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1、多核处理器对计算机系统的影响多核化趋势正在改变IT计算的面貌。跟 传统的单核CPU相比，多核CPU带来了更强 的并行处理能力、更高的计算密度和更低的 时钟频率，并大大减少了散热和功耗。目前 ，在几大主要芯片厂商的产品线中，双核、 四核甚至八核CPU已经占据了主要地位。一 、单核过渡到多核1.1 概述内含48个处理器核心：Intel展示万亿级处理器第二代产品SCCl Intel12月2日展示了一款全可编程设 计的48核（由24个双核模块组成）单 芯片云计算处理器(SCC:Single-chip Cloud Computer)产品，可以处理最 大64GB的内存容量。这款处理器内 部集成了13亿个晶
2、体管，是Intel 2007年发起的一项万亿级处理器研究 项目的第二代产品，其前代产品名为 “Polaris”，内含80个处理核心。 SCC与Polaris最大的区别便在 于前 者完全支持x86指令集，可以像其它 x86处理器如奔腾，酷睿那样运行x86 指令。计算机上不断涌现的新兴使用模式让最 终用户对处理器的处理能力即性能 提出了更高的要求，并且对性能每 年提高的幅度还在不断加速，而多核技 术是目前行之有效的方法。1.2 从单核到多核一、 单核过渡到多核在一个芯片上建造多个CPU内核， 而不是建造单个巨大的CPU。这样就可 以在较小的能耗下，让多个CPU共同工 作，提高整体性能。摩尔定律告诉
3、我们 芯片上的晶体管会以指数增长，我们就 能在一个芯片上建造越来越多的功能强 大的CPU内核，从而继续提高电脑的性 能。1.3 多核出现的必然性一、 单核过渡到多核二、 多核处理器技术2.1 技术简介多核处理器是指在一枚处理器中集成 两个或多个完整的计算引擎(内核)。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。2.2 技术优势目前虽然单一的单线程程序无法体
4、现出多核处理器的优势，但是多核处理 器依然为程序设计者提供了一个很好的 平台，使得他们可以通过对原有的单线 程序进行并行设计优化，以实现更好的 程序运行效果。二、 多核处理器技术多核CPU就是基板上集成有多个单核 CPU，早期PD双核需要北桥来控制分配任 务，核心之间存在抢二级缓存的情况，后期 酷睿自己集成了任务分配系统，再搭配操作 系统就能真正同时开工，2个核心同时处理 2“份”任务，速度快了，万一1个核心死机， 起码另一个还可以继续处理关机、关闭软件 等任务。 二 、多核处理器技术2.3 技术原理2.4 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
5、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。二、多核处理器技术2.5 技术瓶颈要想让多核完全发挥效力，需要硬 件业和软件业更多革命性的更新。其中 ，可编程性是多核处理器面临的最大问 题。一旦核心多过八个，就需要执行程 序能够并行处理。尽管在并行计算上， 人类已经探索了超过40年，但编写、调 试、优化并行处理程序的能力还非常弱 。二、 多核处理器技术三、多核处理器类型3.1 同构与异构*同构与异构是多核处理器主要的两种结构 形态。(1)同构多核处理器是指处理器芯片内部的所 有核心，其结构是
6、完全相同的，各个核心的 地位也是等同的。目前的同构多核处理器大 多数由通用的处理器核心组成，每个处理器 核心可以独立地执行任务，与通用单核处理 器结构相近。三、多核处理器类型(2) 异构多核处理器芯片内部采用多种功 能不同的核心。如有负责管理调度的主 核和负责计算的从核构成的多核处理器 ；再有承担定点、浮点、特殊计算等不 同计算功能的核心构成的多核处理器。 目前的异构多核处理器通常同时集成通 用处理器、DSP、媒体处理器、网络处 理器等多种类型的处理器核心，针对不 同需求提高应用的计算性能。三、多核处理器类型3.2 多核与众核多核与众核分别来自英文的Multi-core和Many-core，它
7、们都 是指多核的处理结构，主要区别体现在以下几点： （1）核心数量。目前工艺下，多核一般在数个或十多个核，而 众核处 理器可达到几十个核以上。 （2）核微结构。多核一般采用同一个结构，众核处理器通常为 主从异 构结构。 （3）应用定位。多核一般面向普适化应用，众核处理器面向特 定应用领域的多种应用计算，以提供计算加速为主，通常需要通 过操作系统等系统软件来屏蔽异构结构的差异。与多核 核心相比，众核的从核构造简单，单核心功耗低，频 率提升容易，特定应用效能高，随着工艺的发展，芯片效能会更 加明显。众核的高计算性能和低功耗有可能为高性能计算机系统 性能的跨越发展提供基础。三、多核处理器类型3.3
