多核CPU發(fā)展歷程及應(yīng)用

1、1演講：趙偉赫解答：劉祺制作：白宇 段志蔚多核CPU的發(fā)展歷程及應(yīng)用2YOUR LOGO前 言Page 2處理器的發(fā)展可謂日新月異，CPU對計算機(jī)性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，隨著信息時代的到來，各層次的電腦用戶對電腦的性能提出了更高的要求，單核處理器已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘９ぷ魃钏?。雙核和多核的出現(xiàn)和應(yīng)用是必然的，從市場需要上看，雙核和多核也是符合市場需要的，處理器生產(chǎn)廠商也同時大力推廣雙核和多核處理器，從目前發(fā)展形勢上看，雙核和多核處理器已經(jīng)顯露出自己無可比擬的優(yōu)勢，也得到了用戶的廣泛信任和選購。未來的科技發(fā)展也寄予了雙核和多核處理器更多的厚望。這些都預(yù)示著雙核以及多核處理器是未來市場主流

2、處理器的發(fā)展趨勢。3概述從單核到多核多核出現(xiàn)的必然性第一章 單核過渡多核Page 34YOUR LOGO概述Page 4多核化趨勢正在改變IT計算的面貌。跟傳統(tǒng)的單核CPU相比，多核CPU帶來了更強(qiáng)的并行處理能力、更高的計算密度和更低的時鐘頻率，并大大減少了散熱和功耗。目前，在幾大主要芯片廠商的產(chǎn)品線中，雙核、四核甚至八核CPU已經(jīng)占據(jù)了主要地位。5Page 5從單核到多核Page 5 計算機(jī)上不斷涌現(xiàn)的新興使用模式讓最終用戶對處理器的處理能力即性能提出了更高的要求，并且對性能每年提高的幅度還在不斷加速，而多核技術(shù)是目前行之有效的方法。6單核CPU系列簡單瀏覽78086微處理器Page 7 I

3、ntel 8086是一個由Intel于1978年所設(shè)計的16位微處理器芯片，是x86架構(gòu)的鼻祖。它是以8080和8085的設(shè)計為基礎(chǔ)，擁有類似的寄存器組，但是數(shù)據(jù)總線擴(kuò)充為16位。8086 CPU有20條地址線，可直接尋址1MB的存儲空間，每一個存儲單元可以存放一個字節(jié)（8位）二進(jìn)制信息。 88088微處理器Page 88088是一個Intel以8086為基礎(chǔ)的微處理器，擁有16位元暫存器和8位元外部資料總線。8088使用8位元的設(shè)計，所針對的是較為經(jīng)濟(jì)之系統(tǒng)。1979年，英特爾公司開發(fā)出了8088。8086和8088在芯片內(nèi)部均采用16位數(shù)據(jù)傳輸，所以都稱為16位微處理器，但8086每周期能

4、傳送或接收16位數(shù)據(jù)，而8088每周期只采用8位。因為最初的大部分設(shè)備和芯片是8位的，而8088的外部8位數(shù)據(jù)傳送、接收能與這些設(shè)備相兼容。9內(nèi)容頁樣式80286芯片外觀80286的核心Page 980286芯片集成了14.3萬只晶體管、16位字長，時鐘頻率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線皆為16位，地址總線24位。1080386系列CPUPage 101985年推出的CPU芯片，它是80 x86系列中的第一種32位微處理器，而且制造工藝也有了很大的進(jìn)步.80386的內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)總線都是32位，地址總線也是32位，可尋址高達(dá)4GB內(nèi)存。1180486系列CPUPag

