Hur Intel Thread Director gifter sig med Alder Lake med Windows 11

Relationen mellan processor och operativsystem är avgörande. Om ett OS inte kan hantera de uppgifter som ställts före det korrekt, spelar det ingen roll hur snabbt CPU: n körs.

Vid ett privat press- och analytikerevenemang känd som Architecture Day, avslöjade Intel funktionen på hårdvarunivå som skulle ge det ett försprång gentemot sina rivaler och fullt ut utnyttja fördelarna med Alder Lakes hybridarkitektur. Det kallas Thread Director, ett sätt att skapa en aldrig tidigare skådad koppling mellan processorn och operativsystemet – eller i det här fallet Alder Lake och Windows 11.

Thread Director är inte den första i sitt slag, och det är inte heller Alder Lake hybrid datormodell. Men genom att lägga till Windows 11 i mixen lovar Intel förbättrad prestanda och effektivitet över nästan alla arbetsbelastningar. Detta är nytt för stora delar av marknaden för stationära och bärbara datorer, och det kommer att vara ett stort fokus för Intel framåt, så låt oss komma igång.

Behovet av schemaläggning

När du använder din dator behöver du aldrig tänka på de tusentals olika uppgifter den hanterar. Det beror på att OS gör det åt dig. Även om jag bara skrev det här inlägget med några extra flikar öppna, kör min dator ungefär 3 500 trådar samtidigt, varav jag inte behöver övervaka eller tänka på.

OS gör det åt mig genom en schemaläggare. En schemaläggare tilldelar resurser till uppgifter (som en tråd till en kärna), och fram till denna punkt har den förlitat sig på vissa statisk information – till exempel om uppgiften är i förgrunden eller bakgrunden – och gissningar för att tilldela uppgifter till höger kärna. Intels nya Thread Director-teknik förändrar det.

Rajshree Chabukswar är en Intel-klientarkitekt som hjälpte till att designa Thread Director, och jag hade en chans att prata med henne lite mer om hur tekniken fungerar och varför den är nödvändig. Denna "speciella och unika" teknologi, som Chabukswar uttryckte det, är nyckeln till att låsa upp prestanda mellan en processor och ett OS, och den bygger på en hybrid CPU-arkitektur.

"Tänk på vad som händer hos oss bärbara datorer", sa Chabukswar. "Det är en massa bakgrundsaktiviteter som händer, olika uppgifter med olika prestationsförväntningar. Det är inte meningsfullt att ha en cookie-cutter-strategi."

En cookie-cutter tillvägagångssätt skulle vara samma kärnor som kör uppgifter på vilket sätt som operativsystemet bestämmer, men Alder Lake är annorlunda. Dess hybridarkitektur kombinerar högpresterande och högeffektiva kärnor, liknande många ARM-processorer i mobila enheter. Och Thread Director ger OS insyn i vilka av dessa kärnor som är bättre för en given uppgift.

"Vår Thread Director-hårdvara tittar på olika kombinationer av olika prestandaövervakningsenheter och ger sedan ett nummer eller en ledtråd till driften systemet." Operativsystemet tar sedan tipset och tillämpar sitt eget beslut på toppen, och bestämmer i slutändan om en uppgift ska gå till en prestandakärna eller en effektivitet ett.

Även om Alder Lake inte är den första hybridprocessorn, och Thread Director inte är det första maskinvaruschemaläggningsverktyget, är kombinationen av dem något unikt, enligt Intel. Chabukswar sammanfattade det bra: "Tråddirektören kan upptäcka [ineffektivitet] och säga 'hej, jag ser att det här inte fungerar användbart arbete, så jag tänker inte prioritera det för den mest presterande kärnan eftersom jag har en del annat arbete i ordning för den där."

Thread Director är dock bara en pusselbit. För att fullt ut använda hårdvaruschemaläggning måste den integreras med OS: s inbyggda schemaläggare. Och för Windows 11 är det precis vad Microsoft och Intel gör.

En enhetlig front med Windows 11

För ungefär två år sedan beslutade Intel och Microsoft att utöka sitt "många, många, många" år av nära samarbete för att få Alder Lake och Windows 11 att fungera som en enhet. "Målet var tydligt: ​​Hur får vi ut det bästa resultatet från Alder Lake?"

Det är inte svårt att föreställa sig att Microsoft har ett liknande mål för Windows 11. Även om de arbetar med andra CPU-leverantörer som AMD och Qualcomm, är Intel utan tvekan den viktigaste partnern Microsoft har. Om Intel var all-in på hybriddatormodellen skulle uppmuntrande och stödjande funktioner som Thread Director vara en enkel sak.

Chefsingenjör på Microsoft, Chris Kleynhans, beskrev förhållandet så här:

"Tidigt i utvecklingen av Windows 11 kontaktade Intel oss med ett förslag på ett gränssnitt som skulle tillåta processorn att styra operativsystemet schemaläggare genom att tillhandahålla information om hur mycket en specifik arbetsbelastning skulle tjäna på att schemaläggas till en prestandakärna istället för en effektivitet kärna."

Enligt honom startade förslaget ett djupt samarbete under de tidiga faserna av Windows 11:s utveckling, och inkluderade tråddirektörsfeedback direkt i trådschemaläggaren. Även om Microsoft säger sina ändringar till Windows 11 kommer att hjälpa hybridprocessorer i allmänhet (inklusive processorer från Intels rivaler), är det tydligt att Intels implementering är något speciellt. Insatserna var höga för Intel, och det behövde en hårdvarulösning inbakad i Alder Lake om de skulle dra full nytta av vad hybriddator kan göra.

Tack och lov har processorer redan information om vilken typ av instruktioner varje uppgift kräver, och genom att erbjuda Windows 11 insyn i det, kan Intel tillhandahålla den inbyggda schemaläggaren information om vilka instruktioner som är mest Viktig.

