشكل عام، كان أداء تقنية المعالجة المتعددة الخيوط متفاوتاً في البداية. وكما ورد في أحد التعليقات حول الحوسبة عالية الأداء من نوفمبر 2002: ^{[ 20 ]}

يمكن لتقنية تعدد الخيوط المتزامنة تحسين أداء بعض تطبيقات MPI ، ولكن ليس جميعها. وبحسب تكوين المجموعة الحاسوبية، والأهم من ذلك، طبيعة التطبيق المُشغّل عليها، قد تتفاوت مكاسب الأداء أو حتى تكون سلبية. تتمثل الخطوة التالية في استخدام أدوات تحليل الأداء لفهم العوامل التي تُسهم في تحسين الأداء والعوامل التي تُسهم في تدهوره.

ونتيجةً لذلك، فإن تحسينات الأداء تعتمد بشكل كبير على التطبيق؛ ^{[ 21 ]} ومع ذلك، عند تشغيل برنامجين يتطلبان تركيزًا كاملًا من المعالج، قد يبدو أن أحد البرنامجين أو كليهما يتباطأ قليلًا عند تفعيل تقنية Hyper-Threading. ^{[ 22 ]} ويعود ذلك إلى أن نظام إعادة التشغيل في معالج Pentium  4 يستهلك موارد تنفيذ قيّمة، مما يؤدي إلى توزيع موارد المعالج بالتساوي بين البرنامجين، وهو ما يضيف مقدارًا متفاوتًا من وقت التنفيذ.  وقد زُوّد معالجا Pentium 4 "Prescott" وXeon "Nocona" بقائمة انتظار لإعادة التشغيل، مما يقلل وقت التنفيذ اللازم لنظام إعادة التشغيل ويتغلب تمامًا على انخفاض الأداء. ^{[ 23 ]}

وفقًا لتحليل أجرته شركة إنتل في نوفمبر 2009، فإن تأثيرات تقنية تعدد الخيوط المتزامنة على الأداء تؤدي إلى زيادة زمن الاستجابة الإجمالي في حال لم يُسفر تنفيذ الخيوط عن مكاسب كبيرة في الإنتاجية الإجمالية، والتي تختلف ^{[ 21 ]} باختلاف التطبيق. بعبارة أخرى، يزداد زمن استجابة المعالجة الإجمالي بشكل ملحوظ بسبب تقنية تعدد الخيوط المتزامنة، مع انخفاض الآثار السلبية كلما زاد عدد الخيوط المتزامنة التي يمكنها الاستفادة بفعالية من موارد الأجهزة الإضافية التي توفرها هذه التقنية. ^{[ 24 ]} يتوفر تحليل أداء مماثل لتأثيرات تقنية تعدد الخيوط المتزامنة عند استخدامها لمعالجة المهام المتعلقة بإدارة حركة مرور الشبكة، مثل معالجة طلبات المقاطعة الصادرة عن وحدات التحكم في واجهة الشبكة (NICs). ^{[ 25 ]} بينما تزعم دراسة أخرى عدم وجود تحسينات في الأداء عند استخدام تقنية تعدد الخيوط المتزامنة لمعالجة المقاطعات. ^{[ 26 ]}

عندما تم إصدار معالجات HT الأولى، لم تكن العديد من أنظمة التشغيل مُحسَّنة لتقنية تعدد الخيوط المتزامنة (مثل ويندوز 2000 ولينكس الأقدم من الإصدار 2.4). ^{[ 27 ]}

في عام 2006، وُجهت انتقادات لتقنية المعالجة المتعددة الخيوط (Hyper-Threading) بسبب استهلاكها المفرط للطاقة. ^{[ 28 ]} فعلى سبيل المثال، ذكرت شركة ARM (وهي شركة متخصصة في تصميم وحدات المعالجة المركزية منخفضة الطاقة) أن المعالجة المتعددة الخيوط المتزامنة (SMT) قد تستهلك طاقةً أكثر بنسبة تصل إلى 46% مقارنةً بتصميمات المعالجات ثنائية النواة العادية. علاوة على ذلك، زعمت الشركة أن تقنية SMT تزيد من ازدحام ذاكرة التخزين المؤقت بنسبة 42%، بينما يؤدي استخدام المعالجات ثنائية النواة إلى انخفاضه بنسبة 37%. ^{[ 29 ]}

