Multithreading do processador: como funcionam núcleos e threads na CPU

Multithreading do processador permite usar de forma mais eficiente os recursos de computação da CPU, processando simultaneamente várias sequências de instruções. Por isso, nas especificações de processadores modernos, você frequentemente vê, por exemplo, 8 núcleos e 16 threads. No entanto, 16 threads não significam 16 núcleos físicos completos - esses são conceitos diferentes.

Para entender como funciona o multithreading, é importante primeiro compreender o que são núcleos e threads do processador, por que seus números diferem e qual papel cada um desses parâmetros desempenha no desempenho do computador.

O que são núcleos e threads de processador

Um núcleo de processador é um bloco físico de computação dentro da CPU capaz de executar instruções de programas de forma independente. Processadores modernos podem ter vários desses núcleos, permitindo que tarefas diferentes ou partes de um mesmo programa sejam processadas paralelamente.

Por exemplo, um processador octa-core possui fisicamente oito núcleos de computação. O sistema operacional distribui o trabalho entre eles: um núcleo pode lidar com processos do navegador, outro com um jogo, um terceiro com serviços em segundo plano, enquanto os demais executam outros cálculos simultaneamente.

Um thread de processador é uma sequência de instruções que o processador executa em um dado momento. Nas especificações de CPU, threads geralmente se referem ao número de processadores lógicos que o sistema operacional enxerga e entre os quais pode distribuir tarefas.

No cenário mais simples, um núcleo físico executa um thread. Assim, um CPU com 8 núcleos é apresentado ao sistema como um processador com 8 threads.

No entanto, processadores modernos permitem que um único núcleo físico trabalhe com múltiplos threads simultaneamente. Por exemplo, uma configuração "8 núcleos / 16 threads" significa que cada um dos oito núcleos físicos pode atender a dois threads.

Esses threads adicionais são às vezes chamados de núcleos virtuais, mas isso é uma simplificação. Eles não são núcleos físicos separados e não recebem um conjunto completo de blocos de computação. Dois threads de um mesmo núcleo compartilham uma parte considerável de seus recursos.

Por isso, um processador com 8 núcleos e 16 threads não é equivalente a um CPU de 16 núcleos. Núcleos físicos completos possuem seus próprios recursos de execução, enquanto threads adicionais servem para usar de forma mais eficiente o núcleo já existente.

Como funciona o multithreading do processador

Para entender como um núcleo executa várias tarefas ao mesmo tempo, é importante considerar a arquitetura do próprio processador. Durante a operação, o núcleo utiliza diferentes blocos de execução: alguns são responsáveis por cálculos inteiros, outros por operações de ponto flutuante, carregamento de dados da memória, entre outras atividades. Durante a execução de um thread, parte desses recursos pode ficar ociosa.

Por exemplo, se um programa precisa de dados da memória RAM, o núcleo deve esperar até que esses dados sejam carregados. Para processadores modernos, mesmo um pequeno atraso de memória pode representar muitos ciclos perdidos. O multithreading permite aproveitar melhor essas pausas: enquanto um thread aguarda dados ou a liberação de um bloco, o núcleo pode executar instruções de outro thread.

Para isso, o processador armazena o estado de múltiplos threads ao mesmo tempo: valores de registradores, contadores de instruções e outras informações necessárias para dar continuidade ao programa. A maior parte dos recursos de computação do núcleo, porém, permanece compartilhada.

Tecnologias modernas de multithreading simultâneo vão além. Se as instruções de dois threads exigem blocos de execução diferentes, o processador pode executar partes dessas operações quase ao mesmo tempo dentro de um único núcleo físico. Por isso, dá a impressão de que um núcleo trabalha como dois.

No entanto, a potência de computação do núcleo não dobra. Ambos os threads competem pelos mesmos recursos: blocos de execução, cache, largura de banda e outros componentes. Se dois threads exigem os mesmos recursos ao mesmo tempo, o ganho de desempenho será bem menor.

Mais detalhes sobre a arquitetura da CPU e por que o desempenho depende não só do clock podem ser encontrados em Por que o IPC é mais importante que GHz em processadores modernos.

Portanto, é mais correto considerar o multithreading não como a adição de mais um núcleo, mas como uma forma de usar melhor os recursos já existentes. O processador tenta preencher os recursos ociosos de um núcleo com o trabalho útil de um segundo thread, ao invés de deixá-los desocupados.

Hyper-Threading, SMT e núcleos virtuais

A tecnologia que permite a um núcleo físico lidar com múltiplos threads é chamada de SMT - Simultaneous Multithreading, ou multithreading simultâneo. Seu objetivo é utilizar de forma mais eficiente os recursos de execução do núcleo, usando instruções de vários threads ao mesmo tempo.

Hyper-Threading é o nome comercial da implementação de SMT da Intel. O princípio é o mesmo: um núcleo físico aparece ao sistema operacional como múltiplos processadores lógicos. Em geral, um núcleo atende a dois threads, então um processador quad-core com Hyper-Threading pode ser visto pelo sistema como tendo oito threads.

Na AMD, o termo SMT é usado sem um nome comercial específico. Por exemplo, um processador com 8 núcleos físicos e suporte a SMT pode apresentar 16 threads. Para o sistema operacional, cada thread parece um processador lógico independente, entre os quais o escalonador distribui as tarefas.

Daí surgiu o termo "núcleos virtuais". Ele é útil para explicações, mas tecnicamente não é preciso. Um processador lógico não é um núcleo físico: não possui seu próprio conjunto completo de blocos de execução, cache e outros recursos. Grande parte dos componentes é compartilhada com o outro thread do mesmo núcleo.

