2020年多核微处理器技术

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1、Intel多核微处理器技术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。英特尔工程师们开发了多核芯片，使之满足“横向扩 展”（而非“纵向扩充”）方法，从而提高性能。该架构实 现了“分治法”战略。通过划分任务，线程应用能够充分利 用多个执行内核，并可在特定的时间内执行更多任务。多核 处理器是单枚芯片（

2、也称为“硅核”），能够直接插入单一 的处理器插槽中，但操作系统会利用所有相关的资源，将每 个执行内核作为分立的逻辑处理器。通过在两个执行内核之 间划分任务，多核处理器可在特定的时钟周期内执行更多任 务。多核架构能够使软件更出色地运行，并创建一个促进未 来的软件编写更趋完善的架构。英特尔对多核芯片信心十足, 预估，到2015 年多核芯片 将广泛应用于笔记本电脑、服务器、移动装置上，市占率分 别为 70%、85%、70%, 多核微处理器技术将成为主流根据摩尔定律, CPU 的速度应该每过 18 个月翻一番。在过去的几十年中 , CPU 的速度以一个令人意想不到的速 度上升, 在这当中每年性能的提升

3、可以达到 58%之多。可是 自从 1996 年以后, CPU 速度上升的步伐似乎慢了下来。根 据专家们的分析, 从 1996 年到 2002 年, CPU 的提升速度 只有41%, 而从2002 年至今,更是下降到 25%。有业内人士 分析说, 这种下降的趋势还会继续下去。那么究竟是什么因 素阻碍着 CPU 的快速发展? 首先让我们看看影响 CPU 性影响 CPU 性能的几个关键技术指标：1、主频。即CPU的工作频率，也就是CPU每秒执行的指 令数。主频越高，CPU的速度越快。主频是衡量CPU性能 的一个指标。2、前端总线速度。前端总线即 Front Side Bus, 通常用 FSB 表示，

4、是将CPU连接到北桥芯片（一块电脑主板，以CPU插 座为北的话，靠近 CPU 插座的一个起连接作用的芯片称为“北桥芯片”，英文名：North Bridge Chipset。北桥芯片就 是主板上离 CPU 最近的芯片，这主要是考虑到北桥芯片与 处理器之间的通信最密切，为了提高通信性能而缩短传输距 离。 ）的总线。计算机的前端总线频率是由 CPU 和北桥芯片 共同决定的。北桥芯片是主板上最靠近 CPU 的那块芯片,它是负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件。前端总 线是 CPU 和外界交换数据的最主要通道, 因此前端总线的 数据传输能力对计算机整体性能作用很大 , 如果没有足够快 的前端总线,

5、CPU 的速度再快, 也只能干着急, 等着前端总 线把所需数据传递过来后, 才能进行计算。3、流水线和超标量技术及分支预测机制。每一条指令的执行至多需要 5 个周期, 分别为取指周期、译码周期、执行周 期、访问存储器周期和写回周期。流水线就是在一个时钟周 期启动一条指令, 从而实现一个时钟周期完成一条指令 ; 超 标量就是在一个时钟周期启动多条指令。因而 , 一个时钟周 期可以完成多条指令。因此, 流水线和超标量技术通过指令 间的并行，来提高CPU的运算速度。指令间的并行度越大, CPU 的速度越快。比如 Intel Xeon 3.2 GHz (EM64T) 支持 SSE3 流指令技术, 英特

6、尔开发的第三代 SIMD 指令集, 可 以增强浮点和多媒体运算的速度。而正确的分支预测可以将 需要执行的指令提前预取，从而提高CPU的速度。4、缓存的级数和各级缓存的大小。最初的计算机 CPU 里, 并没有缓存。因为那时内存的速度和 CPU 的速度基本相当, 内存能够满足CPU的数据需要。可是后来CPU的速度按照 摩尔定律提升, 而内存的速度却上升相对缓慢。为了解决内 存速度缓慢引起的系统瓶颈, 缓存的概念应运而生。缓存保 存 CPU 经常使用的数据, 所以缓存越大, 保存的信息越多,命中率越高, 就减少了 CPU 访问内存的次数 , 从而提高了 整体性能。缓存可以做很多级, 目前已经做到三级

