【正文】 多核技術(shù)導(dǎo)論 ? 什么是多核處理器？ ? 多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎 (內(nèi)核 ) – 雙核處理器 =一個(gè)處理器上包含 2個(gè)內(nèi)核 – 多核處理器 = 一個(gè)處理器上包含 2個(gè)或多個(gè)內(nèi) ? 體系結(jié)構(gòu)視角：?jiǎn)涡酒?，多個(gè)執(zhí)行內(nèi)核 ? 操作系統(tǒng)視角：多個(gè)處理器 ? 每個(gè)內(nèi)核擁有獨(dú)立的 Cache及相關(guān)資源 ? 完全的線程并行 ? 分類： ? 按計(jì)算內(nèi)核是否對(duì)等，片上多核處理器 CMP可分為 同構(gòu)多核 和 異構(gòu)多核 。 ? 計(jì)算內(nèi)核相同，地位對(duì)等 的稱為 “ 同構(gòu)多核 ” ，現(xiàn)在Intel和 AMD主推的雙核處理器就是同構(gòu)多核的； ? 計(jì)算內(nèi)核不同，地位不對(duì)等 的稱為 “ 異構(gòu)多核 ” ，異構(gòu)多核采用 “ 主處理器＋協(xié)處理器 ” 的設(shè)計(jì)， IBM、 SONY等聯(lián)手推出的 Cell處理器就是異構(gòu)多核處理器的典范。 片上多核處理器（ Chip MultiProcessor， CMP）就是將多個(gè)計(jì)算內(nèi)核集成在一個(gè)處理器芯片中，從而提高計(jì)算能力。 ? 硬件結(jié)構(gòu)： 由于 CMP處理器的各 CPU核心執(zhí)行的程序之間有時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與同步，故硬件結(jié)構(gòu)必須支持核間通信。 ? 總線共享 cache結(jié)構(gòu)： 是指每個(gè) CPU內(nèi)核擁有共享的二級(jí)或三級(jí) cache，用于保存比較常用的數(shù)據(jù)，并通過(guò)連接核心的總線進(jìn)行通信。 ? 基于片上互連的結(jié)構(gòu)： 指每個(gè) CPU內(nèi)核擁有獨(dú)立的處理單元和 cache，各個(gè) CPU核心間通過(guò)交叉開(kāi)火或片上網(wǎng)路等方式連接在一起，各個(gè) CPU核間通過(guò)消息通信。 為什么要采用多核技術(shù)？ ? 隨著芯片制成工藝的不斷進(jìn)步， 從體系結(jié)構(gòu)來(lái)看 ，傳統(tǒng)的處理器體系結(jié)構(gòu)技術(shù)已面臨瓶頸，晶體管集成度已經(jīng)過(guò)億，很難通過(guò)提高主頻來(lái)提升性能； 從應(yīng)用需求來(lái)看 ，日益復(fù)雜的多媒體、科學(xué)計(jì)算、虛擬化等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都呼喚更為強(qiáng)大的計(jì)算能力。在這樣的背景下，各主流處理器廠商紛紛將產(chǎn)品戰(zhàn)略 從提高芯片的時(shí)鐘頻率 轉(zhuǎn)向 多內(nèi)核（多線程） 開(kāi)發(fā)。 雙核共享封裝和 I/O時(shí) ,總成本下降 封裝和測(cè)試占總成本的 20%50%, I/O通常占晶片面積的1520% 功耗 成本 性能 單核 多核 主頻超過(guò) 2GHz時(shí)功耗超過(guò)100W 僅靠主頻驅(qū)動(dòng) 平衡性能與功耗 由主頻和每時(shí)鐘周期所執(zhí)行的指令數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) ? 不斷提高的用戶期望（促成軟件并發(fā)的因素） ? 多核比單核可以提供更強(qiáng)的計(jì)算能力 ? 處理器性能的提高方法 –通過(guò)提高主頻的方式：死胡同，因?yàn)榘l(fā)熱量大。 –多核是一種可以提高處理器性能的有效方法。 ? 處理器功能的提高（虛擬化技術(shù)） ? 功耗低 提升用戶的體驗(yàn) ? 摩爾定律 — 不斷發(fā)展和改進(jìn)處理器的性能 ? 最大限度地利用越來(lái)越多的晶體管 – 實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的價(jià)值 – 縮減處理時(shí)間，提高計(jì)算能力 – 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的新特性和新功能 多核有什么好處？ ? 計(jì)算性能得到提高、計(jì)算資源得到充分利用 –更快的響應(yīng)時(shí)間，更高的響應(yīng)速率。 –更強(qiáng)的輸出能力 –可以在多核平臺(tái)上更好地實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。 ? 可以更有效地完成各項(xiàng)計(jì)算任務(wù) ? 功耗比同樣數(shù)量的單核總和更低 ? 可以增強(qiáng)用戶在多任務(wù)環(huán)境下的效果體驗(yàn) ? 