多核处理器的技术关键

什么是多核处理器技术?~

超线程技术一般应用在INTEL流水线较长的NETBURST架构时代，其原理是利用拥有较长流水线的单颗核心上模拟出一颗核心同时进行处理，这样可以有效避免长流水线在处理短指令的时候的资源浪费。但超线程相由于其作用原理限制，相比多核有较大差距。

与单核处理器相比，多核处理器在体系结构、软件、功耗和安全性设计等方面面临着巨大的挑战，但也蕴含着巨大的潜能。
CMP和SMT一样，致力于发掘计算的粗粒度并行性。CMP可以看做是随着大规模集成电路技术的发展，在芯片容量足够大时，就可以将大规模并行处理机结构中的SMP（对称多处理机）或DSM（分布共享处理机）节点集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的线程或进程。在基于SMP结构的单芯片多处理机中，处理器之间通过片外Cache或者是片外的共享存储器来进行通信。而基于DSM结构的单芯片多处理器中，处理器间通过连接分布式存储器的片内高速交叉开关网络进行通信。
由于SMP和DSM已经是非常成熟的技术了，CMP结构设计比较容易，只是后端设计和芯片制造工艺的要求较高而已。正因为这样，CMP成为了最先被应用于商用CPU的“未来”高性能处理器结构。
虽然多核能利用集成度提高带来的诸多好处，让芯片的性能成倍地增加，但很明显的是原来系统级的一些问题便引入到了处理器内部。 同构还是异构
CMP的构成分成同构和异构两类，同构是指内部核的结构是相同的，而异构是指内部的核结构是不同的。为此，面对不同的应用研究核结构的实现对未来微处理器的性能至关重要。核本身的结构，关系到整个芯片的面积、功耗和性能。怎样继承和发展传统处理器的成果，直接影响多核的性能和实现周期。同时，根据Amdahl定理，程序的加速比决定于串行部分的性能，所以，从理论上来看似乎异构微处理器的结构具有更好的性能。
核所用的指令系统对系统的实现也是很重要的，多核之间采用相同的指令系统还是不同的指令系统，能否运行操作系统等，也将是研究的内容之一。 多级Cache设计与一致性问题
处理器和主存间的速度差距对CMP来说是个突出的矛盾，因此必须使用多级Cache来缓解。目前有共享一级Cache的CMP、共享二级Cache的CMP以及共享主存的CMP。通常，CMP采用共享二级Cache的CMP结构，即每个处理器核心拥有私有的一级Cache，且所有处理器核心共享二级Cache。
Cache自身的体系结构设计也直接关系到系统整体性能。但是在CMP结构中，共享Cache或独有Cache孰优孰劣、需不需要在一块芯片上建立多级Cache，以及建立几级Cache等等，由于对整个芯片的尺寸、功耗、布局、性能以及运行效率等都有很大的影响，因而这些都是需要认真研究和探讨的问题。
另一方面，多级Cache又引发一致性问题。采用何种Cache一致性模型和机制都将对CMP整体性能产生重要影响。在传统多处理器系统结构中广泛采用的Cache一致性模型有: 顺序一致性模型、弱一致性模型、释放一致性模型等。与之相关的Cache一致性机制主要有总线的侦听协议和基于目录的目录协议。目前的CMP系统大多采用基于总线的侦听协议。 CMP处理器的各CPU核心执行的程序之间有时需要进行数据共享与同步，因此其硬件结构必须支持核间通信。高效的通信机制是CMP处理器高性能的重要保障，目前比较主流的片上高效通信机制有两种，一种是基于总线共享的Cache结构，一种是基于片上的互连结构。
总线共享Cache结构是指每个CPU内核拥有共享的二级或三级Cache，用于保存比较常用的数据，并通过连接核心的总线进行通信。这种系统的优点是结构简单，通信速度高，缺点是基于总线的结构可扩展性较差。
基于片上互连的结构是指每个CPU核心具有独立的处理单元和Cache，各个CPU核心通过交叉开关或片上网络等方式连接在一起。各个CPU核心间通过消息通信。这种结构的优点是可扩展性好，数据带宽有保证; 缺点是硬件结构复杂，且软件改动较大。
也许这两者的竞争结果不是互相取代而是互相合作，例如在全局范围采用片上网络而局部采用总线方式，来达到性能与复杂性的平衡。 任务调度、中断处理、同步互斥
对于多核CPU，优化操作系统任务调度算法是保证效率的关键。一般任务调度算法有全局队列调度和局部队列调度。前者是指操作系统维护一个全局的任务等待队列，当系统中有一个CPU核心空闲时，操作系统就从全局任务等待队列中选取就绪任务开始在此核心上执行。
这种方法的优点是CPU核心利用率较高。后者是指操作系统为每个CPU内核维护一个局部的任务等待队列，当系统中有一个CPU内核空闲时，便从该核心的任务等待队列中选取恰当的任务执行，这种方法的优点是任务基本上无需在多个CPU核心间切换，有利于提高CPU核心局部Cache命中率。目前多数多核CPU操作系统采用的是基于全局队列的任务调度算法。
多核的中断处理和单核有很大不同。多核的各处理器之间需要通过中断方式进行通信，所以多个处理器之间的本地中断控制器和负责仲裁各核之间中断分配的全局中断控制器也需要封装在芯片内部。
另外,多核CPU是一个多任务系统。由于不同任务会竞争共享资源，因此需要系统提供同步与互斥机制。而传统的用于单核的解决机制并不能满足多核，需要利用硬件提供的“读－修改－写”的原子操作或其他同步互斥机制来保证。 半导体工艺的迅速发展使微处理器的集成度越来越高，同时处理器表面温度也变得越来越高并呈指数级增长，每三年处理器的功耗密度就能翻一番。目前，低功耗和热优化设计已经成为微处理器研究中的核心问题。CMP的多核心结构决定了其相关的功耗研究是一个至关重要的课题。
低功耗设计是一个多层次问题，需要同时在操作系统级、算法级、结构级、电路级等多个层次上进行研究。每个层次的低功耗设计方法实现的效果不同——抽象层次越高，功耗和温度降低的效果越明显。
当前Intel的CPU的功耗相对较低，得益于先进的英特尔构架和45纳米、32纳米制程工艺，同时Intel还专门为CPU开发了不少节能技术，比如C6深度节能技、英特尔智能功效管理 和主动管理技术 等等，Intel在移动CPU市场，更是凭借超低电压处理器（ULV）和凌动（Atom）系列处理器，遥遥领先于对手。 随着技术革新的发展，处理器的应用渗透到现代社会的各个层面，但是在安全性方面却存在着很大的隐患。一方面，处理器结构自身的可靠性低下，由于超微细化与时钟设计的高速化、低电源电压化，设计上的安全系数越来越难以保证，故障的发生率逐渐走高。另一方面，来自第三方的恶意攻击越来越多，手段越来越先进，已成为具有普遍性的社会问题。现在，可靠性与安全性的提高在计算机体系结构研究领域备受注目。
今后，CMP这类处理器芯片内有多个进程同时执行的结构将成为主流，再加上硬件复杂性、设计时的失误增加，使得处理器芯片内部也未必是安全的，因此，安全与可靠性设计任重而道远。

