多核CPU发展历程及应用

1、1演讲：赵伟赫解答：刘祺制作：白宇 段志蔚多核CPU的发展历程及应用2YOUR LOGO前 言Page 2处理器的发展可谓日新月异，CPU对计算机性能的发挥起着至关重要的作用，随着信息时代的到来，各层次的电脑用户对电脑的性能提出了更高的要求，单核处理器已经不能满足人们日常工作生活所需。双核和多核的出现和应用是必然的，从市场需要上看，双核和多核也是符合市场需要的，处理器生产厂商也同时大力推广双核和多核处理器，从目前发展形势上看，双核和多核处理器已经显露出自己无可比拟的优势，也得到了用户的广泛信任和选购。未来的科技发展也寄予了双核和多核处理器更多的厚望。这些都预示着双核以及多核处理器是未来市场主流

2、处理器的发展趋势。3概述从单核到多核多核出现的必然性第一章 单核过渡多核Page 34YOUR LOGO概述Page 4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。5Page 5从单核到多核Page 5 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。6单核CPU系列简单浏览78086微处理器Page 7 I

3、ntel 8086是一个由Intel于1978年所设计的16位微处理器芯片，是x86架构的鼻祖。它是以8080和8085的设计为基础，拥有类似的寄存器组，但是数据总线扩充为16位。8086 CPU有20条地址线，可直接寻址1MB的存储空间，每一个存储单元可以存放一个字节（8位）二进制信息。 88088微处理器Page 88088是一个Intel以8086为基础的微处理器，拥有16位元暂存器和8位元外部资料总线。8088使用8位元的设计，所针对的是较为经济之系统。1979年，英特尔公司开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16位数据传输，所以都称为16位微处理器，但8086每周期能

4、传送或接收16位数据，而8088每周期只采用8位。因为最初的大部分设备和芯片是8位的，而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。9内容页样式80286芯片外观80286的核心Page 980286芯片集成了14.3万只晶体管、16位字长，时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线24位。1080386系列CPUPage 101985年推出的CPU芯片，它是80 x86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步.80386的内部和外部数据总线都是32位，地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存。1180486系列CPUPag

5、e 11 80486是Intel公司1989年推出的32位微处理器，内部包括总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制和保护测试单元部件、整数执行部件、分段部件、分页部件，以及浮点运算部件和高速缓存（cache）管理部件。12Page 121993年推出的全新一代的高性能处理器Pentium13Page 131995 年秋季发布的英特尔高能奔腾处理器14Page 141997年英特尔推出奔腾II（Pentium II）处理器15Page 151998年：英特尔推出奔腾II至强（Xeon）处理器162000年：英特尔推出奔腾4（Pentium 4）处理器1999年：英特尔推出赛扬（Celer

6、on）处理器Page 1617Page 172001年：英特尔推出安腾（Itanium）处理器2003年：英特尔推出奔腾M（Pentium M）/赛扬 M （Celeron M）处理器18多核出现的必然性Page 1819YOUR LOGOPage 19 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。 多核技术能够使服务器并行处理任务，此前，这可能需要使用多个处理器，多核系统更易于扩充，并且能够在

7、更纤巧的外形中融入更强大的处理性能，这种外形所用的功耗更低、计算功耗产生的热量更少。多核技术是处理器发展的必然。概述20Page 20 发展Page 20 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。21YOUR LOGOPage 21 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处理器。反映在指令上就是处理器执行指令的效率。 发展处理器性能 = 主频 x IPCIPC: Instruction Per Cl

8、ock（每个时钟周期内可以执行的指令数）22YOUR LOGOPage 22发展处理器性能= 主频 x IPC 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。23Page 23因为：“处理器功耗 正比于 电流x 电压 x 电压 x 主频”，“IPC 正比于 电流”所以：“处理器功耗 正比于 IPC

9、” 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。24Page 24 必然性Page 24 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

10、微处理器的性能。这两个因素是相互影响，相互促进的。 多核的出现是技术发展和应用需求的必然产物。25晶体管时代即将到来符合Pollack规则必然性Page 25门延迟逐渐缩短，而全局连线延迟却不断加长26能耗不断增长设计成本的考虑必然性Page 26体系结构发展的必然27多核多核CPUCPU的发展的发展28 多核CPU的发展Page 2829多核CPU的发展Page 29 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

11、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。 已有的多核处理器中仍存在几种比较典型的结构，它们分别代表了多核处理器结构中的某一类特点，而Hydra、Cell 和RAW 处理器就是3 种典型的结构。30 Hydra 处理器Page 30 Hydra 处理器是1996 年美国斯坦福大学研制得一个集成了4 个核心的处理器，这在当时是一种新型的处理器结构。Hydra 在一个芯片上集成了4 个核心，核心间通过总线结构共享片上二级缓存、存储器端口和I/O 访问端口，整体结构如图 所示。31 Cell 处理器Page 31 2001 年3 月，

