Multithreading, cœurs et threads : comprendre le fonctionnement des processeurs modernes

La multithreading du processeur permet d'exploiter plus efficacement les ressources de calcul du CPU et de traiter plusieurs séquences d'instructions simultanément. C'est pourquoi, dans les spécifications des processeurs modernes, on retrouve souvent des configurations comme 8 cœurs et 16 threads. Cependant, 16 threads ne signifient pas 16 véritables cœurs physiques : il s'agit de concepts différents.

Pour comprendre le fonctionnement de la multithreading, il est essentiel de saisir ce que sont les cœurs et les threads d'un processeur, pourquoi leur nombre diffère et quel rôle chaque paramètre joue dans la performance d'un ordinateur.

Quelle est la différence entre cœurs et threads ?

Un cœur de processeur est une unité de calcul physique à l'intérieur du CPU, capable d'exécuter de façon indépendante des instructions de programme. Un processeur moderne peut contenir plusieurs cœurs, permettant ainsi de traiter différentes tâches ou parties d'un même programme en parallèle.

Par exemple, un processeur octocœur dispose physiquement de huit cœurs de calcul. Le système d'exploitation répartit le travail entre eux : un cœur peut gérer le navigateur, un autre un jeu, un troisième les services en arrière-plan, tandis que les autres effectuent simultanément d'autres calculs.

Un thread de processeur est une séquence d'instructions exécutée à un moment donné par le processeur. Dans les caractéristiques du CPU, les threads représentent généralement le nombre de processeurs logiques vus par le système d'exploitation et entre lesquels il peut répartir les tâches.

Dans le cas le plus simple, un cœur physique exécute un thread. Ainsi, un CPU à huit cœurs sera vu par le système comme un processeur à huit threads.

Cependant, les processeurs modernes peuvent permettre à un seul cœur physique de travailler avec plusieurs threads à la fois. Par exemple, la configuration " 8 cœurs / 16 threads " indique que chaque cœur physique peut gérer deux threads.

Ces threads supplémentaires sont parfois appelés cœurs virtuels, mais ce terme est une simplification. Ils ne sont pas des cœurs physiques distincts et ne disposent pas de leur propre ensemble complet de blocs de calcul. Deux threads d'un même cœur partagent une grande partie de ses ressources.

Un processeur 8 cœurs 16 threads ne doit donc pas être assimilé à un CPU à 16 cœurs : seuls les cœurs physiques disposent de ressources dédiées, tandis que les threads supplémentaires aident à mieux exploiter celles déjà présentes.

Comment fonctionne la multithreading du processeur ?

Pour comprendre comment un seul cœur exécute plusieurs tâches en même temps, il faut se pencher sur l'architecture du processeur. Pendant son fonctionnement, un cœur utilise différents blocs d'exécution : certains pour les calculs entiers, d'autres pour les opérations en virgule flottante, le chargement de données depuis la mémoire, etc. Lors de l'exécution d'un thread, certains de ces blocs restent parfois inutilisés.

Par exemple, si un programme attend des données de la RAM, le cœur doit patienter jusqu'à leur chargement. Même de petits délais peuvent entraîner une perte de nombreux cycles d'horloge. La multithreading permet d'exploiter ces pauses : pendant qu'un thread attend, le cœur peut exécuter les instructions d'un autre thread.

Pour cela, le processeur conserve l'état de plusieurs threads (valeurs des registres, compteurs d'instructions, etc.), permettant de reprendre leur exécution à tout moment, tout en partageant la majorité des ressources du cœur.

Les technologies modernes de multithreading simultané vont encore plus loin : si les instructions de deux threads utilisent des blocs d'exécution différents, le processeur peut traiter certaines de leurs opérations quasiment en parallèle, donnant ainsi l'impression qu'un cœur fonctionne comme deux.

Toutefois, la puissance de calcul d'un cœur n'est pas doublée pour autant. Les deux threads se partagent les ressources disponibles : blocs d'exécution, mémoire cache, bande passante, etc. Si les deux threads sollicitent les mêmes ressources, le gain de performance sera limité.

Pour approfondir le fonctionnement des CPU et comprendre pourquoi la performance ne dépend pas que de la fréquence, consultez l'article : Pourquoi l'IPC est plus important que la fréquence pour choisir un processeur.

La multithreading doit donc être vue non comme l'ajout de cœurs supplémentaires, mais comme une manière d'optimiser l'utilisation des ressources existantes. Le processeur tâche d'occuper ses blocs d'exécution libres avec les instructions d'un second thread au lieu de les laisser inutilisés.

Hyper-Threading, SMT et cœurs virtuels

La technologie permettant à un cœur physique de traiter plusieurs threads s'appelle généralement SMT (Simultaneous Multithreading). Son objectif est d'optimiser le chargement des ressources du cœur en utilisant les instructions de plusieurs threads à la fois.

Hyper-Threading est la dénomination commerciale de la SMT chez Intel. Le principe reste le même : un cœur physique est vu par le système comme plusieurs processeurs logiques. Typiquement, un cœur gère deux threads, si bien qu'un processeur quadricœur Hyper-Threading est perçu comme ayant huit threads.

Chez AMD, le terme SMT est utilisé sans appellation marketing spécifique. Par exemple, un processeur AMD à 8 cœurs physiques avec SMT pourra gérer 16 threads. Pour le système d'exploitation, chaque thread apparaît comme un processeur logique distinct, entre lesquels l'ordonnanceur répartit les tâches.

D'où l'expression cœurs virtuels. Elle est pratique, mais inexacte techniquement. Un processeur logique n'est pas un cœur physique : il ne dispose pas de ses propres blocs d'exécution ou de cache. La majorité des composants sont partagés entre les threads du même cœur.

