[工学]多核处理器的产生原因及现状

1、.多核处理器的产生原因及现状计算机科学与技术 杜立明 200926100406多内核（multicore chips）是指在一枚处理器芯片（chip）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(one chip)的速度会产生过多热量且无法带来相应的性能改善。一、为什么要发展多核为什么不能用单核的设计达到用户对处理器性能不断提高的要求呢？答案是功耗问题限制了单核处理器不断提高性能的发展途径。作为计算机核心的处理器就是将输入的数字化的数据和信息，进行加工和处理，然后将结果输出。假定计算机的其他子系统不存在瓶颈的话，那么影响计算机性能高低的核心部件就是

2、处理器。反映在指令上就是处理器执行指令的效率。处理器性能 = 主频 x IPC从上面的公式可以看出，衡量处理器性能的主要指标是每个时钟周期内可以执行的指令数(IPC: Instruction Per Clock)和处理器的主频。因此，提高处理器性能就是两个途径：提高主频和提高每个时钟周期内执行的指令数(IPC)。处理器微架构的变化可以改变IPC，效率更高的微架构可以提高IPC从而提高处理器的性能。但是，对于同一代的架构，改良架构来提高IPC的幅度是非常有限的，所以在单核处理器时代通过提高处理器的主频来提高性能就成了唯一的手段。不幸的是，给处理器提高主频不是没有止境的，从下面的推导中可以看出，处

3、理器的功耗和处理器内部的电流、电压的平方和主频成正比，而主频和电压成正比。即：处理器功耗 电流x 电压2x 主频 主频 电压 则：处理器功耗 主频3如果通过提高主频来提高处理器的性能，就会使处理器的功耗以指数(三次方)而非线性(一次方)的速度急剧上升，很快就会触及所谓的“频率的墙”(frequency wall)。过快的能耗上升，使得业界的多数厂商寻找另外一个提高处理器性能的因子，提高IPC。提高IPC可以通过提高指令执行的并行度来实现，而提高并行度有两种途径：一是提高处理器微架构的并行度；二是采用多核架构。在采用同样的微架构的情况下，为了达到处理器IPC的目的，我们可以采用多核的方法，同时有

4、效地控制功耗的急剧上升。因为：处理器功耗 电流x 电压2x 主频IPC 电流所以：处理器功耗 IPC由单核处理器增加到双核处理器，如果主频不变的话，IPC理论上可以提高一倍，功耗理论上也就最多提高一倍，因为功耗的增加是线性的。而实际情况是，双核处理器性能达到单核处理器同等性能的时候，前者的主频可以更低，因此功耗的下降也是指数方(三次方)下降的。反映到产品中就是双核处理器的起跳主频可以比单核处理器更低，性能更好。由此可见，将来处理器发展的趋势是：为了达到更高的性能，在采用相同微架构的情况下，可以增加处理器的内核数量同时维持较低的主频。这样设计的效果是，更多的并行提高IPC，较低的主频有效地控制了

5、功耗的上升。二、多核处理器的出现是技术发展的必然 上世纪八九十年代以来，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。这主要基于以下事实：1.晶体管时代

6、即将到来根据摩尔定律，微处理器的速度以及单片集成度每18个月就会翻一番。晶体管的制造工艺以惊人的速度在发展，45nm工艺的微处理器已经批量生产，芯片上集成的晶体管数目超过10亿个。因此，体系结构的研究又遇到新的问题：如何有效地利用数目众多的晶体管？多核通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核充分利用这些晶体管资源，发挥其最大的能效。2门延迟逐渐缩短，而全局连线延迟却不断加长随着VLSI工艺技术的发展，晶体管特征尺寸不断缩小，使得晶体管门延迟不断减少，但互连线延迟却不断变大。当芯片的制造工艺达到0.18微米甚至更小时，线延迟已经超过门延迟，成为限制电路性能提高的主要因素。在这种情况下，由于CMP(

7、单芯片多处理器)的分布式结构中全局信号较少，与集中式结构的超标量处理器结构相比，在克服线延迟影响方面更具优势。3符合Pollack规则按照Pollack规则，处理器性能的提升与其复杂性的平方根成正比。 如果一个处理器的硬件逻辑提高一倍，至多能提高性能40，而如果采用两个简单的处理器构成一个相同硬件规模的双核处理器，则可以获得7080的性能提升。同时在面积上也同比缩小。4能耗不断增长随着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。多核处理器里单个核的速度较慢，处理器消耗较少的能量，产生较少的热量。同时，原来单核处理器里增加的晶体管可用于增加多核处理器的核。在满足性能要求的基础上，多