7、。5、芯片架构。以前的 CPU 都是单核心的 , 现在双核心的CPU 已经问世。Intel 的 Pentium 840 Extreme Edition 芯片 采用的是Smithfield,它是在一块硅芯片上集成两个处理器核 心, 以后还会有多核心的 CPU。从芯片架构这方面分析，衡量处理器效率通常有两个指 标：一是芯片的能源利用效率，也就是每瓦性能，在消耗同 等能源条件下，最终性能高的产品能源效率就较高；第二个 指标便是芯片的晶体管效率，我们可以引入“每晶体管性能” 来衡量，在消耗等量晶体管数量条件下，芯片效能高者效率 就越高。晶体管规模越大，制造成本越高，对芯片厂商来说， 提高每晶体管性能能

8、够在保持成本不变的前提下获得更卓 越的性能。一般来说，每瓦性能和每晶体管性能总是被结合 起来讨论，不同指令体系的产品在此相差甚远，例如当前顶 级的 RISC 处理器与顶级的 X86 处理器作对比，我们便会发 现 X86 芯片远远落后。多核心设计可谓是提高每晶体管效能的最佳手段。在单核 产品中，提高性能主要通过提高频率和增大缓存来实现，前者会导致芯片功耗的提升，后者则会让芯片晶体管规模激 增，造成芯片成本大幅度上扬。尽管代价高昂，这两种措施 也只能带来小幅度性能提升。而如果引入多核技术，便可以 在较低频率、较小缓存的条件下达到大幅提高性能的目的。相比大缓存的单核产品，耗费同样数量晶体管的多核心处

9、理 器拥有更出色的效能，同样在每瓦性能方面，多核设计也有 明显的优势。正因为如此，当IBM于2001年率先推出双核 心产品之后，其他高端RISC处理器厂商也迅速跟进，双核 心设计由此成为高端 RISC 处理器的标准。此时， RISC 业 界又朝向多核、多线程的方向发展，四核心、八核心设计纷纷登台亮相，并行线程数量多达 32 条，并且开始从通用多 核体系转向简化核以及专用化的DSP,实现性能的跨越性提升这些新设计和新方向也都将被X86业界所借鉴。一、 多核微处理器技术简介Intel 表示未来采用多核心处理器，这种处理器对连接处 理器和芯片组之间的总线带宽提出更高要求，现在的 FSB 总线带宽已经

10、成为瓶颈，这也就是代号 Demspey 的双核心 Xeon处理器将采用2个处理器总线连接处理器和芯片组（代 号 Blackford 和 Greencreek）的原因。目前并行FSB前端总线的最高承受速度在1.2GHzo未来首批双核心桌面处理器 Smithfield 的 FSB 在 800MHz，65nm 工艺的双核心Allendale和Millville的FSB也在1066MHz, 还在目前并行 FSB 可以承受的速度范围之内。在 2007-2008 年内， Intel 将推行 DDR3 800/1066/1333 内存，因此内存界 面也将分2个阶段迈向串行方式，第1个阶段是为FB-DIMM

11、搭配Advanced Memory Buffer （AMB,高阶内存缓存）芯 片，将并行传输转换成串行。第 2 个阶段是装备真正的 Serial DIMM 串行内存。以双核心处理器为例，简单地说就是在一块 CPU 基板上 集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接 起来。双核心并不是一个新概念，而只是 CMP（Chip Multi Processors，单芯片多处理器）中最基本、最简单、最容易实 现的一种类型。其实在RISC处理器领域，双核心甚至多核 心都早已经实现。 CMP 最早是由美国斯坦福大学提出的， 其 思 想 是 在 一 块 芯 片 内 实 现 SMP（Symmetrica

