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  由於程式程式碼中存在的資料及控制依賴關係,單執行緒中所能發掘的指令並行潛力是有限的。為了發掘有限的指令級並行潛力而一味強化亂序執行和分支預測,以至於處理器複雜度和功耗急劇上升,有時候是得不償失的。因此,現代微處理器多采用硬體多執行緒技術來發掘執行緒之間的執行緒級並行潛力。這樣子允許在介面轉換的專業領域之運算能力大幅提升:  有兩種提升運算能力的主要技術分別是多程序與多執行緒。  不過有些對多執行緒的批評如下:

  

  一個執行緒持續執行,直到該執行緒被一個事件擋住而製造出長時間的延遲(可能是記憶體load/store操作,或者程式分支操作)。該延遲通常是因快取失敗而從核心外的記憶體讀寫,而這動作會使用到幾百個CPU週期才能將資料回傳。與其要等待延遲的時間,執行緒化處理器會切換執行到另一個已就緒的執行緒。只要當之前執行緒中的資料送達後,上一個執行緒就會變成已就緒的執行緒。這種方法來自各個執行緒的指令交替執行,可以有效的掩蓋記憶體存取時延,填補流水線空洞。  舉例來說:  在概念上,它與即時作業系統中使用的合作式多工類似,在該任務需要為一個事件等待一段時間的時候會主動放棄執行時段。

  此種多執行緒硬體支援的目標,是允許在擋住的執行緒與已就緒的執行緒中快速切換。為了要達成這個目標,硬體成本將複製程式看得見的暫存器與一些處理器控制暫存器(像是程式計算器)。從一個執行緒切換到另一個執行緒對硬體來講意謂著從一個暫存器複製到另一個。  這些新增功能的硬體有這些優勢:  為了要在各個現行中的執行緒有效率的切換,每個現行中的執行緒需要有自己的暫存設定(register set)。像是為了能在兩個執行緒中快速切換,硬體的暫存器需要兩次例示(instantiated)。

  

  另一種更高效能的多執行緒做法是將所有 CPU 週期輪流切換至不同的執行緒,來自各執行緒的指令按順序交替執行。執行過程很像桶形處理器(Barrel Processor)就像這樣:  這種執行緒的效果是會將所有從執行管線中的資料從屬(data dependency)關係移除掉。因為每個執行緒是相對獨立,管線中的一個指令階層需要從已跑完管線中的較舊指令代入輸出的機會就相對的變小了。  而在概念上,這種多執行緒與作業系統的核心先佔多工(pre-exemptive multitasking)相似。

  除了討論塊狀多執行緒的硬體成本,交錯式多執行緒也因每層管線需要追蹤執行中指令的執行緒程式碼而增加硬體成本。而且,當越來越多的執行緒同時在管線中執行,像是快取與 TLB 等共享資源也要加大來避免不同執行緒之間的衝突。

  

  目前最先進的多執行緒技術是應用在超純量處理器上。超純量處理器內在每個CPU週期中,單獨一個執行緒會釋出眾多的指令。套用同步多執行緒(SMT)之後,超純量處理器就可以在每個CPU週期中,從多個執行緒中釋出指令。辨識到任何一個單一執行緒擁有有限數量的指令平行處理,這種型別的多執行緒是試著利用並行的方式跨越多執行緒,以減少浪費與閒置的資源。 舉例來說:

  交錯式多執行緒如果不計硬體成本,SMT在每個管線階層的追蹤執行緒指令會有多餘的花費。而且,像是快取與TLB這類共享的資源可能會因為多出來的執行緒而變得更大。

  在大多數研究領域內是要求執行緒排程器要能夠快速選擇其中一個已就緒執行緒去執行,而不是一個一個執行而降低效率。所以要讓排程器去分辨執行緒的優先順序是很重要的。而執行緒排程器可能是以硬體、軟體,或是軟硬體並存的形式存在。  而另一個研究領域則是要研究何種事件(快取失敗、內部執行續連繫、使用DMA等)會造成執行緒切換。  如果多執行緒的方案會複製所有軟體可見的狀態,包括特許的控制登入、TLB 等,那就能夠讓虛擬機器器去創造各式執行緒。這樣子就允許在相同的處理器中每個執行緒跑各自的作業系統。換句話說,如果只有儲存了使用者模式的狀態,就能夠讓相同的裸晶大小的晶片在一段時間內處理更多的執行緒。
多執行緒(英語:multithreading),是指從軟體或者硬體上實現多個執行緒併發執行的技術。具有多執行緒能力的計算機因有硬體支援而能夠在同一時間執行多於一個執行緒,進而提升整體處理效能。具有這種能力的系統包括對稱多處理機、多核心處理器以及晶片級多處理(Chip-level multithreading)或同時多執行緒(Simultaneous multithreading)處理器。