8、核处理器通过关闭（或降频）内核等低功耗技术，可以有效地降低能耗。5设计成本的考虑随着处理器结构复杂性的不断提高，和人力成本的不断攀升，设计成本随时间呈线性甚至超线性的增长。多核处理器通过处理器IP等的复用，可以极大降低设计的成本。同时模块的验证成本也显著下降。6体系结构发展的必然超标量（Superscalar）结构和超长指令字（VLIW）结构在高性能微处理器中被广泛采用。但是它们的发展都遇到了难以逾越的障碍。Superscalar结构使用多个功能部件同时执行多条指令，实现指令级的并行（Instruction-Level Parallelism，ILP）。但其控制逻辑复杂，实现困难，研究表明，S

9、uperscalar结构的ILP一般不超过8。VLIW结构使用多个相同功能部件执行一条超长的指令，但也有两大问题：编译技术支持和二进制兼容问题。三、多核处理器与多线程处理器的比较 未来的主流应用需要处理器具备同时执行更多条指令的能力，但是从单一线程中已经不太可能提取更多的并行性，主要有以下两个方面的原因：一是不断增加的芯片面积提高了生产成本；二是设计和验证所花费的时间变得更长。为此，研究人员提出了两种新型体系结构: 单芯片多处理器(CMP)与同时多线程处理器(Simultaneous Multithreading，SMT)，这两种体系结构可以充分利用这些应用的指令级并行性和线程级并行性，从而显

10、著提高了这些应用的性能。从体系结构的角度看，SMT比CMP对处理器资源利用率要高，在克服线延迟影响方面更具优势。CMP相对SMT的最大优势还在于其模块化设计的简洁性。复制简单设计非常容易，指令调度也更加简单。同时SMT中多个线程对共享资源的争用也会影响其性能，而CMP对共享资源的争用要少得多，因此当应用的线程级并行性较高时，CMP性能一般要优于SMT。此外在设计上，更短的芯片连线使CMP比长导线集中式设计的SMT更容易提高芯片的运行频率，从而在一定程度上起到性能优化的效果。总之，单芯片多处理器通过在一个芯片上集成多个微处理器核心来提高程序的并行性。每个微处理器核心实质上都是一个相对简单的单线程

11、微处理器或者比较简单的多线程微处理器，这样多个微处理器核心就可以并行地执行程序代码，因而具有了较高的线程级并行性。由于CMP采用了相对简单的微处理器作为处理器核心，使得CMP具有高主频、设计和验证周期短、控制逻辑简单、扩展性好、易于实现、功耗低、通信延迟低等优点。此外，CMP还能充分利用不同应用的指令级并行和线程级并行，具有较高线程级并行性的应用如商业应用等可以很好地利用这种结构来提高性能。单芯片多处理器已经成为处理器体系结构发展的一个重要趋势。四、多核处理器的发展现状 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

12、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。2005年4月，英特尔推出简单封装双核的奔腾D和奔腾四至尊版840。AMD在之后也发布了双核皓龙(Opteron)和速龙(Athlon) 64 X2和处理器。但真正的“双核元年”，则被认为是2006年。这一年的7月23日，英特尔基于酷睿(Core)架构的处理器正式发布。2006年11月，又推出面向服务器、工作站和高端个人电脑的至强(Xeon)5300和酷睿双核和四核至尊版系列处理器。与上一代台式机处理器相比，酷睿2 双核处理器在性能方面提高40%，功耗反而降低40%。作为回应，7月24日

13、，AMD也宣布对旗下的双核Athlon64 X2处理器进行大降价。由于功耗已成为用户在性能之外所考虑的首要因素，两大处理器巨头都在宣传多核处理器时，强调其“节能”效果。英特尔发布了功耗仅为50瓦的低电压版四核至强处理器。而AMD的“Barcelona”四核处理器的功耗没有超过95瓦。2008年09月，英特尔终于按计划发布了集成6核的Xeon（至强）7400处理器。该处理器开发代号为“Dunnington”，是英特尔首颗基于x86架构的六核处理器，主要面向注重多线程运算的高端市场。英特尔表示，Xeon 7400在虚拟机和数据库应用方面进行了很多优化。其二级缓存高达16MB，每个核心都支持虚拟化技术，其虚拟化性能跟以往产品相比提高达50%。11月，英特尔正式推出基于全新Nehalem架构的新一代桌面处理器 “Intel Core i7”系列。Intel Corei7是一款45nm原生四核处理器，处理器拥有8MB三级缓存，支持三通道DDR3内存。处理器采用LGA1366针脚设计，支持第二代超线程技术，也就是处理器能以八线程