Multihilo simultáneo: Aumentando el rendimiento y la eficiencia en los procesadores AMD EPYC

Rendimiento sin concesiones: maximización de la eficiencia con AMD EPYC y SMT

Una de las ventajas más importantes de los procesadores basados en la arquitectura Arm es la previsibilidad del rendimiento y la eficiencia energética. Para alcanzar ese nivel de eficiencia y rendimiento, los fabricantes han incorporado la capacidad de ejecutar varios subprocesos simultáneamente. Esta tecnología se utiliza en procesadores de clase empresarial y se denomina SMT.

Los fabricantes de ARM opinan que, debido a la SMT, surge la imprevisibilidad del rendimiento, aparecen vulnerabilidades de seguridad y, además, se requieren gastos adicionales para la implementación de esta tecnología. A pesar de esta reacción, ARM admite la multihilo en sistemas embebidos y en determinados procesadores. Teniendo en cuenta las diversas opiniones contradictorias de los fabricantes, analicemos este tema con más detalle para comprender mejor la multihilo simultánea

¿Qué es el SMT?

El SMT es una tecnología diseñada para que el núcleo del procesador pueda procesar varios subprocesos al mismo tiempo. Desde su aparición, esta tecnología se ha ido incorporando a numerosos procesadores para gestionar diferentes números de subprocesos. El enfoque más habitual, que analizaremos en este artículo, es el modo de 2 subprocesos, que implica la ejecución simultánea de dos subprocesos.

Ventajas del uso de SMT

• Aumento del rendimiento. La ejecución simultánea de dos subprocesos contribuye, sin duda, a mejorar el rendimiento y a aumentar el IPC (número de instrucciones por ciclo).
• Mejor aprovechamiento de los recursos del núcleo. Gracias a la SMT, es posible crear un proceso en el que el núcleo esté constantemente activo de forma dinámica. Cuando se produce un retraso en el funcionamiento del primer subproceso debido a la espera de los datos necesarios, el segundo continúa trabajando y utilizando los recursos del núcleo.
• Eficiencia en el consumo energético. Gracias a SMT es posible aumentar el rendimiento sin que ello afecte al consumo de energía.
• Posibilidad de mejorar significativamente el rendimiento sin necesidad de gastos adicionales en licencias.
• Flexibilidad. La SMT se puede activar o desactivar a través de la BIOS, lo que ofrece a los administradores una gran flexibilidad para garantizar una carga de trabajo óptima.
• Compatibilidad con el software. La tecnología SMT lleva utilizándose más de 20 años y, durante este tiempo, la compatibilidad con el software ha alcanzado un nivel tan alto que la mayoría de los ecosistemas actuales son totalmente compatibles con SMT. En la mayoría de los casos, esta función funciona «de serie», por lo que los desarrolladores pueden utilizarla de inmediato, sin necesidad de soporte adicional.

Problemas de diseño al implementar SMT

• Superficie de ataque ampliada. Hoy en día, los ataques son tan frecuentes y pueden abarcar absolutamente todo, que cualquier función se considera una superficie de ataque potencial. Existen numerosas pruebas relacionadas con posibles vulnerabilidades precisamente porque SMT es un objetivo potencial para los ataques. Durante los últimos 20 años, los fabricantes han minimizado considerablemente la probabilidad de que se produzcan este tipo de amenazas. AMD ha utilizado una función de seguridad como SEV-SNP, y el proceso de detección de nuevas amenazas continúa en la actualidad.  
• Otro posible problema es la dificultad de garantizar un alto rendimiento para ambos hilos. Es extremadamente importante determinar cómo planificar eficazmente la ejecución de las instrucciones y qué recursos deben compartirse. Para garantizar el principio de distribución equitativa, deben implementarse ciertos mecanismos de control.

El coste del SMT: ¿merece la pena la inversión?

Desde el punto de vista del usuario medio, se trata simplemente de una función estándar que ya está disponible y no requiere inversiones adicionales. Se puede activar y desactivar fácilmente según sea necesario.

En cuanto a los costes de implementación de esta función, el precio es relativamente bajo y sus ventajas superan la mínima inversión necesaria para ello. Por ejemplo, la implementación de SMT ocupa incluso menos del 5 % de la superficie del núcleo, si tenemos en cuenta los núcleos más recientes. Esto afecta a toda la lógica importante que facilita el trabajo conjunto de los recursos del núcleo. Esto significa que SMT utiliza una superficie mínima del chip y ofrece unos resultados de rendimiento excepcionales.

Además, si la licencia del software depende del número de núcleos, el rendimiento adicional puede traducirse directamente en un ahorro de costes.  

Cómo mejora SMT el rendimiento y la eficiencia

Los procesadores AMD EPYC ya han demostrado su eficiencia y sus altas prestaciones. Esto se aplica tanto a las cargas de trabajo que se benefician de la SMT y la multihilo, como a aquellas que no lo hacen, por ejemplo, las aplicaciones de cálculo y HPC.

Una prueba realizada por Phoronix con Zen 5 mostró un rendimiento notablemente mejorado en la mayoría de las pruebas de cargas de trabajo, especialmente en criptografía y bases de datos.

También es importante señalar que las pruebas realizadas en procesadores EPYC de 5.ª y 4.ª generaciones con diferentes cargas de trabajo mostraron una diferencia casi nula o mínima en el consumo energético con la función desactivada y activada.

Los resultados medios de las pruebas mostraron que, con la función SMT activada en el procesador EPYC 9575F, el consumo de energía solo aumentaba en 2 vatios en comparación con la función desactivada.

La tecnología SMT es realmente eficaz, y volveremos a intentar demostrarlo. Cuando un núcleo ejecuta una instrucción, el hilo puede detenerse y esperar datos, y durante la espera el consumo de energía permanece constante; cuando se añade un segundo hilo, ese intervalo se llena inmediatamente y el rendimiento aumenta. Esto significa que la eficiencia energética mejora mucho más que el ligero aumento del consumo de energía.  

AMD EPYC con SMT: un valor excepcional constante

La tecnología SMT se desarrolló hace mucho tiempo, cuando se utilizaban 2 o 4 núcleos por zócalo y todos intentaban sacar el máximo partido a los recursos disponibles. Ahora la situación es mucho mejor, ya que los procesadores EPYC cuentan con hasta 192 núcleos por zócalo, pero la tecnología SMT sigue siendo tan eficaz como siempre. Esta función tiene, sin duda, un impacto significativo y permite equilibrar la demanda de recursos adicionales con las inversiones necesarias. La SMT es una excelente opción para aumentar el rendimiento que prácticamente no cuesta nada.