في عام 2010، صرّحت شركة ARM أنها قد تُضمّن تقنية المعالجة المتعددة المتزامنة في رقائقها المستقبلية؛ ^{[ 30 ]} إلا أن هذا الاقتراح رُفض لصالح تصميمها ذي 64 بت الذي طُرح عام 2012. ^{[ 31 ]} أنتجت ARM أنوية SMT في عام 2018. ^{[ 32 ]}

في عام 2013، تخلت شركة إنتل عن تقنية SMT لصالح التنفيذ خارج الترتيب لأنوية معالجات Silvermont الخاصة بها ، حيث وجدت أن هذا يوفر أداءً أفضل مع كفاءة طاقة أفضل من عدد أقل من الأنوية مع تقنية SMT. ^{[ 33 ]}

في عام 2017، كُشف النقاب عن وجود خلل في معالجات إنتل من طرازَي Skylake و Kaby Lake في تطبيق تقنية تعدد الخيوط المتزامنة، مما قد يتسبب في فقدان البيانات. ^{[ 34 ]} وقد صدرت لاحقًا تحديثات للبرنامج الثابت لمعالجة هذه المشكلة. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

في عام 2019، ومع إطلاق معالجات Coffee Lake ، تخلت إنتل مؤقتًا عن تضمين تقنية تعدد الخيوط المتزامنة (Hyper-Threading) في معالجات Core i7 المكتبية الرئيسية، باستثناء معالجات Core i9 المتطورة أو معالجات Pentium Gold. ^{[ 38 ]} كما بدأت الشركة بالتوصية بتعطيل تقنية تعدد الخيوط المتزامنة، نظرًا لاكتشاف ثغرات أمنية جديدة في المعالجات يمكن التخفيف من آثارها بتعطيل هذه التقنية. ^{[ 39 ]}

في مايو 2005، أثبت كولين بيرسيفال أن خيطًا خبيثًا على معالج بنتيوم 4 يمكنه استخدام هجوم قناة جانبية  يعتمد على التوقيت لمراقبة أنماط الوصول إلى الذاكرة لخيط آخر يتشارك معه ذاكرة التخزين المؤقت، مما يسمح بسرقة المعلومات المشفرة. وهذا ليس هجومًا يعتمد على التوقيت بالمعنى الحرفي ، لأن الخيط الخبيث يقيس وقت تنفيذه فقط. وتشمل الحلول المحتملة لهذه المشكلة تغيير المعالج لاستراتيجية إخلاء ذاكرة التخزين المؤقت، أو منع نظام التشغيل للتنفيذ المتزامن، على نفس النواة الفيزيائية، لخيوط ذات صلاحيات مختلفة. ^{[ 40 ]} في عام 2018، عطّل نظام التشغيل OpenBSD تقنية تعدد الخيوط المتزامنة "لتجنب احتمالية تسرب البيانات من التطبيقات إلى برامج أخرى" بسبب ثغرات Foreshadow/L1TF . ^{[ 41 ] [ 42 ]} في عام 2019، دفعت مجموعة من الثغرات الأمنية خبراء الأمن إلى التوصية بتعطيل تقنية تعدد الخيوط المتزامنة على جميع الأجهزة. ^{[ 43 ]}

• معالج البراميل
• تعدد المهام الحاسوبية
• معالج متعدد النوى

• شركة إنتل تستعرض تصميمًا ثوريًا للمعالج ، بيان صحفي صادر في أغسطس 2001
• إنتل - نظرة عامة عالية المستوى على تقنية تعدد الخيوط المتزامنة
• تقنية تعدد الخيوط المتزامنة على مجلة MSDN
• مقال تمهيدي من موقع آرس تكنيكا
• رقم براءة الاختراع الأمريكية 4,847,755
• ميروم، كونرو، وودكريست تفقد تقنية HyperThreading
• موقع ZDnet: مطورو البرامج يقولون إن تقنية تعدد الخيوط المتزامنة تضر بأداء الخوادم
• لا تُؤيد شركة ARM تقنية HyperThreading - وتُحدد مشاكل حلول SMT
• تأثير تقنية تعدد الخيوط المتزامنة على استخدام موارد المعالج في تطبيقات الإنتاج