8、通用、专用和多用（1）通用处理器一般指的是服务器用和桌面计算机用处 理器芯片，目前大多采用同构的多核结构。传统上，通用处 理器的工作负载以非数值、不规则标量应用为主（这种负载 也是目前事务处理和Web服务类服务器的工作负载特征）。（2）专用处理器一般指的是用于信号、图形图像、游戏 或某一类应用的CPU芯片，随着集成电路技术的进步，专用 处理器的片上内核数已逾百个，性能达到数十GFlops （处理 器速率）到数百GFlops，是通用处理器性能的510倍。（3）多用处理器是介于通用与专用之间的处理器结构，它 既有通用处理器可编程序的特点，又有专用处理器简洁的逻 辑结构特点，能对特定领域里的多种应用
9、加速。当前，利用专用处理器作为加速器构成 通用的处理器成为趋势。四、典型多核处理器结构4.1 同构多核处理器结构同构多核结构的处理器主要有Intel、 AMD、IBM和SUN的产品。目前，双核和 四核甚至八核处理器是主流，它们的共同点 是采用对称设计，设置多级缓存，共享二级 或三级缓存，核间用高速总线或开关互连， 增强多媒体处理和特殊应用能力，采用智能 功耗管理技术，支持虚拟化技术等最新同构 多核处理器结构特性四、典型多核处理器结构4.2 异构众核处理器结构微处理器结构在未来数年内将发生革命性变 化，那就是多核架构将从通用的对称设计迁移到“ 主核心+协处理器”的非对称设计，亦即处理器中 只有少
10、数通用核心承担任务指派功能，诸如浮点 运算、视频解码、Java语言执行等任务都可以由 专门的硬件核心来完成，由此实现处理器执行效 率和最终性能的大幅度跃升。IBM的Cell、Intel的 Many-core和AMD HyperTransport协处理器平台 ，便是该思想的典型代表。四、典型多核处理器结构五、多核处理器对系统结构设计的影响多核技术能充分利用芯片集成度提高 带来的诸多好处，使处理器芯片性能成倍 的增加 。但是，很明显，原本基于单核的 计算机系统中的系统级的一些问题也随之 引入到了处理器芯片内部，直接对系统结 构设计产生影响，如系统的多级并行问题 、芯片内的核间通信问题、多Cache
11、一致 性问题、芯片间互连问题等等，系统功耗 问题、存储器墙问题也会进一步加剧。为此，有必要对这些多核引起的系统结构 问题进行认真的分析。五、多核处理器对系统结构设计的影响5.1 多核和多路并行多核技术使系统的并行层次增加，处理器芯片 内部的多个核心构成了第一层并行，多个处理器 芯片的多路技术构成了系统的第二层并行。结果 是，原本单核的串行系统变为多核心的并行系统 ，而原本多处理器或多计算机（多路的）的并行 系统将增加处理器内部多核心的并行。如果说24个核的多核处理器只是使系统的处 理器核心以个位数增加，众核结构的处理器则将 使系统的处理器核心按十位数以上的量级增加， 这无疑将加大了系统的管理者
12、、使用者和开发者 的负担。五、多核处理器对系统结构设计的影响5.2 多核和数据存储结构多核技术使得一个系统中数据的存储容 量和访问性能发生变化：（1）从容量上看，与单位计算性能对应的 存储容量急剧减少（2）多核使数据访问情形更加复杂（3）为了能使芯片内核充分地工作，最起 码的要求是要求芯片能提供与芯片性能相匹 配的存储器带宽五、多核处理器对系统结构设计的影响5.3 多核与高速互连多核处理器内的核间通信能力是处理器芯片能 力的重要保障，低延迟、高带宽是衡量核间互连通 信能力的主要指标，实现互连的方法和手段多种多 样，主要体现在互连的层次以及互连的拓扑结构上 。互连层次上有通过核心的处理单元的直接
13、连接、 通过Cache的连接以及通过内存的连接；互连的拓 扑结构上主要有多总线、环、交叉开关、格栅等技 术；另外，互连的介质上主要是传统的硅电技术， 基于光的芯片内互连技术也将有望进入实用阶段。* 一般来说，互连的层次离处理器核心越近，通信 性能越高，实现难度也越大，在芯片内部同样存在 互连层次上的实现差异。五、多核处理器对系统结构设计的影响5.4 多核和I/O结构与单核环境比较，多核环境下系统的I/O变得 复杂了，对于同构的多核环境，每一个处理器核 在系统中的地位是平等的，都有独立I/O操作的 可能，这使得系统特别是操作系统必须给予相应 的调度与管理技术支持；对于异构的多核环境， 主核运行完整的操作系统，从核主要用于计算， I/O操作一般由主核统一完成，系统层面上，这 与单核的情形相仿。所以，研究与计算能力相匹 配的新I/O技术势在必行。五、多核处理器对系统结构设计的影响5.5 多核的功率和热处理在整个计算机系统中，处理器，特别是 高性能的处理器的功耗往往占系统功耗的 50%，甚至更高。而当前，处理器性能提高 1%就会使芯片功耗增加3%，对于系统设计 而言，功耗对系统的可靠性、可用性以及系 统的规模有着直接的影响。l