應(yīng)用例子 – 視頻點(diǎn)播服務(wù)器 – Web服務(wù)器 – FTP服務(wù)器 – 網(wǎng)絡(luò)游戲服務(wù)器 多核的影響 傳統(tǒng)的科學(xué)計(jì)算 ? 原有軟件大都是并行的 ?多核提供了更高性能的執(zhí)行平臺(tái) ?需要做的是針對(duì)多核進(jìn)行優(yōu)化 ,多核應(yīng)用不存在困難 服務(wù)器軟件 ? 業(yè)務(wù)特征是并發(fā)的 ,應(yīng)用具有天然的并發(fā)性 ? 多核提供了一個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái) , 面臨挑戰(zhàn)不大 ? 原有大部分程序是串行的 ? 需要很好的并行編程模型和開(kāi)發(fā)環(huán)境 ,挑戰(zhàn)很大 桌面軟件 多核軟件開(kāi)發(fā)面臨的挑戰(zhàn) ? 雙核的運(yùn)算速度一定會(huì)比單核的 CPU快嗎 ? ? 答案是不一定 ? 如果不針對(duì)多核進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，不僅多核提供的強(qiáng)大計(jì)算能力得不到利用，相反還有可能不如單核 CPU好用。因?yàn)椴捎枚嗪说?CPU其每個(gè)內(nèi)核的主頻比主流的單核 CPU通常要低一些，如果你的程 序只能發(fā)揮出一個(gè)內(nèi)核效用的話，自然不如單核 CPU好用 。 ? 要發(fā)揮多核處理器的優(yōu)勢(shì) ,必須進(jìn)行并行程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 ? 并行程序的設(shè)計(jì)為什么困難？其根本原因是因?yàn)榇蠖鄶?shù)計(jì)算機(jī)和編程語(yǔ)言發(fā)明之初就是按照馮 諾依曼理論進(jìn)行設(shè)計(jì)的。根據(jù)馮 諾依曼的理論，CPU是按照程序指令，一條條取出來(lái)并順序執(zhí)行的。而在多核或者多 CPU的計(jì)算機(jī)中，同時(shí)會(huì)有多條指令在執(zhí)行。 ? 并行程序設(shè)計(jì)困難表現(xiàn)在 – 首先，運(yùn)行于不同處理器上的各項(xiàng)任務(wù)之間的通信就是個(gè)難題。 – 其次，由于并行系統(tǒng)缺少明確的全局系統(tǒng)狀態(tài)，不像串行程序容易理解。 – 第三，因?yàn)椴⑿谐绦驁?zhí)行時(shí)，每一次的執(zhí)行路徑并不完全一樣，這會(huì)給并行程序設(shè)計(jì)的糾錯(cuò)和調(diào)優(yōu)等帶來(lái)很大困難 。 多核處理器的創(chuàng)新意義 ? 在單一處理器上安臵兩個(gè)或更多強(qiáng)大的計(jì)算核心的創(chuàng)舉開(kāi)拓了一個(gè)全新的充滿可能性的世界。 ? 多核處理器，較之當(dāng)前的單核處理器，能帶來(lái)更多的性能和生產(chǎn)力優(yōu)勢(shì)，因而最終將成為一種廣泛普及的計(jì)算模式。 ? 多核處理器還將在推動(dòng) PC安全性和虛擬技術(shù)方面起到關(guān)鍵作用 ? 計(jì)算機(jī)和處理器的發(fā)展歷程 ? 計(jì)算機(jī)誕生初期，程序指令是存儲(chǔ)在內(nèi)存中順序執(zhí)行的。 ? 上世紀(jì) 60年代 ,多個(gè)用戶可以同時(shí)訪問(wèn)同一臺(tái)大型機(jī) ,并發(fā)出現(xiàn) . ? 早期的個(gè)人電腦 ,單用戶操作系統(tǒng) ,同一時(shí)刻只能運(yùn)行一個(gè)程序 . ? 近期 ,互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始普及 .用戶需求越來(lái)越復(fù)雜 ,對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求越來(lái)越高 . 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 ? 第一代（ 1946~1958）： 電子管數(shù)字計(jì)算機(jī)。 ? 第二代（ 1958~1964）： 晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī) 。 ? 第三代（ 1964~1971）： 集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)。 ? 第四代（ 1971~ ）： 大規(guī)模集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)。 單片硅片上集成 1000~2022個(gè)以上晶體管。 ? 第一代（ 1946~1958）：電子管數(shù)字計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用電子管 ， 主存儲(chǔ)器采用汞延遲線 、磁鼓 、 磁芯；外存儲(chǔ)器采用磁帶；軟主要采用機(jī)器語(yǔ)言 、匯編語(yǔ)言；應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算為主 。 