Recientemente, un lector se puso en contacto con nosotros y nos hizo una pregunta que valía la pena responder en un artículo.

Cuando enciende una PC, incluso antes de que el sistema operativo se haya cargado, su CPU y placa base se “apretón de manos”, a falta de un término mejor. Su CPU pasa cierta información sobre sus propias características operativas a la UEFI de la placa base, que luego usa esta información para inicializar la placa base y arrancar el sistema. Si UEFI no puede identificar su CPU correctamente, su placa base normalmente no arrancará. El recuento de núcleos de su CPU es una de las características informadas tanto al UEFI como al sistema operativo.

Uno de los componentes críticos del sistema operativo se llama planificador. El programador consiste en cualquier método que utilice el sistema operativo para asignar trabajo a los recursos, como la CPU y la GPU, que luego completan ese trabajo. La “unidad” de trabajo, el bloque de trabajo más pequeño administrado por el programador del sistema operativo, se denomina subproceso. Si quisiera hacer una analogía, podría comparar un hilo con un paso en una línea de montaje. Un paso por encima del hilo, tenemos el proceso. Los procesos son programas de computadora que se ejecutan en uno o más subprocesos. En esta analogía de fábrica simplificada, el proceso es el procedimiento completo para fabricar el producto, mientras que el hilo es cada tarea individual.

Problema : las CPU solo pueden ejecutar un hilo a la vez. Cada proceso requiere al menos un hilo. ¿Cómo mejoramos el rendimiento de la computadora?

Solución : Reloj de CPU más rápido.

Durante décadas, Dennard Scaling fue el regalo que siguió dando. La Ley de Moore declaró que podríamos empaquetar transistores en un espacio cada vez más pequeño, pero Dennard Scaling es lo que les permitió alcanzar velocidades de reloj cada vez más altas en voltajes más bajos.

Si la computadora está funcionando lo suficientemente rápido, su incapacidad para manejar más de un hilo a la vez se convierte en un problema mucho menor. Si bien hay un conjunto distinto de problemas que no se pueden calcular en menos tiempo que la vida útil esperada del universo en una computadora clásica, hay muchos, muchos, muchos problemas que pueden calcularse bien de esa manera.

A medida que las computadoras se volvieron más rápidas, los desarrolladores crearon software más sofisticado. La forma más simple de subprocesos múltiples es el subproceso múltiple de grano grueso, en el que el sistema operativo cambia a un subproceso diferente en lugar de esperar los resultados de un cálculo. Esto se volvió importante en la década de 1980, cuando los relojes de la CPU y la RAM comenzaron a separarse, y la velocidad de la memoria y el ancho de banda aumentaron mucho más lentamente que la velocidad del reloj de la CPU. La llegada de las memorias caché significó que las CPU podían mantener cerca pequeñas colecciones de instrucciones para procesar números de inmediato, mientras que el subproceso múltiple aseguraba que la CPU siempre tuviera algo que hacer.

Punto importante: todo lo que hemos discutido hasta ahora se aplica a las CPU de un solo núcleo. Hoy en día, los términos multiproceso y multiprocesamiento a menudo se usan coloquialmente para significar lo mismo, pero no siempre fue así. El multiprocesamiento simétrico y el multiproceso simétrico son dos cosas diferentes. Para hacerlo mas simple:

SMT = La CPU puede ejecutar más de un subproceso simultáneamente, programando un segundo subproceso que puede usar las unidades de ejecución que el primer subproceso no utiliza actualmente. Intel llama a esta tecnología Hyper-Threading, AMD simplemente la llama SMT. Actualmente, tanto AMD como Intel usan SMT para aumentar el rendimiento de la CPU. Ambas empresas lo han implementado históricamente de manera estratégica, ofreciéndolo en algunos productos pero no en otros. En estos días, la mayoría de las CPU de ambas compañías ofrecen SMT. En los sistemas de consumo, esto significa que tiene soporte para el número de núcleos de CPU * 2 subprocesos, u 8C / 16T, por ejemplo.

SMP = multiprocesamiento simétrico. La CPU contiene más de un núcleo de CPU (o utiliza una placa base de varios sockets). Cada núcleo de la CPU solo ejecuta un hilo. La cantidad de subprocesos que puede ejecutar por ciclo de reloj está limitada a la cantidad de núcleos que tiene. Escrito como 6C / 6T.

El subproceso múltiple en un contexto convencional de un solo núcleo solía significar “¿Qué tan rápido puede su CPU cambiar entre subprocesos”, no “Puede su CPU ejecutar más de un subproceso al mismo tiempo?”

