《多核处理器的技术与双核处理器的区别》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多核处理器的技术与双核处理器的区别（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 多核处理器的技术与双核处理器的区别摘要：多核技术的开发源于工程师们认识到， 仅仅提高单核芯片的速度会 产生过多热量且无 法带来相应的性能改善，先前的 处理器产品就是如此。他 们认识 到，在先前产品中以那种速 率，处理器产生的热量很快会超 过太阳表面。即便是没有 热 量问题，其性价比也令人难以接 受，速度稍快的处理器价格要高很多。主要有下面内容多核的技术发展、发展历程、技术优 势、技术原理、技术关键、 技术意义、技术应用以及多核处理器与双核处理器的区别。 技术发展多核技术能够使服务器并行处理任务，而在以前，这可能需要使用多个处理器，多核 系统更易于扩充，并且能够在更纤巧的外形中融入更强大的处理
2、性能，这种外形所用的功 耗更低、计算功耗产生的热量更少。多核技术是处理器发展的必然。推动微处理器性能不 断提高的因素主要有两个：半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展。半导体工 艺技术的每一次进步都为微处理器体系结构的研究提出了新的问题，开辟了新的领域；体 系结构的进展又在半导体工艺技术发展的基础上进一步提高了微处理器的性能。这两个因 素是相互影响，相互促进的。一般说来，工艺和电路技术的发展使得处理器性能提高约20 倍，体系结构的发展使得处理器性能提高约4倍，编译技术的发展使得处理器性能提高约 1.4倍。但是今天，这种规律性的东西却很难维持。多核的出现是技术发展和应用需求的 必然产物。
3、发展历程1971年，英特尔推出的全球第一颗通用型微处理器4004，由2300个晶体管构成。当时， 公司的联合创始人之一戈登摩尔(Gordon Moore)，就提出后来被业界奉为信条的“摩尔定 律”每过18个月，芯片上可以集成的晶体管数目将增加一倍。 在一块芯片上集成的晶体管数目越多，意味着运算速度即主频就更快。今天英特尔的奔 腾(Pentium)四至尊版840处理器，晶体管数量已经增加至2.5亿个，相比当年的4004增 加了10万倍。其主频也从最初的740kHz(每秒钟可进行74万次运算)，增长到现在的 3GHz(每秒钟运算30亿次)以上。 当然，CPU主频的提高，或许在一定程度上也要归功于1
4、975年进入这个领域的AMD公 司的挑战。正是这样的“双雄会”，使得众多计算机用户有机会享受不断上演的“速度与 激情”。一些仍不满足的发烧友甚至选择了自己超频，因为在玩很多游戏时，更快的速度 可以带来额外的饕餮享受。 但到了2005年，当主频接近4GHz时，英特尔和AMD发现，速度也会遇到自己的极限： 那就是单纯的主频提升，已经无法明显提升系统整体性能。 以英特尔发布的采用NetBurst架构的奔腾四CPU为例，它包括 Willamette、Northwood和Prescott等三种采用不同核心的产品。利用冗长的运算流水线， 即增加每个时钟周期同时执行的运算个数，就达到较高的主频。这三种处理器
5、的最高频率， 分别达到了2.0G、3.4G和3.8G。 按照当时的预测，奔腾四在该架构下，最终可以把主频提高到10GHz。但由于流水线 过长，使得单位频率效能低下，加上由于缓存的增加和漏电流控制不利造成功耗大幅度增 加，3.6GHz奔腾四芯片在性能上反而还不如早些时推出的3.4GHz产品。所以，Prescott 产品系列只达到3.8G，就戛然而止。 英特尔上海公司一位工程师在接受记者采访时表示，Netburst微架构的好处在于方便提升频率，可以让产品的主频非常高。但性能提升并不明显，频率提高50%，性能提升可 能微不足道。因为Netburst微架构的效率较低，CPU计算资源未被充分利用， 就像
