包铁-多核程序设计7 复习ppt课件

1、456789多核的概念多核的概念: 在一个单芯片上面集成两个甚至更在一个单芯片上面集成两个甚至更多个处理器内核，其中每个处理器都有多个处理器内核，其中每个处理器都有自己的逻辑单元、控制单元、中断控制自己的逻辑单元、控制单元、中断控制器、运算单元、一级缓存，二级缓存共器、运算单元、一级缓存，二级缓存共享或独有，其部件的完整性和单核处理享或独有，其部件的完整性和单核处理器内核完全一致。器内核完全一致。多核与多处理器多多核与多处理器多CPU的区别：的区别： 多核是指一个处理器芯片有多个处理多核是指一个处理器芯片有多个处理器核心，他们之间通过器核心，他们之间通过CPU内部总线进内部总线进行通讯。行通讯

2、。 多处理器是指简单的多个处理器芯片多处理器是指简单的多个处理器芯片工作在同一个系统上，多个处理器之间工作在同一个系统上，多个处理器之间的通讯是通过主板上的总线进行的。的通讯是通过主板上的总线进行的。 下面我们从以下多个方面分析多核技下面我们从以下多个方面分析多核技术是处理器发展的必然趋势。术是处理器发展的必然趋势。1 半导体工艺技术的飞速进步半导体工艺技术的飞速进步2 Pollack规则规则3 能耗能耗4 设计成本设计成本1 半导体工艺技术的飞速进步：半导体工艺技术的飞速进步：如何有效地利用数目众多的晶体管？如何有效地利用数目众多的晶体管？多核技术多核技术 通过在一个芯片上集成多个简单的处理

3、器核，通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核，利用这些晶体管资源，发挥其最大的能效。利用这些晶体管资源，发挥其最大的能效。1 半导体工艺技术的飞速进步：半导体工艺技术的飞速进步： 早期的微处理器都是使用早期的微处理器都是使用0.5微米工艺制造微米工艺制造出来的，随着出来的，随着CPU频率的增加，原有的工艺已频率的增加，原有的工艺已无法满足产品的要求，这样便出现了无法满足产品的要求，这样便出现了0.35微米微米以及以及0.25微米工艺，不久以后，微米工艺，不久以后，0.18微米、微米、0.13微米、微米、90纳米、纳米、65纳米以及纳米以及45纳米制造的纳米制造的处理器产品也相继面世。处理器产品

4、也相继面世。 2 Pollack规则：规则： 如一个处理器的硬件逻辑提高一倍，至多能如一个处理器的硬件逻辑提高一倍，至多能提高性能提高性能40。采用两个简单处理器构成一个相同硬件规模的采用两个简单处理器构成一个相同硬件规模的双核处理器，可获得双核处理器，可获得7080的性能提升。的性能提升。多核技术符合多核技术符合Pollack规则规则 英特尔微处理器实验室主任英特尔微处理器实验室主任Fred Pollack ：从从386起，英特尔每一新架构需要两到三倍的起，英特尔每一新架构需要两到三倍的晶片面积，而性能只提升晶片面积，而性能只提升1.4到到1.7倍。倍。 两代处理器，性能每提升一倍，复杂性便

5、增两代处理器，性能每提升一倍，复杂性便增加加4倍；速度提升倍；速度提升4倍，电晶体就要多用倍，电晶体就要多用16倍。倍。简言之，性能的提升与复杂性的平方根成比例。简言之，性能的提升与复杂性的平方根成比例。3 能耗：能耗：（1工艺技术的发展和芯片复杂性的增工艺技术的发展和芯片复杂性的增加，芯片的发热现象日益突出。加，芯片的发热现象日益突出。（2单核高频率的处理器功耗太大，发热单核高频率的处理器功耗太大，发热量太大。量太大。（3多核可以提高性能，且能较好解决功多核可以提高性能，且能较好解决功耗问题。耗问题。（4多核处理器可以采用降低功耗的技术：多核处理器可以采用降低功耗的技术：如可以关闭一些处理器