12、IBM 与Sony、Toshiba 合作，着手开发一种全新的微处理器结构Cell 处理器，旨在以高效率、低功耗来处理下一代宽带多媒体与图形应用。如图2所示32 RAW 处理器Page 32美国麻省理工学院研究的可重构RAW 处理器芯片采用了一种Tile 结构的多核处理器发展思路。RAW 处理器结构主要由16 个Tile 单元和片上网络构成，如图所示。33Page 33多核处理器的技术优势多核处理器的技术优势 从应用需求上去看，越来越多的用户在使用过程中都会涉及到多任务应用环境，日常应用中用到的非常典型的有两种应用模式。 一种应用模式是一个程序采用了线程级并行编程，那么这个程序在运行时可以把并行

13、的线程同时交付给两个核心分别处理，因而程序运行速度得到极大提高。还有一些更常见的日常应用程序，例如Office、IE等，同样也是采用线程级并行编程，可以在运行时同时调用多个线程协同工作，所以在双核处理器上的运行速度也会得到较大提升。34Page 34多核处理器的技术种类多核处理器的技术种类单芯片多处理器(CMP)同时多线程处理器(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，从而显著提高了这些应用的性能。35Page 35多核处理器的技术优势多核处理器的技术优势 日常应用中的另一种模式是同时运行多个程序。 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

14、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。36Page 36多核处理器的技术瓶颈多核处理器的技术瓶颈 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。 一味增加并行的处理单元是行不通的。并行计算机的发展历史表明，并行粒度超过100以后，程序就很难写，能做到128个以上的应用程序很少。CPU到了100个核以上后，现在并行计算机系统遇到

15、的问题，在CPU一样会存在。37Page 37多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键n 1.核心结构的选择目前多核处理器的核心结构主要有同构和异构两种。同构结构采用对称设计，原理简单，硬件上较易实现。当前主流的双核和四核处理器基本上都采用同构结构。与同构结构相比，异构的优势是通过组织不同特点的核心来优化处理器内部结构，实现处理器性能的最佳化，而且能有效地降低功耗。38Page 38多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键【同构】 -x86处理器【异构】-fusion处理器39Page 39GPGPUGPGPU与异构计算与异构计算从上世纪九十年代开始计算，GPU与CPU已在长达十余年的时间里一

16、直各司其职，保持井水不犯河水的状态。但CPU单核性能的提高受到功耗，访存速度，设计复杂度等多重瓶颈的制约，逐渐显露颓势。在这种状态下，GPU开始不甘于寄人篱下，尝试提高自身的可编程性，接管一部分适合自己进行运算的应用。后文为大家介绍Intel反击的最新产品K nights Landing.40Page 40多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键n 2.存储结构设计 处理器与主存储器之间的速度差距一直是处理器结构设计中必须考虑的问题，因为存储系统自身的体系结构设计直接关系到系统整体性能，会对整个芯片的尺寸、功耗、布局、性能以及运行效率等各方面产生很大的影响。41Page 41多核处理器的技术关

17、键多核处理器的技术关键n 3.片上通信多核芯片上的多个核心虽然各自执行自己的代码，但是不同核心间可能需要进行数据的共享和同步，因此片上通信结构的性能将直接影响处理器的性能。42Page 42多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键n 4.低功耗设计刚才说过传统单处理器的一个瓶颈就是随着频率的提升，功耗越来越高，最终使得芯片无法正常运行。在早期的多核处理器设计中，主要通过降低核心频率来降低处理器的功耗，但是这样限制了核心的运算性能，并没有从根本上实现高性能、低功耗的目的。43Page 43多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键n 5.操作系统设计由于多核内部有多个核心，那么就存在任务分配、调度

18、、仲裁以及平衡负载等问题，多核之间的任务调度是充分利用多处理器性能的关键。44Page 44多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键n 6.平衡设计原则平衡设计原则是指在芯片的复杂度、内部结构、性能、功耗、扩展性、部件成本等各个方面做一定的权衡，即不能为了单纯地获得某一方面的性能而导致其它方面的问题，在设计过程中要坚持从整体结构的角度去权衡各个具体的结构问题。45Page 45多核处理器的技术关键多核处理器的技术关键n 7.软件应用开发多核处理器在利用多个核心的并行执行能力来提高处理器运算性能的同时，也给软件开发者带来了麻烦。当前的困境是众多应用并没有利用多核的性能潜力，多核的性能优势没有体现。46多核CPU的发展趋势发展趋势异构多核多核上将集成更多结构简单、低功耗的核心多核上应用可重构技术Page 4647最新技术 Haswell会支持积和熔加运