6、开车时“边踩刹车边踩油门”。 此外，随着功率增大，散热问题也越来越成为一个无法逾越的障碍。据测算，主频每 增加1G，功耗将上升25瓦，而在芯片功耗超过150瓦后，现有的风冷散热系统将无法满 足散热的需要。3.4GHz的奔腾四至尊版，晶体管达1.78亿个，最高功耗已达135瓦。实 际上，在奔腾四推出后不久，就在批评家那里获得了“电炉”的美称。更有好事者用它来 玩煎蛋的游戏。 很显然，当晶体管数量增加导致功耗增长超过性能增长速度后，处理器的可靠性就会 受到致命性的影响。就连戈登摩尔本人似乎也依稀看到了“主频为王”这条路的尽头 2005年4月，他曾公开表示，引领半导体市场接近40年的“摩尔定律”，在
7、未来10年至 20年内可能失效。 多核心CPU解决方案(多核)的出现，似乎给人带来了新的希望。早在上世纪90年代末， 就有众多业界人士呼吁用CMP(单芯片多处理器)技术来替代复杂性较高的单线程 CPU。IBM、惠普、Sun等高端服务器厂商，更是相继推出了多核服务器CPU。不过，由于服 务器价格高、应用面窄，并未引起大众广泛的注意。 技术优势 从应用需求上去看，越来越多的用户在使用过程中都会涉及到多任务应用环境，日常 应用中用到的非常典型的有两种应用模式。 一种应用模式是一个程序采用了线程级并行编程，那么这个程序在运行时可以把并行 的线程同时交付给两个核心分别处理，因而程序运行速度得到极大提高。
8、这类程序有的是 为多路工作站或服务器设计的专业程序，例如专业图像处理程序、非线视频编缉程序、动 画制作程序或科学计算程序等。对于这类程序，两个物理核心和两颗处理器基本上是等价 的，所以，这些程序往往可以不作任何改动就直接运行在双核电脑上 还有一些更常见的日常应用程序，例如Office、IE等，同样也是采用线程级并行编程， 可以在运行时同时调用多个线程协同工作，所以在双核处理器上的运行速度也会得到较大 提升。例如，打开IE浏览器上网。看似简单的一个操作，实际上浏览器进程会调用代码解 析、Flash播放、多媒体播放、Java、脚本解析等一系列线程，这些线程可以并行地被双 核处理器处理，因而运行速度
9、大大加快（实际上IE浏览器的运行还涉及到许多进程级的交 互通信，这里不再详述）。由此可见，对于已经采用并行编程的软件，不管是专业软件， 还是日常应用软件，在多核处理器上的运行速度都会大大提高。 日常应用中的另一种模式是同时运行多个程序。许多程序没有采用并行编程，例如一 些文件压缩软件、部分游戏软件等等。对于这些单线程的程序，单独运行在多核处理器上 与单独运行在同样参数的单核处理器上没有明显的差别。但是，由于日常使用的最最基本 的程序操作系统是支持并行处理的，所以，当在多核处理器上同时运行多个单线 程程序的时候，操作系统会把多个程序的指令分别发送给多个核心，从而使得同时完成多 个程序的速度大大加
10、快。 技术关键字 1、核结构研究 同构还是异构 CMP的构成分成同构和异构两类，同构是指内部核的结构是相同的，而异构是指内部 的核结构是不同的。为此，面对不同的应用研究核结构的实现对未来微处理器的性能至关 重要。核本身的结构，关系到整个芯片的面积、功耗和性能。怎样继承和发展传统处理器 的成果，直接影响多核的性能和实现周期。同时，根据Amdahl定理，程序的加速比决定于串行部分的性能，所以，从理论上来看似乎异构微处理器的结构具有更好的性能。 核所用的指令系统对系统的实现也是很重要的，采用多核之间采用相同的指令系统还 是不同的指令系统，能否运行操作系统等，也将是研究的内容之一。 2、总线设计 传统
11、微处理器中，Cache不命中或访存事件都会对CPU的执行效率产生负面影响，而 总线接口单元（BIU）的工作效率会决定此影响的程度。当多个CPU核心同时要求访问内存 或多个CPU核心内私有Cache同时出现Cache不命中事件时，BIU对这多个访问请求的仲 裁机制以及对外存储访问的转换机制的效率决定了CMP系统的整体性能。因此寻找高效的 多端口总线接口单元（BIU）结构，将多核心对主存的单字访问转为更为高效的猝发 （burst）访问; 同时寻找对CMP处理器整体效率最佳的一次Burst访问字的数量模型以及 高效多端口BIU访问的仲裁机制将是CMP处理器研究的重要内容，目前Inter推出了最新 的