"Hårdvara har naturligtvis den informationen tillgänglig," förklarade Intels Chabukswar. "Det finns i vår prestandaövervakningsenhet, så det var vettigt att kapsla in det i hårdvara och ge den ledtråden till operativsystemet."

Enligt Chabukswar föll bitarna som de skulle. Hybrid var vettigt för de ökande kraven på kraft och prestanda, och schemaläggningstips på hårdvarunivå var vettiga för ett OS att dra full nytta av var och en av kärnorna. Nya ARM-processorer gör redan något liknande på olika plattformar, så det är vettigt för traditionella stationära och bärbara scenarier också.

Det var en "naturlig övergång" när Intel började prata om Alder Lake och dess hybridarkitektur. Efter att ha presenterat Alder Lake verkar det som att Microsoft inte hade några betänkligheter om Thread Director och hur det skulle kunna gynna det kommande Windows 11. "Microsoft förstod värdeförslaget och togs omedelbart in i det."

Windows 11 är i fokus för Thread Director, och under mitt samtal med Chabukswar stod det klart att OS och Thread Director måste arbeta tillsammans för full optimering. Windows 10 borde dock dra nytta av Thread Director också, och i fortsättningen kommer andra operativsystem att se en fördel också.

"I framtida revisioner kommer vi att lägga till fler funktioner," sa Chabukswar till mig.

Optimera kraft och prestanda

ARM var pionjär inom det stora. LITTLE hybridarkitekturdesign och ARM-processorer drar också fördel av OS-schemaläggaren för att förbättra prestandan. Det låter dock som att den nuvarande implementeringen fungerar lite annorlunda än Thread Director. I ARMs fall känner operativsystemet till beräkningskraften för varje kärna och tilldelar dem arbete baserat på flera inställbara trösklar.

Tråddirektören fattar beslut baserat på instruktionerna som den aktuella uppgiften kräver i samband med alla pågående uppgifter. En uppgift med en A.I. instruktionsuppsättning, till exempel, skulle behöva en högpresterande kärna. Med samma uppsättning instruktioner för olika uppgifter gör Thread Director i praktiken ingenting, eftersom det inte finns någon skillnad i de uppgifter som utförs.

Målet med Thread Director var att skapa en dynamisk schemaläggningsfunktion som kunde anpassa sig till arbetsbelastningar på nanosekundnivå. "Vårt tillvägagångssätt här var 'hur gör vi det icke-statiskt?' Det är verkligen dynamiskt i mitt sinne."

Tidigare har dynamisk schemaläggningsoptimering mest fokuserat på effektivitet, vilket är vettigt. ARM, som har drivit denna idé, designar främst chips för enheter som kräver lång batteritid och hög effektivitet. Alder Lake, å andra sidan, är en skalbar arkitektur som Intel tänker använda från högpresterande stationära datorer till högeffektiva inbyggda mobila lösningar.

"Målet med Alder Lake var inte bara energieffektivitet. Om du tittar på den typiska hybridimplementeringen som finns i ekosystemet just nu, gör de påståenden om vad som kommer att vara bäst på kraft till bekostnad av prestanda. Vi ville inte offra."

Även om Thread Director hjälper till att förbättra prestandan kan den också bidra till att öka effektiviteten. Det handlar om Thread Director, såväl som ett Quality-of-Service (QoS) applikationsprogrammeringsgränssnitt (API) som Microsoft har haft i några år. Detta API tillåter utvecklare att ställa in regleringsprinciper för processer, vilket i huvudsak tillåter oviktiga uppgifter att förbruka mindre ström.

Med API: et kan Thread Director ge bättre instruktioner till operativsystemet. Chabukswar gav två exempel där detta är användbart. Du kan till exempel ha flera flikar öppna i en webbläsare, och en av dessa flikar har en animering som inte är viktig. Det är inte på skärmen, så det behöver inte prioriteras vid schemaläggning av uppgifter.

På samma sätt är en bakgrundsanimation i ett spel, kanske en som är statisk och inte påverkar prestandan, inte en högprioriterad uppgift. Utvecklare kan redan justera dessa uppgifter för att förbruka mindre ström, och nu kan de göra det över en hybridarkitektur. "Utvecklare kan nu säga till operativsystemet "Jag vet att den här tråden gör det här, men prioritera den inte till några fungerande trådar."

Microsoft Edge i Windows 11 har redan detta API som fungerar, och Microsoft säger att det håller på att optimera ännu mer programvara. "Vi kan förbättra besluten från Thread Director med detta QoS API," sa Chabukswar.

Ett paradigmskifte?

Alder Lake är spännande för Intel – och det måste det vara, med de senaste generationerna på väg nedåt jämfört med konkurrenterna. Med den utlovade Intel en banbrytande x86-arkitektur, och genom att utnyttja hårdvarustyrd schemaläggning och en hybrid CPU-design kan det mycket väl vara det.

Olika betyder dock inte alltid bättre. Det är sant att Alder Lake är ett stort skifte för Intel, särskilt jämfört med de senaste generationerna som är härledda från de som kom tidigare. Om det skiftet kommer att göra någon skillnad när Alder Lake äntligen lanseras, får vi bara vänta och se.

Redaktörens rekommendationer

• Windows 11 är på väg att göra RGB-kringutrustning mycket enklare att använda
• Intel Alder Lake BIOS-källkod läckte ut — borde du vara orolig?
• Intel Alder Lake-HX visar endast marginella prestandavinster
• Intel Alder Lake-HX ger högpresterande prestanda till bärbara datorer
• Spectre-felet är tillbaka - och Intel Alder Lake är inte säker