其特點(diǎn)是體積大 、 耗電大 、 可靠性差 、 價(jià)格昂貴 、 維修復(fù)雜 。 它奠定了以后計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ) 。 ? 第二代（ 1958~1964）：晶體管數(shù)字計(jì)算機(jī)。 晶體管的發(fā)明推動(dòng)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，邏輯元件采用了晶體管以后，計(jì)算機(jī)的體積大大縮小，耗電減少，可靠性提高，性能比第一代計(jì)算機(jī)有很大的提高。主存儲(chǔ)器采用磁芯，外存儲(chǔ)器已開(kāi)始使用更先進(jìn)的磁盤(pán)；軟件有了很大發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的高級(jí)語(yǔ)言及其編譯程序，還出現(xiàn)了以批處理為主的操作系統(tǒng)，應(yīng)用以科學(xué)計(jì)算和各種事務(wù)處理為主，并開(kāi)始用于工業(yè)控制。 ? 第三代（ 1964~1971）：集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)。 20世紀(jì) 60年代，計(jì)算機(jī)的邏輯元件采用小（ SSI）、中規(guī)模集成電路（ SSI、 MSI），計(jì)算機(jī)的體積更小型化、耗電量更少、可靠性更高，性能比第十代計(jì)算機(jī)又有了很大的提高。這時(shí)，小型機(jī)也蓬勃發(fā)展起來(lái)，應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。主存儲(chǔ)器仍采用磁芯，軟件逐漸完善，分時(shí)操作系統(tǒng)、會(huì)話式語(yǔ)言等多種高級(jí)語(yǔ)言都有新的發(fā)展。 ? 第四代 (1971年以后）：大規(guī)模集成電路數(shù)字計(jì)算機(jī)。 計(jì)算機(jī)的邏輯元件和主存儲(chǔ)器都采用了大規(guī)模集成電路（ LSI）。所謂大規(guī)模集成電路是指在單片硅片上集成1000~2022個(gè)以上晶體管的集成電路，其集成度比中、小規(guī)模的集成電路提高了 1~2個(gè)以上數(shù)量級(jí)。這時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)展到了微型化、耗電極少、可靠性很高的階段。大規(guī)模集成電路使軍事工業(yè)、空間技術(shù)、原子能技術(shù)得到發(fā)展，這些領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展對(duì)計(jì)算機(jī)提出了更高的要求，有力地促進(jìn)了計(jì)算機(jī)工業(yè)的空前大發(fā)展。 為了提高電腦在多媒體 、 3D圖形方面的應(yīng)用能力 ， 許多新指令集應(yīng)運(yùn)而生 ， 其中最著名的三種便是英特爾的 MMX、SSE和 AMD的 3D NOW!。 ? MMX（ MultiMedia Extensions， 多媒體擴(kuò)展指令集 ） 是英特爾于 1996年發(fā)明的一項(xiàng)多媒體指令增強(qiáng)技術(shù) ， 包括 57條多媒體指令 ， 這些指令可以一次處理多個(gè)數(shù)據(jù) ， MMX技術(shù)在軟件的配合下 ， 就可以得到更好的性能 。 MMX技術(shù)可用于對(duì)大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜數(shù)組進(jìn)行的復(fù)雜處理 ， 使用MMX技術(shù)可處理的數(shù)據(jù)基本單位可以是字節(jié) 、 字 ， 或者是雙字 。 ? 3D Now!是一種 3D加速指令集 ， 由 AMD公司開(kāi)發(fā) 。 它也是一種 SIMD數(shù)據(jù)處理方式 ， 但它的加速對(duì)象卻是 CPU浮點(diǎn)運(yùn)算 。 它是一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以同時(shí)處理 4個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算指令或兩條 MMX指令 。 ? SSE是 Streaming SIMD Extension的縮寫(xiě) ， 也叫 KNI指令集 。它是被嵌套在 Intel Pentium III處理器中的第二套多媒體專用指令集 。 與 MMX指令集不同的是 SSE的主要作用是加速CPU的 3D運(yùn)算能力 。 它總計(jì)包括 70條指令： 50條 SIMD浮點(diǎn)指令 ， 主要用于 3D處理 。 12條新 MMX指令 ， 8條系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)流傳輸優(yōu)化指令 。 ? 2022年推出的 SSE2， 增加了 144條指令 ， 主要完成雙精度向量計(jì)算與 128位整數(shù)向量運(yùn)算 。 2022年推出的 SSE3， 增加了 13條復(fù)數(shù)運(yùn)算指令 。 