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循化撒拉族自治县17890179367： 谁能介绍下多核处理器的技术关键呢? ？
招荀锐林： 当前Intel的CPU的功耗相对较低,得益于先进的英特尔构架和45纳米、32纳米制程工艺,同时Intel还专门为CPU开发了不少节能技术,比如C6深度节能技、英特尔智能功效管理和主动管理技术等等,Intel在移动CPU市场,更是凭借超低电压处理器(ULV)和凌动(Atom)系列处理器,遥遥领先于对手

循化撒拉族自治县17890179367： 多核处理器技术原理是什么? ？
招荀锐林： [1]多核处理器技术原理编辑多核CPU就是基板上集成有多个单核CPU,早期PD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,2个核心同时处理2“份”任务,速度快了,万一1个核心死机,起码另一个U还可以继续处理关机、关闭软件等任务 这是我的看法,请采纳.

循化撒拉族自治县17890179367： 多核处理器的技术意义 - ？
招荀锐林： 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,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采用的计算模...

循化撒拉族自治县17890179367： 多核处理器的技术发展 - ？
招荀锐林： 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...

循化撒拉族自治县17890179367： 请问影响CPU处理性能的关键因素是主频吗?如果不是,那还有什么? - ？
招荀锐林： 关键因素1:处理器架构每一代处理器性能的提升,其主要改变就是处理器架构的变化,无论是从奔腾到酷睿,还是酷睿到酷睿i系列,无一例外都是处理器内部结构发生了变化,即架构变化.处理器结构的改变,是设计者针对某一计算过程的...

循化撒拉族自治县17890179367： 多核心CPU - ？
招荀锐林： 双核处理器是指在一个处理器上集成两个运算核心.如果一个双核处理器主频是2.0G,那么每个核心都是工作在2.0G的频率上.四核,六核同理.多核心CPU的优势主要体现在多任务并行处理上,即同一时间处理两个或多个任务.这个优势是需要软件优化才能体现出来的,如果某软件支持类似反超线程技术(相对超线程来说的,超线程是P4时代一个处理器(核心)模拟成两个进行双(多)线程任务),可以在处理单个任务时,两个核心可以同时工作,一个核心只需处理一半任务就可以完成工作,这样的效率可以等同于是一个4.0G主频的单核心CPU的效率(假设双核处理器主频是2.0G)

循化撒拉族自治县17890179367： 处理器的单核,双核,多核是什么意思呢? - ？
招荀锐林： 百度本身已经给出答案了.什么是双核处理器呢?双核处理器背后的概念蕴涵着什么意义呢?简而言之,双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心.换句话说,将两个物理处理器核心整合入一个核中.企...

循化撒拉族自治县17890179367： 现在两核电脑还能用吗 - 现在电脑双核处理器还能用不 ？
招荀锐林： 现在电脑双核处理器还能用不双核就是一个CPU中集成了2个处理核心的处理器,就像有两个大脑一样,处理数据的速度会更快,并且是各自运算不同的程序,就像两个大...

循化撒拉族自治县17890179367： 双核处理器比单核处理器有何优势? - ？
招荀锐林： 技术层面来看,多核处理器,较之当前的单核处理器,能带来更多的性能和生产力优势,因而最终将成为一种广泛普及的计算模式.多核处理器还将在推动PC安全性和虚拟技术方面起到关键作用,虚拟技术的发展能够提供更好的保护、更高的...

循化撒拉族自治县17890179367： 双核和单核的区别？
招荀锐林： 双核处理器是说两个处理核心被集成到了一块芯片上了,但即使说是双核,在处理性能上也是有很大差别的,因为这要看那两个处理核心的构架方式.比如最初的双核是相互独立的,分用缓存,两个处理核心之间不能实现相互的信息的共享,相对来说处理性能并不是很高,但现在最新的双核心处理器是共用缓存的,两个处理核心之间能够实现信息交流,处理能力和速度要好的多,他的处理频率也不可以与现在单核的处理器做简单的相比,比如双核的2.4G与单核的2.8G相比,双核的2.4G的处理能力要强的多