5、e 11 80486是Intel公司1989年推出的32位微處理器，內(nèi)部包括總線接口部件、指令預(yù)取部件、指令譯碼部件、控制和保護(hù)測試單元部件、整數(shù)執(zhí)行部件、分段部件、分頁部件，以及浮點運(yùn)算部件和高速緩存（cache）管理部件。12Page 121993年推出的全新一代的高性能處理器Pentium13Page 131995 年秋季發(fā)布的英特爾高能奔騰處理器14Page 141997年英特爾推出奔騰II（Pentium II）處理器15Page 151998年：英特爾推出奔騰II至強(qiáng)（Xeon）處理器162000年：英特爾推出奔騰4（Pentium 4）處理器1999年：英特爾推出賽揚(yáng)（Celer

6、on）處理器Page 1617Page 172001年：英特爾推出安騰（Itanium）處理器2003年：英特爾推出奔騰M（Pentium M）/賽揚(yáng) M （Celeron M）處理器18多核出現(xiàn)的必然性Page 1819YOUR LOGOPage 19 在一個芯片上建造多個CPU內(nèi)核，而不是建造單個巨大的CPU。這樣就可以在較小的能耗下，讓多個CPU共同工作，提高整體性能。摩爾定律告訴我們芯片上的晶體管會以指數(shù)增長，我們就能在一個芯片上建造越來越多的功能強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，從而繼續(xù)提高電腦的性能。 多核技術(shù)能夠使服務(wù)器并行處理任務(wù)，此前，這可能需要使用多個處理器，多核系統(tǒng)更易于擴(kuò)充，并且能夠在

7、更纖巧的外形中融入更強(qiáng)大的處理性能，這種外形所用的功耗更低、計算功耗產(chǎn)生的熱量更少。多核技術(shù)是處理器發(fā)展的必然。概述20Page 20 發(fā)展Page 20 為什么不能用單核的設(shè)計達(dá)到用戶對處理器性能不斷提高的要求呢？ 答案是功耗問題限制了單核處理器不斷提高性能的發(fā)展途徑。21YOUR LOGOPage 21 作為計算機(jī)核心的處理器就是將輸入的數(shù)字化的數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行加工和處理，然后將結(jié)果輸出。假定計算機(jī)的其他子系統(tǒng)不存在瓶頸的話，那么影響計算機(jī)性能高低的核心部件就是處理器。反映在指令上就是處理器執(zhí)行指令的效率。 發(fā)展處理器性能 = 主頻 x IPCIPC: Instruction Per Cl

8、ock（每個時鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù)）22YOUR LOGOPage 22發(fā)展處理器性能= 主頻 x IPC 因此，提高處理器性能就是兩個途徑：提高主頻和提高每個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)(IPC)。處理器微架構(gòu)的變化可以改變IPC，效率更高的微架構(gòu)可以提高IPC從而提高處理器的性能。但是，對于同一代的架構(gòu)，改良架構(gòu)來提高IPC的幅度是非常有限的，所以在單核處理器時代通過提高處理器的主頻來提高性能就成了唯一的手段。 不幸的是，給處理器提高主頻不是沒有止境的。23Page 23因為：“處理器功耗 正比于 電流x 電壓 x 電壓 x 主頻”，“IPC 正比于 電流”所以：“處理器功耗 正比于 IPC

9、” 由單核處理器增加到雙核處理器，如果主頻不變的話，IPC理論上可以提高一倍，功耗理論上也就最多提高一倍，因為功耗的增加是線性的。而實際情況是，雙核處理器性能達(dá)到單核處理器同等性能的時候，前者的主頻可以更低，因此功耗的下降也是指數(shù)方下降的。反映到產(chǎn)品中就是雙核處理器的起跳主頻可以比單核處理器更低，性能更好。24Page 24 必然性Page 24 上世紀(jì)八九十年代以來，推動微處理器性能不斷提高的因素主要有兩個：半導(dǎo)體工藝技術(shù)的飛速進(jìn)步和體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。半導(dǎo)體工藝技術(shù)的每一次進(jìn)步都為微處理器體系結(jié)構(gòu)的研究提出了新的問題，開辟了新的領(lǐng)域；體系結(jié)構(gòu)的進(jìn)展又在半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了