2022年推出的 SSE4， 增加了 47條指令 ， 用于視頻加速器 、 圖形構(gòu)造模塊與協(xié)處理器加速器 。 英特爾 174。 迅馳 ? 雙核移動(dòng)計(jì)算技術(shù) 移動(dòng)式雙核平臺(tái) 升級(jí)的雙核平臺(tái) 卓越的雙核平臺(tái) 處理器引擎 英特爾 174。 酷睿 ? 雙核處理器 英特爾 174。 酷睿 ?2 雙核處理器 英特爾 174。 酷睿 ?2 雙核處理器 移動(dòng)計(jì)算性能 好 更好 最好 前端總線 (FSB) 533/667 MHz 533/667 MHz 533/667 MHz 二級(jí)高速緩存 2 MB 2 MB 4 MB 時(shí)鐘速度 最高 GHz 最高 GHz 最高 GHz 處理器編號(hào)順序 T2022 T5000 T7000 內(nèi)存 (DDR2) 最高 667 MHz 最高 667 MHz 最高 667 MHz 芯片組 移動(dòng)式英特爾 174。 945 高速芯片組家族 無(wú)線 英特爾 174。 PRO/無(wú)線 3945ABG Intel Virtualization Technology ? 一臺(tái)機(jī)器 ， 十個(gè)操作系統(tǒng) ? 一臺(tái)機(jī)器 ， 十個(gè)操作系統(tǒng)這不是空談 ， 新一代處理器將更強(qiáng)調(diào)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用 。 多任務(wù)處理達(dá)到新的高度 ，依托雙核系統(tǒng)的強(qiáng)勁性能 ， 虛擬技術(shù)化可以讓你把一臺(tái)電腦當(dāng)作幾臺(tái)虛擬的電腦來(lái)用 ， 同時(shí)運(yùn)行不同的操作系統(tǒng) ，你可以同時(shí)運(yùn)行 FTP服務(wù)和 Web服務(wù) 、 可以打開(kāi)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) ， 與此同時(shí)還能玩會(huì)游戲或者網(wǎng)上沖浪 。 與現(xiàn)有虛擬軟件不同的是 ， 這種虛擬是完全硬件層次上的 。 可能虛擬化技術(shù)對(duì)于普通家用的意義還不是很大 ， 但對(duì)于許多企業(yè)來(lái)講 ， 將節(jié)省大筆的開(kāi)支 。 Intel174。 vPro? technology 采用英特爾 174。 博銳 ? 技術(shù)，可有效簡(jiǎn)化臺(tái)式機(jī)的管理作業(yè)?？梢愿焖俑咝У剡h(yuǎn)程管理公司的電腦 甚至包括已關(guān)機(jī)或其作業(yè)環(huán)境無(wú)法運(yùn)作的電腦。采用英特爾 174。 酷睿 ?2 雙核處理器，并采用英特爾 174。 博銳 ? 技術(shù)，可以大幅度提高處理計(jì)算密集型任務(wù)的性能 還有優(yōu)異的省電功能且符合 Windows Vista Premium 的系統(tǒng)規(guī)格 。 并行計(jì)算機(jī) ? 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程可以分為兩個(gè)明顯的發(fā)展時(shí)代： – 串行計(jì)算時(shí)代 – 并行計(jì)算時(shí)代。 ? 并行計(jì)算機(jī)是由一組處理單元組成的，這組處理單元通過(guò)相互之間的通信與協(xié)作，以更快的速度共同完成一項(xiàng)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。因此，并行計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最主要的組成部分是計(jì)算節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間的通信與協(xié)作機(jī)制。并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展也主要體現(xiàn)在計(jì)算節(jié)點(diǎn)性能的提高以及節(jié)點(diǎn)間通信技術(shù)的改進(jìn)兩方面 。 并行計(jì)算機(jī) ? 出現(xiàn)背景 : – 60年代初期，晶體管以及磁芯存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，處理單元變得越來(lái)越小，存儲(chǔ)器也更加小巧和廉價(jià)。出現(xiàn)規(guī)模不大的共享存儲(chǔ)多處理器系統(tǒng)，即大型主機(jī)（ Mainframe）。 – 60 年代末期，同一個(gè)處理器開(kāi)始設(shè)臵多個(gè)功能相同的功能單元，流水線技術(shù)也出現(xiàn)了，在處理器內(nèi)部的應(yīng)用大大提高了并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。 ? 兩個(gè)最主要的組成部分 – 計(jì)算節(jié)點(diǎn) – 節(jié)點(diǎn)間的通信與協(xié)作機(jī)制 基 本 概 念 ? 指令流（ instruction stream）