“¿Podría su sistema operativo ejecutar más de una aplicación a la vez sin fallar?” También fue una solicitud frecuente.

Las CPU modernas, incluidos los chips x86 construidos hace 20 años, implementan lo que se conoce como ejecución fuera de orden u OoOE. Todos los núcleos de CPU modernos de alto rendimiento, incluidos los núcleos de teléfonos inteligentes “grandes” en big.Little, son diseños OoOE. Estas CPU reordenan las instrucciones que reciben en tiempo real, para una ejecución óptima.

La CPU ejecuta el código que le envía el sistema operativo, pero el sistema operativo no tiene nada que ver con la ejecución real del flujo de instrucciones. Esto es manejado internamente por la CPU. Las CPU x86 modernas reordenan las instrucciones que reciben y convierten esas instrucciones x86 en microoperaciones más pequeñas similares a RISC. La invención de OoOE ayudó a los ingenieros a garantizar ciertos niveles de rendimiento sin depender completamente de los desarrolladores para escribir un código perfecto. Permitir que la CPU reordene sus propias instrucciones también ayuda al rendimiento multiproceso, incluso en un contexto de un solo núcleo. Recuerde, la CPU cambia constantemente entre tareas, incluso cuando no somos conscientes de ello.

Sin embargo, la CPU no realiza ninguna programación propia. Eso depende completamente del sistema operativo. La llegada de las CPU multiproceso no cambia esto. Cuando salió la primera placa de doble procesador para el consumidor (la ABIT BP6), los entusiastas de la tecnología multinúcleo tenían que ejecutar Windows NT o Windows 2000. La familia Win9X no admitía el procesamiento multinúcleo.

Apoyar la ejecución en múltiples núcleos de CPU requiere que el sistema operativo realice todas las mismas tareas de administración de memoria y asignación de recursos que utiliza para evitar que diferentes aplicaciones bloqueen el sistema operativo, con bandas de protección adicionales para evitar que las CPU se tropiecen entre sí.

Una CPU moderna de varios núcleos no tiene una “unidad de programador maestro” que asigne trabajo a cada núcleo o distribuya las cargas de trabajo. Ese es el papel del sistema operativo.

Como regla general, no. Ha habido algunos casos específicos en los que Windows necesitaba actualizarse para aprovechar las capacidades integradas en una nueva CPU, pero esto siempre ha sido algo que Microsoft tuvo que realizar por sí solo.

Las excepciones a esta política son pocas y distantes entre sí, pero hay algunas:

Las CPU nuevas a veces requieren actualizaciones del sistema operativo para que el sistema operativo aproveche al máximo las capacidades del hardware. En este caso, no hay realmente una opción manual, a menos que se refiera a instalar manualmente la actualización.

El AMD 2990WX es una excepción a esta política. La CPU funciona bastante mal en Windows porque Microsoft no contempló la existencia de una CPU con más de un nodo NUMA y no utiliza muy bien los recursos del 2990WX. En algunos casos, hay formas demostradas de mejorar el rendimiento del 2990WX mediante la asignación manual de subprocesos, aunque francamente recomendaría cambiar a Linux si tiene uno, solo para tranquilidad general sobre el tema.

El 3990X es un valor atípico aún más teórico. Debido a que Windows 10 limita los grupos de procesadores a 64 subprocesos, no puede dedicar más del 50 por ciento de los recursos de ejecución del 3990X a una sola carga de trabajo a menos que la aplicación implemente un programador personalizado. Es por eso que el 3990X no se recomienda realmente para la mayoría de las aplicaciones: funciona mejor con renderizadores y otras aplicaciones profesionales que han dado este paso.

Fuera de los sistemas de recuento de núcleos más altos, donde algunos ajustes manuales teóricamente podrían mejorar el rendimiento porque Microsoft aún no ha optimizado realmente esos casos de uso, no, no hay nada que pueda hacer para optimizar realmente la forma en que Windows divide las cargas de trabajo. Para ser honesto, realmente no quieres que lo haya. Los usuarios finales no deberían tener que preocuparse por la asignación manual de subprocesos para un rendimiento óptimo, porque la configuración óptima cambiará según las tareas que procesen las CPU en un momento dado. La tendencia a largo plazo en el diseño de CPU y SO es hacia una cooperación más estrecha entre la CPU y el sistema operativo para facilitar mejor la administración de energía y los modos turbo.

Nota del editor: Gracias a Bruce Borkosky por la sugerencia del artículo.

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