12、英特尔智能互连技术(QPI)技术总线，更大程度发掘了多核处理器的实力 。 3、低功耗设计 半导体工艺的迅速发展使微处理器的集成度越来越高，同时处理器表面温度也变得越 来越高并呈指数级增长，每三年处理器的功耗密度就能翻一番。目前，低功耗和热优化设 计已经成为微处理器研究中的核心问题。CMP的多核心结构决定了其相关的功耗研究是一 个至关重要的课题。 低功耗设计是一个多层次问题，需要同时在操作系统级、算法级、结构级、电路级等 多个层次上进行研究。每个层次的低功耗设计方法实现的效果不同抽象层次越高，功 耗和温度降低的效果越明显。 当前Inter的CPU的功耗相对较低，得益于先进的英特尔构架和45纳米、
13、32纳米制 程工艺，同时Inter还专门为CPU开发了不少节能技术，比如C6深度节能技、英特尔智能 功效管理 和主动管理技术 等等，Inter在移动CPU市场，更是凭借超低电压处理器 （ULV）和凌动（Atom）系列处理器，遥遥领先于对手。 技术意义 ： 多核处理器代表了计算技术的一次创新。由于数字数据和互联网的全球化，商业和消 费者开始要求多核处理器带来性能改进，这个重要创新就开始了；因为多核处理器比单核 处理器具有性能和效率优势，多核处理器将会成为被广泛采用的计算模型。在驱动pc安全 性和虚拟化技术的重大进程过程中，多核处理器扮演着中心作用，这些安全性和虚拟化技 术的开发用于为商业计算市场
14、提供更大的安全性、更好的资源利用率、创造更大价值。普 通消费者用户也期望得到前所未有的性能，这将极大地扩展其家庭pc和数字媒体计算系统 的使用。多核处理器具有不增加功耗而提高性能的好处，实现更大的性能/能耗比。 在一个处理器中放入两个或多个功能强大的计算核产生了一个重大的可能性。由于多 核处理器能提供比单核处理器更好的性能和效率，下一代的软件应用程序很有可能是基于 多核处理器而开发的。不管这些应用是帮助专业的电影公司以更少的投入和更少的时间完 成更真实的电影，还是以更彻底的方法使得pc更自然和直观，多核处理器技术将永远改变 计算世界。多核处理器表达了amd了解顾客需求并且开发最能满足客户要求产
15、品的意愿。 问题就是，简单地在计算机CPU上增加多个核并不能增加传统应用程序代码的运行速 度，这一结果是根据一项来自于Forrester研究公司的报告得出的。换句话说，复杂的工 作需要拆分来填充这辆巴士上的空座位。Forrester的报告还谈到：同时，当前四核处理 器会激发更多的多处理器设计的思想，我们期待着2009年x86的服务器使用64个处理器 核，并且2012年台式机也可以实现这一梦想。 技术应用 并行计算技术是云计算的核心技术，也是最具挑战性的技术之一。多核处 理器的出现增加了并行的层次性能使得并行程序的开发比以往更难。而当前业内并无有效的并行计算解决方案，无论是编程模型、开发语言还是
16、开发工具，距离开发者的期望都有 很大的差距。自动的并行化解决方案在过去的30年间已经被证明基本是死胡同，但传统的 手工式的并行程序开发方式又难以为普通的程序员所掌握。Intel、微软、SUN、Cray等业 内巨头正投入大量人力物力进行相关的研究，但真正成熟的产品在短期内很难出现。可扩 展性是云计算时代并行计算的主要考量点之一，应用性能必须能随着用户的请求、系统规 模的增大有效的扩展。当前目前大部分并行应用在超过一千个的处理器(核)上都难以获得 有效的加速性能，未来的许多并行应用必须能有效扩展到成千上万个处理器上。这对开发 者是巨大的挑战。 目前在对称多处理器方面，操作系统对资源的分配和管理并没有本质的改变，多以对 称的方式进行平均分配。也就是说，在操作系统层面，当一个任务到来时，剥离成为两个 并行的线程，因为线程之间需要交流以及操作系统监管，它导致的效率损失要比硬件层面 大得多。并且，多数软件并没有充分考虑到双核乃至多核的运行情况，导致线程的平均分 配时间以及线程之间的沟通时间都会大大增加，尤其是当线程需要反复访