12、l Multi-Processi ng，对称多处理）架构，且并行执行不同的进 程。早在上个世纪末，惠普和 IBM 就已经提出双核处理器 的可行性设计。 IBM 在 2001 年就推出了基于双核心的 POWER4 处理器，随后是 Sun 和惠普公司，都先后推出了 基于双核架构的 UltraSPARC 以及 PA-RISC 芯片，但此时 双核心处理器架构还都是在高端的 RISC 领域，直到前不久 Intel 和 AMD 相继推出自己的双核心处理器，双核心才真正 走入了主流的 X86 领域。Intel 不是惟一要推出双核处理器的厂商，目前几乎所有 处理器厂商都有多核计划。 IBM 已经销售双核芯片多

13、年， ARM也在手机市场销售双核芯片。惠普、Sun都已经拥有 多核心产品。Intel 强调自身的特色在于生产双核乃至多核芯片不只是推出一个处理器的概念，它还包括利用平行处理与平台的整 合，如更高的运算能力及支持其他如无线网络安全装置，整 体提升使用者的操作经验。Intel 指出，多核处理器的应用领域包括可作为数码家庭的防火墙、资料备份、扫毒等功能，以及作为办公室的资料 处理、科学运算。事实上，以上功能在目前的单核架构下就能完成就如下图所示，多核微处理器技术将成为一个发展趋势。磐肓址坍用成JTlifc件幵炭茅樞袖业理爲常入或规需申馆心餌的窖耳fllT.-tSt 箕牡理胳載娶现栓矶执疔初 akri

14、K-ibitw尅毗白动端理卅 搭咸的帝寺提序番伞灾鞘可 便间时枕右遲件畀皿嚼专 炸序应側词定Fcisa 中 肾建理器町友啟床护仑司 沽社|卄 片为亍眾舍牛佇茅眾鹽h =311!冋盯悅行的勺寺 讥&烈債右认掏了从1牛佈令掠抽常 阿伺刖橫肯前命密慚采 璋砂法貝遵线胆弗宵 #,山行功整的谍壮理气/甲丫/ |建球誓;TH:十世纪九+年桃制半期 二十世記九+年代后半期-2IW年70DE年臥看二、Intel与AMD多核处理器剖解1. AMD 双核心构架简介AMD 目前的桌面平台双核心处理器代号为 Toledo 和Manchester,基本上可以简单看作是把两个Athlon 64所采 用的Venice核心整

15、合在同一个处理器内部，每个核心都拥有 独立的 512KB 或 1MB 二级缓存，两个核心共享 HyperTransport，从架构上来说相对于的Athlon 64架构并没有任 何改变。与 Intel 的双核心处理器不同的是，由于 AMD 的 Athlon 64 处理器内部整和了内存控制器，而且在当初 Athlon 64 设计时就为双核心做了考虑，但是仍然需要仲裁 器来保证其缓存数据的一致性。AMD在此采用了SRQ（System Request Queue,系统请求队列）技术，在工作 的时候每一个核心都将其请求放在 SRQ 中，当获得资源之 后请求将会被送往相应的执行核心，所以其缓存数据的一致 性不需要通过北桥芯片，直接在处理器内部就可以完成。与 Intel 的双核心处理器相比，其优点是缓存数据延迟得以大大 降低。AMD目前的桌面平台双核心处理器是Athlon 64 X2, 其型号按照PR值分为3800+至4800+等几种，同样采用0.09 微米制程,Socket 939 接口，支持 1GHz 的 Hyper Transport， 当然也都支持双通道DDR内存技术2. Intel双核心构架剖析AMD 曾经指出奔腾至尊版是两个核心共享一个二级缓 存，这就是一个非常明显的错误。事实上，奔腾至尊版和奔 腾D都是每个核心配有独享的一级和二级缓存，不同的是英 特