Par conséquent, deux threads logiques d'un même cœur n'offrent pas les mêmes performances que deux cœurs physiques distincts. Si les deux threads sollicitent intensivement les mêmes ressources, ils entrent en concurrence. Si l'un laisse certains blocs libres, l'autre peut les utiliser pour augmenter la performance globale.

La différence entre SMT et Hyper-Threading réside donc principalement dans l'appellation. SMT est le principe général de la multithreading simultanée, tandis qu'Hyper-Threading désigne la technologie d'Intel basée sur ce principe.

Quel est l'impact de la multithreading sur la performance ?

La multithreading apporte le plus grand bénéfice pour les tâches pouvant être découpées en parties indépendantes. Plus un programme sait répartir ses calculs entre les threads, plus il bénéficie d'un processeur avec de nombreux threads logiques.

Par exemple, le rendu 3D, l'encodage vidéo, la compilation de programmes, la compression ou certains calculs d'ingénierie sont des tâches souvent divisibles en de nombreuses opérations exécutées en parallèle. Un processeur 8 cœurs 16 threads traitera généralement ces charges plus vite qu'un modèle identique sans multithreading simultané.

La multithreading est aussi utile lors de l'utilisation simultanée de plusieurs programmes : navigateur, messagerie, éditeur d'images, services en arrière-plan... Plus il y a de threads disponibles, plus la charge peut être répartie sans ralentissement perceptible.

Dans les jeux, la situation est plus nuancée. Les moteurs de jeu modernes exploitent plusieurs threads pour la physique, l'intelligence artificielle, la préparation des commandes graphiques, le chargement des ressources, etc. Mais il n'est pas toujours possible de répartir équitablement tous les calculs sur un grand nombre de threads.

Ainsi, augmenter le nombre de threads ne conduit pas toujours à un gain proportionnel de FPS. La performance en jeu dépend aussi de l'architecture du processeur, de la rapidité de chaque cœur, de la taille et latence du cache, de la mémoire vive et du moteur utilisé.

Pour en savoir plus sur l'influence du cache sur la performance en jeu, consultez : Pourquoi la mémoire cache du processeur est cruciale pour les jeux modernes.

Il est aussi important de rappeler que 8 cœurs et 16 threads ne sont pas équivalents à 16 cœurs physiques. Les threads logiques partagent les ressources des cœurs physiques, donc le gain dépend du type de charge. Dans certains cas, la multithreading accélère nettement les calculs, dans d'autres la différence est minime.

C'est pourquoi comparer des processeurs uniquement sur le nombre de threads n'a pas de sens. Deux CPU ayant le même nombre de cœurs et de threads peuvent différer grandement en performance selon leur architecture, leur fréquence, la taille du cache ou leur efficacité d'exécution.

Combien de cœurs et de threads sont réellement nécessaires ?

Le nombre optimal de cœurs et de threads dépend avant tout des usages. Un grand nombre de threads ne garantit pas de hautes performances en soi : l'architecture du processeur, la puissance de chaque cœur, la taille du cache et la spécificité des programmes sont primordiales.

Pour la navigation web, la bureautique, le visionnage de vidéos et les tâches quotidiennes, un grand nombre de threads n'est généralement pas nécessaire. Dans ces scénarios, il vaut mieux privilégier des cœurs rapides et assez de mémoire vive, car la plupart des tâches ne sollicitent pas intensément tout le processeur.

Dans les jeux récents, quelques cœurs supplémentaires facilitent le fonctionnement simultané du moteur de jeu, de la physique, de l'IA, des processus système, etc. Cependant, au-delà d'un certain seuil, augmenter le nombre de threads a moins d'impact que l'amélioration de la performance individuelle de chaque cœur.

Pour le montage vidéo, le rendu 3D, la compilation, les machines virtuelles ou d'autres tâches hautement parallélisables, c'est l'inverse : ces programmes exploitent au maximum le nombre de cœurs et de threads, et les processeurs multithreaded révèlent ici tout leur potentiel.

L'architecture des CPU modernes doit également être prise en compte. Par exemple, certains processeurs Intel combinent des P-cores performants et des E-cores économes en énergie, aux fonctionnalités et usages différents. Comparer simplement le nombre total de cœurs entre modèles peut induire en erreur.

Pour en savoir plus sur cette architecture hybride, consultez : P-cores et E-cores dans les processeurs Intel : fonctionnement de l'architecture hybride.

Lors du choix d'un processeur, il est donc préférable de s'intéresser aux résultats sur les usages ciblés plutôt qu'à la mention " 8 cœurs / 16 threads ". Pour le jeu, privilégiez des cœurs rapides et une architecture équilibrée. Pour le rendu ou les calculs lourds, un grand nombre de cœurs et de threads physiques sera plus avantageux.

Conclusion

La multithreading permet à un cœur physique d'exploiter plus efficacement ses ressources de calcul en traitant plusieurs threads simultanément. Les processeurs modernes peuvent donc afficher plus de threads que de cœurs physiques, mais ces threads logiques ne transforment pas un cœur en deux véritables cœurs.

Les technologies SMT et Hyper-Threading sont particulièrement bénéfiques pour les tâches parallélisables : rendu 3D, encodage vidéo, compilation, archivage et multitâche intensif. Dans les jeux ou les applications à faible parallélisme, le gain est souvent plus modeste.

Lors du choix d'un processeur, il faut tenir compte non seulement du nombre de cœurs et de threads, mais aussi de l'architecture du CPU, de la performance par cœur, de la taille du cache et des besoins spécifiques des applications. Une configuration " 8 cœurs / 16 threads " ne garantit pas à elle seule la rapidité du processeur en usage réel.