计算机新技术——多核技术.doc

计算机新技术

——我对多核技术的认识

相关技术名词解释：1

多核技术定义：1

多核处理器定义：1

双核技术定义：1

多核技术的特点分析：2

多核技术的优势：2

潜在的两个问题2

九大关键技术的挑战2

未来的发展5

在计算机新技术课程上了解到了多核技术，是我对多核技术有了更大的兴趣，所以选择多核技术来写一篇自己的认识。

相关技术名词解释：

多核技术定义：

多核技术就是把多个处理器集成在一个芯片内，是对称多处理系统的延伸，设计的主要思想是通过简化超标量结构设计，将多个相对简单的超标量处理器核集成到一个芯片上，从而避免线延的影响，并充分开发线程级并行性，提高吞吐量。

多核处理器定义：

多核处理器，指的是在一个芯片内含有多个处理核心而构成的处理器。所谓“核心”，通常指包含指令部件、算术/逻辑部件、寄存器堆和一级或者二级缓存的处理单元。在芯片上，多个核心通过某种方式互联起来，使它们能够交换数据，从而可以对外表现为一个统一的多核处理器。多核处理器能通过划分任务，分配给多个内核并行执行线程，可以在相同的时间内完成更多的任务，从而大大提高了处理速度。

双核技术定义：

所谓“双核技术”, 就是在处理器上拥有两个一样功能的处理器核心, 即将两个物理处理器核心整合到一个内核中。两个处理核心在共享芯片组存储界面的同时, 可以完全独立地完成各自地工作, 从而能在平衡功耗的基础上极大地提高CPU 性能。

多核技术的特点分析：

多核技术的优势：

目前的研究认为，多核处理器相比相同工艺、相同面积的单核处理器具有如下优势：

1、逻辑简单：相对超标量微处理器结构和超长指令字结构而言，单芯片多处理器结构的控制逻辑复杂性要明显低很多。相应的单芯片多处理器的硬件实现必然要简单得多。

2、高主频：芯片多处理器结构的控制逻辑相对简单，包含极少的全局信号，因此线延迟对其影响比较小，因此，在同等工艺条件下，单芯片多处理器的硬件实现 要获得比超标量微处理器和超长指令字微处理器更高的工作频率。

3、低通信延迟：由于多个处理器集成在一块芯片上，且采用共享Cache或者内存的方式，多线程的通信延迟会明显降低，这样也对存储系统提出了更高的要求。

4、低功耗：调节电压/频率、负载优化分布等，可有效降低CMP功耗。

5、设计和验证周期短：微处理器厂商一般采用现有的成熟单核处理器作为处理器核心，从而可缩短设计和验证周期，节省研发成本。

潜在的两个问题

虽然在总体性能和能源效率方面上多核具有明显优势，但是从目前多核的技术和人们对于其应用能力上看，还有两方面的潜在问题：

(1)为了达到总体性能和能源的有效性，在同一工艺条件下，每个核心在芯片上所占的面积实际上较小，意味着每个核心比相应的单核处理器要简单，从而计算能力相对较弱。对于那些本质上必须串行执行的程序来讲，由于很难利用到多个核心，它们在多核情况下可能会运行得更慢。一般来讲，不能简单地期望N 核处理器能够达到N 倍的性能。

(2)当核心数目增多时，虽然理论上可以通过并行处理得到性能提升，但是目前人们并没有完全清楚如何将各种类型的应用有效分布到各个并行处理单元上协同工作。另外，从体系结构角度来讲，多个核心如何能有效地互联通信，如何有效地共享缓存资源，以及如何能够在有限的片外管脚数目上达到多个核心总体需求的I/O 带宽等问题都还具有很大的挑战性。

九大关键技术的挑战

虽然多核能利用集成度提高带来了以上诸多好处，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，多核处理器面临着九大关键技术的挑战。

1、 核结构研究：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，采用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。

2、程序执行模型

处理器设计的首要问题是选择程序执行模型。程序执行模型的适用性决定多核处理器能否以最低的代价提供最高的性能。程序执行模型是编译器设计人员与系统实现人员之间的接口。编译器设计人员决定如何将一种高级语言程序按一种程序执行模型转换成一种目标机器语言程序；系统实现人员则决定该程序执行模型在具体目标机器上的有效实现。当目标机器是多核体系结构时，产生的问题是: 多核体系结构如何支持重要的程序执行模型？是否有其他的程序执行模型更适于多