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1、多核处理器对计算机系统的影响多核处理器对计算机系统的影响 多核化趋势正在改变多核化趋势正在改变IT计算的面貌。跟计算的面貌。跟传统的单核传统的单核CPU相比，多核相比，多核CPU带来了更强带来了更强的并行处理能力、更高的计算密度和更低的的并行处理能力、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，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、四在几大主要芯片厂商的产品线中，双核、四核核甚至八核甚至八核CPU已经占据了主要地位。已经占据了主要地位。一一 、单核过渡单核过渡到到多核多核1.1 概述概述内含内含48个处理器核心：个处理器核心：Intel展
2、示万亿级处理器第二代产品展示万亿级处理器第二代产品SCClIntel12月月2日展示了一款全可编程设日展示了一款全可编程设计的计的48核（由核（由24个双核模块组成）单个双核模块组成）单芯片云计算处理器芯片云计算处理器(SCC:Single-chip Cloud Computer)产品，可以处理最产品，可以处理最大大64GB的内存容量。这款处理器内的内存容量。这款处理器内部集成了部集成了13亿个晶体管，是亿个晶体管，是Intel 2007年发起的一项万亿级处理器研究年发起的一项万亿级处理器研究项目的第二代产品，其前代产品名为项目的第二代产品，其前代产品名为“Polaris”，内含，内含80个处
3、理核心。个处理核心。SCC与与Polaris最大的区别便在最大的区别便在 于前于前者完全支持者完全支持x86指令集，可以像其它指令集，可以像其它x86处理器如奔腾，酷睿那样运行处理器如奔腾，酷睿那样运行x86指令。指令。计算机上不断涌现的新兴使用模式让最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终用户对处理器的处理能力即性能即性能提出了更高的要求，并且对性能每提出了更高的要求，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。术是目前行之有效的方法。1.2 从单核到多核从单核到多核一一、 单核过渡单核过渡到到多核多核 在一个
4、芯片上建造多个在一个芯片上建造多个CPU内核，内核，而不是建造单个巨大的而不是建造单个巨大的CPU。这样就可。这样就可以在较小的能耗下，让多个以在较小的能耗下，让多个CPU共同工共同工作，提高整体性能。摩尔定律告诉我们作，提高整体性能。摩尔定律告诉我们芯片上的晶体管会以指数增长，我们就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能在一个芯片上建造越来越多的功能强大的大的CPU内核，从而继续提高电脑的性内核，从而继续提高电脑的性能。能。1.3 多核出现的必然性多核出现的必然性一一、 单核过渡单核过渡到到多核多核二、二、 多核多核处理器处理器技术技术2.1 技术简介技术简介
5、 多核处理器是指在一枚处理器中集成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两个或多个完整的计算引擎(内核内核)。多核。多核技术的开发源于工程师们认识到，仅仅提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
6、理器价比也令人难以接受，速度稍快的处理器价格要高很多。格要高很多。2.2 技术优势技术优势 目前虽然单一的单线程程序无法体目前虽然单一的单线程程序无法体现出多核处理器的优势，但是多核处理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，以实现更好的程序进行并行设计优化，以实现更好的程序运行效果。程序运行效果。二、二、 多核多核处理器处理器技术技术 多核多核CPU就是基板上集成有多个单核就是基板上集成有多个单核CPU，早期，早期PD双核需要北桥来控制分配任
7、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，系统就能真正同时开工，2个核心同时处理个核心同时处理2“份份”任务，速度快了，万一任务，速度快了，万一1个核心死机，个核心死机，起码另一个还可以继续处理关机、关闭软件起码另一个还可以继续处理关机、关闭软件等任务。等任务。 二二 、多核多核处理器处理器技术技术2.3 技术原理技术原理2.4 技术意义技术意义 多核处理器代表了计算技术的一次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
8、，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效率优势，多核处理器将会成为被广泛采用的计算模型。采用的计算模型。二、二、多核多核处理器处理器技术技术2.5 技术瓶颈技术瓶颈 要想让多核完全发挥效力，需要硬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，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。可编程性是多核处理器面临的最
9、大问题。一旦核心多过八个，就需要执行程序能一旦核心多过八个，就需要执行程序能够并行处理。尽管在并行计算上，人类够并行处理。尽管在并行计算上，人类已经探索了超过已经探索了超过40年，但编写、调试、年，但编写、调试、优化并行处理程序的能力还非常弱。优化并行处理程序的能力还非常弱。二、二、 多核多核处理器处理器技术技术三、多核处理器类型三、多核处理器类型3.1 同构与异构同构与异构*同构与异构是多核处理器主要的两种结构同构与异构是多核处理器主要的两种结构形态。形态。(1)同构多核处理器是指处理器芯片内部的所同构多核处理器是指处理器芯片内部的所有核心，其结构是完全相同的，各个核心的有核心，其结构是完全
10、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，与通用单核处理核心可以独立地执行任务，与通用单核处理器结构相近。器结构相近。三、多核处理器类型三、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；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、特殊计算等不同再有承担定点、浮点、特殊计算等不同计算功能的核心
11、构成的多核处理器。目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前的异构多核处理器通常同时集成通用处理器、处理器、DSP、媒体处理器、网络处理、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。需求提高应用的计算性能。三、多核处理器类型三、多核处理器类型3.2 多核与众核多核与众核 多核与众核分别来自英文的多核与众核分别来自英文的Multi-core和和Many-core，它们都，它们都是指多核的处理结构，主要区别体现在以下几点：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
12、在数个或十多个核，而）核心数量。目前工艺下，多核一般在数个或十多个核，而众核处众核处 理器可达到几十个核以上。理器可达到几十个核以上。（2）核核微微结结构构。多多核核一一般般采采用用同同一一个个结结构构，众众核核处处理理器器通通常常为为主从异主从异 构结构。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）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。过操作系统等系统软件来屏蔽异构结构的差异。 与多核与多核 核心相比，众核