Por isso, dois threads lógicos de um núcleo físico não oferecem o mesmo desempenho que dois núcleos separados. Se ambos usam intensamente os mesmos recursos, competem entre si. Se um deles deixa parte dos blocos ociosos, o outro pode aproveitá-los e aumentar o desempenho geral do núcleo.

Assim, a diferença entre SMT e Hyper-Threading está principalmente no nome. SMT é o princípio geral de multithreading simultâneo, enquanto Hyper-Threading é a designação específica da Intel para sua tecnologia baseada nesse princípio.

Como o multithreading afeta o desempenho

O multithreading apresenta maior efeito em tarefas que podem ser divididas em várias partes independentes. Quanto melhor o programa distribui cálculos entre threads, mais ele se beneficia de um processador com muitos threads lógicos.

Um bom exemplo é o renderização 3D, codificação de vídeo, compilação de programas, compactação e alguns cálculos de engenharia. Essas tarefas costumam ser divididas em muitas pequenas operações paralelas. Como resultado, um processador de 8 núcleos e 16 threads normalmente lida com essa carga mais rápido do que um CPU sem multithreading simultâneo.

O multithreading também é útil ao trabalhar com vários programas ao mesmo tempo. Navegador, mensageiro, editor de imagens, serviços em segundo plano e outros processos exigem tempo de CPU simultaneamente. Quanto mais threads disponíveis, mais fácil é distribuir a carga sem atrasos perceptíveis.

Em jogos, a situação é mais complexa. Motores modernos conseguem usar múltiplos threads para física, inteligência artificial, preparação de comandos gráficos, carregamento de recursos e outras operações. No entanto, nem todos os cálculos podem ser distribuídos uniformemente entre muitos threads.

Por isso, aumentar o número de threads nem sempre resulta em crescimento proporcional do FPS. Para o desempenho em jogos, também são importantes a arquitetura do processador, a velocidade de cada núcleo, o tamanho e latência do cache, a memória RAM e as características do motor gráfico.

Saiba mais sobre o impacto do cache no desempenho em jogos no artigo Cache do processador: o segredo para jogos fluidos e sem travamentos.

Também é importante notar que 8 núcleos e 16 threads não equivalem a 16 núcleos completos. Threads adicionais usam recursos compartilhados dos núcleos físicos, então o ganho depende do tipo de carga. Em algumas tarefas, o multithreading acelera consideravelmente o trabalho; em outras, a diferença pode ser pequena.

Por isso, comparar processadores apenas pelo número de threads é incorreto. Dois CPUs com a mesma configuração de núcleos e threads podem diferir muito em desempenho devido à arquitetura, clocks, tamanho de cache e eficiência na execução de instruções.

Quantos núcleos e threads você realmente precisa

O número ideal de núcleos e threads depende, acima de tudo, das tarefas realizadas no computador. Ter muitos threads, por si só, não garante alto desempenho: arquitetura do processador, desempenho de cada núcleo, cache, clocks e características dos programas também são fundamentais.

Para navegador, aplicativos de escritório, streaming de vídeo e tarefas cotidianas, geralmente não é necessário um grande número de threads. Nesses cenários, o mais importante é o alto desempenho de núcleos individuais e memória RAM suficiente, pois a maioria das tarefas não exige carga prolongada em toda a CPU.

Em jogos modernos, alguns núcleos extras ajudam a processar simultaneamente o motor do jogo, física, IA, processos em segundo plano e o sistema operacional. Porém, após certo número de núcleos, aumentar ainda mais os threads normalmente traz menos benefício do que melhorar o desempenho de cada núcleo.

Para edição de vídeo, renderização 3D, compilação, máquinas virtuais e outras tarefas altamente paralelizáveis, a situação é oposta. Esses programas conseguem usar muitos núcleos e threads ao mesmo tempo, então processadores multithreaded se destacam ainda mais.

Também é essencial considerar a arquitetura dos CPUs modernos. Por exemplo, alguns processadores Intel usam simultaneamente núcleos de alto desempenho (P-cores) e núcleos eficientes (E-cores). Eles diferem em capacidade e propósito, por isso comparar apenas o número total de núcleos pode ser enganoso.

Veja mais detalhes sobre essa arquitetura no artigo P-cores e E-cores: como funciona a arquitetura híbrida da Intel.

Ao escolher um processador, é melhor analisar não apenas especificações como "8 núcleos / 16 threads", mas os resultados em tarefas específicas para o uso pretendido. Para jogos, o desempenho de núcleos individuais e arquitetura equilibrada são mais importantes; para renderização e cálculos pesados, muitos núcleos físicos e threads costumam ser mais vantajosos.

Conclusão

O multithreading do processador permite que um único núcleo físico use seus recursos de computação de forma mais eficiente, atendendo vários threads ao mesmo tempo. Por isso, CPUs modernas podem ter mais threads do que núcleos físicos, mas threads lógicos adicionais não transformam um núcleo em dois completos.

SMT e Hyper-Threading são especialmente úteis em tarefas bem paralelizáveis: renderização 3D, codificação de vídeo, compilação, compactação e multitarefa intensa. Em jogos e aplicativos com pouca carga paralela, o ganho pode ser consideravelmente menor.

Na hora de escolher um processador, considere não só o número de núcleos e threads, mas também a arquitetura da CPU, desempenho por núcleo, tamanho do cache e particularidades dos programas usados. A configuração "8 núcleos / 16 threads" por si só não garante que o processador será rápido no uso real.