奔腾四引入的超线程技术与Nehalam及之后的CPU采用的超线程技术是同一个技术

在软件角度上来说，超线程技术实际上是添加了推导单元和逻辑单元，但是没有分配缓存和控制器的逻辑核心。

从多线程的功能角度来说，主要的计算单元（或是执行部件）不太可能独立。个人认为即使存在这种的CPU，我想也需要是少数。

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1. Pentium 4 HT（NetBurst）和Core i7（Nehalem）中的超线程技术一样吗？

Intel的超线程技术在2002年2月发布的志强处理器中首次发生，并在同年12月发布的Pentium 4 HT中相同加入了这一技术[1]。关于此时的Intel的超线程技术的论文非常多，比如(Deborah T. Marr et al, 2002)[2]。论文中提及奔腾4超线程，architecture state在各个逻辑线程中是独立存在的，而其余几乎所有资源都是共享的。Architecture state主要包含的是诸多寄存器，例如通用寄存器、控制寄存器CR以及APIC寄存器等；而共享的比如缓存、执行部件、分支分析、控制逻辑或者总线。

而当时在Nehalem核心（Core i7）中再次重回的超线程技术，我没有找到官方具体的论文。不过找到了一个德克萨斯A&M学院博士生的论文，关于Nahalem核心的[3]。文中同样提及：对于同一个物理核上的逻辑核心，它们之间

以及共享Cache。

所以结构上看，基本一致。

两篇论文中都有提及CPU的Pipeline（流水线结构）。当Nehalem开启超线程时，将从两个线程中取指令，之后送入后端乱序执行引擎执行。而[1]中看到得Pentium 4在进入超线程后的做法则更为详细：两套指针分别记录两个线程的PC，解码后存入Execution Trace Cache（其为一级指令缓存的主要部分）。两个线程再根据时钟周期依次访问这个Cache。如果有一个线程stall住了，则另一个随意用。

大致来看，主要方法基本相似。不过细节不太清楚。

2. 什么是超线程？

超线程（即Simultaneous multithreading[4]）属于线程级并行方式。在说超线程技术（多线程技术）之前，我们先来看一下超标量技术。

超标量技术是一种指令级并行技术，具备超标量特性的CPU具有同时发射多条指令的能力，这样CPU就可以充分利用各种执行部件。举例来说，如果单发射一条加法指令，那么在执行过程中唯有加法部件（或算数计算部件）被运用出来；如果我有两条指令：add R1, R2; shr R3, 3（加法和右移），如果两条指令同时执行，那么加法部件和移位部件就同时借助起来了。

然而无法同时执行的前提是：两条指令之间不能有相关性。例如第一条指令必须写R1，第二条指令必须读R1，那么这两条指令能够同时执行。由此即问世出了乱序执行（Out of Order）技术：如果第三条指令与前两条指令没有相关性奔腾4超线程，则可以先执行第三条指令。

超线程技术则可以非常充分地运用执行部件：同时执行两条线程，进一步增加了指令之间的相关性。同时，如果一个线程必须访存（意味着大量的时钟周期可能被浪费）、或是分支分析失败（意味着需要清空流水线），超线程的优势就很显著了。

然而针对超线程技术的优劣则有激烈的探讨，主要集中在功耗的提高的同时芯片面积与性能等也在降低，这样的trade-off是否合适。

3. 关于超线程技术消失又再现

Pentium Pro、Pentium 2、Pentium 3所使用的架构均为P6架构，Pentium 4使用Netburst架构，后续的Core 2使用的是Core架构，从Core i系列起初进入Nehalem/Sandy Bridge架构等[5]。

然而，NetBurst是相对独立的一个架构，让人记忆深刻的就是超长的流水线和比较高的频率。而Core架构是基于P6的变种Pentium M的构架改进而来的。在Intel的一个Slides中也可以得知，NetBurst和P6的Pipeline差异较大，Nehalem的基础必须在两者中作出选择。而最终做出令多线程回归的决定，也是一种“抉择”[6]。

Reference

1. Hyper-threading

2. Marr D, Binns F, Hill D L, et al. Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture[J]. Intel Technology Journal, 2002, 6(1):1.

cs.sfu.ca/~fedorova/Teaching/CMPT886/Spring2007/papers/hyper-threading.pdf

3. Thomadakis M E. The Architecture of the Nehalem Processor and Nehalem-EP SMP Platforms[J]. Jfe Technical Report, 2011.

sc.tamu.edu/systems/eos/nehalem.pdf

4. Simultaneous multithreading

5.

6. web.stanford.edu/class/ee380/Abstracts/100217-slides.pdf

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