13、的从核构造简单，单核心功耗低，频核心相比，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。性能的跨越发展提供基础。三、多核处理器类型三、多核处理器类型3.3 通用、专用和多用通用、专用和多用 （1）通通用用处处理理器器一一般般指指的的是是服服务务器器用用和和桌桌面面计计算算机机用用处处理理器器芯芯片片，目目前前大大多多采采用用同同构构的的多多核核结结构构。传传统
14、统上上，通通用用处处理理器器的的工工作作负负载载以以非非数数值值、不不规规则则标标量量应应用用为为主主（这这种种负负载载也是目前事务处理和也是目前事务处理和Web服务类服务器的工作负载特征）。服务类服务器的工作负载特征）。 （2）专专用用处处理理器器一一般般指指的的是是用用于于信信号号、图图形形图图像像、游游戏戏或或某某一一类类应应用用的的CPU芯芯片片，随随着着集集成成电电路路技技术术的的进进步步，专专用用处处理理器器的的片片上上内内核核数数已已逾逾百百个个，性性能能达达到到数数十十GFlops （处处理理器速率）到数百器速率）到数百GFlops，是通用处理器性能的，是通用处理器性能的510
15、倍。倍。 （3）多多用用处处理理器器是是介介于于通通用用与与专专用用之之间间的的处处理理器器结结构构，它它既既有有通通用用处处理理器器可可编编程程序序的的特特点点，又又有有专专用用处处理理器器简简洁洁的的逻逻辑结构特点，能对特定领域里的多种应用加速。辑结构特点，能对特定领域里的多种应用加速。当前，利用专用处理器作为加速器构成当前，利用专用处理器作为加速器构成通用的处理器成为趋势。通用的处理器成为趋势。四、典型多核处理器结构四、典型多核处理器结构4.1 同构多核处理器结构同构多核处理器结构 同构多核结构的处理器主要有同构多核结构的处理器主要有Intel、AMD、IBM和和SUN的产品。目前，双核
16、和的产品。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，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多核处理器结构特性四、典型多核处理器结构四、典型多核处理器结构4.2 异构众核处理器结构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微处理器结构在未来数年内将发生革命
17、性变化，那就是多核架构将从通用的对称设计迁移到化，那就是多核架构将从通用的对称设计迁移到“主核心主核心+协处理器协处理器”的非对称设计，亦即处理器的非对称设计，亦即处理器中只有少数通用核心承担任务指派功能，诸如浮中只有少数通用核心承担任务指派功能，诸如浮点运算、视频解码、点运算、视频解码、Java语言执行等任务都可以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。效率和最终性能的大幅度跃升。IBM的的Cell、Intel的的Many-core和和AMD HyperTransport协处理器平协处理器平台，便是该
18、思想的典型代表。台，便是该思想的典型代表。四、典型多核处理器结构四、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带来的诸多好处，使处理器芯片性能成倍的增加的增加 。但是，很明显，原本基于单核的。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、构设计产生影响，如系统的多级并行问题、芯片内的核间通
19、信问题、多芯片内的核间通信问题、多Cache一致性一致性问题、芯片间互连问题等等，系统功耗问问题、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。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。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和多路并行 多核技术使系统的并行层次增加，处理器芯片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
20、第二层并行。结果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，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。统将增加处理器内部多核心的并行。 如果说如果说24个核的多核处理器只是使系统的处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，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、使用者和开发者这无疑将加大了系统
21、的管理者、使用者和开发者的负担。的负担。五、多核处理器对系统结构设计的影响五、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和数据存储结构 多核技术使得一个系统中数据的存储容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：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）从容量上看，与单位计算性能对应的存储容量急剧减少存储容量急剧减少（2）多核使数据访问情形更加复杂）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）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配的存储
22、器带宽五、多核处理器对系统结构设计的影响五、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。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连接、通互连层次上有通过核心的处理单元的直接连接、通过过Cache的连接以及通过内存的连接；互连的拓扑的
23、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；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。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。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五、多核处理器对系统结构设计的影响5.4 多核和多核
24、和I/O结构结构 与单核环境比较，多核环境下系统的与单核环境比较，多核环境下系统的I/O变得变得复杂了，对于同构的多核环境，每一个处理器核复杂了，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，都有独立在系统中的地位是平等的，都有独立I/O操作的操作的可能，这使得系统特别是操作系统必须给予相应可能，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，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，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，这操作一般由主核统一完成，系统层面上，这与单
25、核的情形相仿。所以，研究与计算能力相匹与单核的情形相仿。所以，研究与计算能力相匹配的新配的新I/O技术势在必行。技术势在必行。五、多核处理器对系统结构设计的影响五、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多核的功率和热处理 在整个计算机系统中，处理器，特别是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，甚至更高。而当前，处理器性能提高1%就会使芯片功耗增加就会使芯片功耗增加3%，对于系统设计，对于系统设计而言，功耗对系统的可靠性、可用性以及系而言，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。统的规模有着直接的影响。l