6、。如可以关闭一些处理器。4 设计成本：设计成本：（1处理器结构复杂性的不断提高，人力成处理器结构复杂性的不断提高，人力成本的不断攀升，设计成本随时间呈线性甚至本的不断攀升，设计成本随时间呈线性甚至超线性的增长。超线性的增长。（2研发高频率处理器的成本越来越高。研发高频率处理器的成本越来越高。多核处理器可有效控制成本：多核处理器可有效控制成本：处理器处理器IP核重用，设计成本极大降低；核重用，设计成本极大降低；模块的验证成本也显著下降。模块的验证成本也显著下降。（3Intel发布发布3.8GHz的产品，宣布停止的产品，宣布停止4GHz的产品计划。的产品计划。 AMD频率超过频率超过2GHz以后以

7、后无法大幅度提升。无法大幅度提升。内存模块与节点分离内存模块与节点分离内存模块位于节点内部内存模块位于节点内部P1P2PnI/OSM1SMm共享存储器处理器（）系统互连总线 交叉开关多级,网络等价的。等价的。LM1P1LM2P2LMnPn互连网络(a)共享本地存储模型全局互连网络(b)层次式机群模型GSMGSMGSMPCINCSMPPCSMCSM群1PCINCSM群NPPCSMCSM互连网络DCPDCPDCP消 息 传 递 互 连 网 络(网 络 ， 环 网 ， 超 立 方 ，立 方 环 等 )PMPMMPMPMPMPMPPMPMPM.I/ONIC,DIR,RC系统互连网路MemP/CP/CI

8、/ONIC,DIR,RCMemP/CP/C节点N节点 1总线或 交叉 开关总线或 交叉 开关M MI IM MD D多 计 算 机(多 地 址 空 间 非 共 享 存 储 器 )(IBM SP2,DEC TruClusterTandem Hymalaya,HP,Microsoft Wolfpack,etc)N NO OR RM MA AU UM MA AN NU UM MA AC Cl lu us st te er rM MP PP P(Intel TFLOPS)紧 耦 合P PV VP P(Cray T90)S SM MP P(Intel SHV,SunFire,DEC 8400,SGI P

9、owerChallenge,IBMR60,etc.)C CO OM MA A(KSR-1,DDM)C CC C- -N NU UM MA A(Stanford Dash,SGI Origin 2000,Sequent NUMA-Q,HP/Convex Exemplar)N NC CC C- -N NU UM MA A(Cray T3E)D DS SM M(TreadMarks,Wind Tunnel,IVY,Shrimp,etc.)（）松 散 耦 合（）中 央 存 储 器分 布 存 储 器多 处 理 机单 地 址共 享（）空 间存 储 器pWWsWpWsSP/)1(11)1(pfppffffS

10、WpWpfpWpfWfWWWpWWWWSOOOPSPS/) 1(1)1 (程 序 中 顺 序 部 分 的 百 分 比f(c)0% 1% 2% 3% 4% 100%加速比SS1024=1024/(1+1023f)1024x91x48x31x24x1x WpWp Wp WpWp WpW1W1W1W1W1W1工作负载W处 理 器 数P (a)123456T1 T1 Tp Tp Tp Tp Tp Tp T1 T1 T1执行时间T处 理 器 数P (b)T1123456PSSSSWWpWpWpWppWpWpWS/) p-f (p-p) f ( p -f) p ( f S 111WWfpfWWWpWWSO

11、OPSPS/11程序中顺序部分的百分比f(c)S1024=1024-1023f0%1%2%3%4%1024x1014x 1004x993x983x加速比S 处理器数P工作负载W (a)W1W1W1W1W1W1WpWpWpWpWpWp123456 TpT1T1T1T1T1T1执行时间T处理器数P (b)123456 Tp Tp Tp Tp Tp ppGffpGff/11 pWpGffWWpGffWS/11 T1Tp执行时间T处理器数P (b)T1T1T1T1T1TpTpTpTpTp处理器数P工作负载W (a)W1WpWpWpWpWpWpW1W1W1W1W1123456123456CPU寄存器状态和栈寄存器状态和栈代码数据文件寄存器栈线程代码数据文件寄存器栈寄存器栈寄存器栈线程改善了系统资源的利用率。线程是改善了系统资源的利用率。线程是CPU的调度单位的调度单位 。nn在系统繁忙的情况下，进程通过独立的线程及时响在系统繁忙的情况下，进程通过独立的线程及时响应用户输入应用户输入n所有与多线程机制相关的类都存放在所有与多线程机制相关的类都存放在System.Thre