10、微處理器的性能。這兩個因素是相互影響，相互促進(jìn)的。 多核的出現(xiàn)是技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求的必然產(chǎn)物。25晶體管時代即將到來符合Pollack規(guī)則必然性Page 25門延遲逐漸縮短，而全局連線延遲卻不斷加長26能耗不斷增長設(shè)計成本的考慮必然性Page 26體系結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然27多核多核CPUCPU的發(fā)展的發(fā)展28 多核CPU的發(fā)展Page 2829多核CPU的發(fā)展Page 29 多核處理器是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎(內(nèi)核)。多核技術(shù)的開發(fā)源于工程師們認(rèn)識到，僅僅提高單核芯片的速度會產(chǎn)生過多熱量且無法帶來相應(yīng)的性能改善，先前的處理器產(chǎn)品就是如此。他們認(rèn)識到，在先前產(chǎn)品中以那種速率，處

11、理器產(chǎn)生的熱量很快會超過太陽表面。即便是沒有熱量問題，其性價比也令人難以接受，速度稍快的處理器價格要高很多。 已有的多核處理器中仍存在幾種比較典型的結(jié)構(gòu)，它們分別代表了多核處理器結(jié)構(gòu)中的某一類特點，而Hydra、Cell 和RAW 處理器就是3 種典型的結(jié)構(gòu)。30 Hydra 處理器Page 30 Hydra 處理器是1996 年美國斯坦福大學(xué)研制得一個集成了4 個核心的處理器，這在當(dāng)時是一種新型的處理器結(jié)構(gòu)。Hydra 在一個芯片上集成了4 個核心，核心間通過總線結(jié)構(gòu)共享片上二級緩存、存儲器端口和I/O 訪問端口，整體結(jié)構(gòu)如圖 所示。31 Cell 處理器Page 31 2001 年3 月，

12、IBM 與Sony、Toshiba 合作，著手開發(fā)一種全新的微處理器結(jié)構(gòu)Cell 處理器，旨在以高效率、低功耗來處理下一代寬帶多媒體與圖形應(yīng)用。如圖2所示32 RAW 處理器Page 32美國麻省理工學(xué)院研究的可重構(gòu)RAW 處理器芯片采用了一種Tile 結(jié)構(gòu)的多核處理器發(fā)展思路。RAW 處理器結(jié)構(gòu)主要由16 個Tile 單元和片上網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如圖所示。33Page 33多核處理器的技術(shù)優(yōu)勢多核處理器的技術(shù)優(yōu)勢 從應(yīng)用需求上去看，越來越多的用戶在使用過程中都會涉及到多任務(wù)應(yīng)用環(huán)境，日常應(yīng)用中用到的非常典型的有兩種應(yīng)用模式。 一種應(yīng)用模式是一個程序采用了線程級并行編程，那么這個程序在運(yùn)行時可以把并行

13、的線程同時交付給兩個核心分別處理，因而程序運(yùn)行速度得到極大提高。還有一些更常見的日常應(yīng)用程序，例如Office、IE等，同樣也是采用線程級并行編程，可以在運(yùn)行時同時調(diào)用多個線程協(xié)同工作，所以在雙核處理器上的運(yùn)行速度也會得到較大提升。34Page 34多核處理器的技術(shù)種類多核處理器的技術(shù)種類單芯片多處理器(CMP)同時多線程處理器(SMT)這兩種體系結(jié)構(gòu)可以充分利用這些應(yīng)用的指令級并行性和線程級并行性，從而顯著提高了這些應(yīng)用的性能。35Page 35多核處理器的技術(shù)優(yōu)勢多核處理器的技術(shù)優(yōu)勢 日常應(yīng)用中的另一種模式是同時運(yùn)行多個程序。 目前雖然單一的單線程程序無法體現(xiàn)出多核處理器的優(yōu)勢，但是多核處

14、理器依然為程序設(shè)計者提供了一個很好的平臺，使得他們可以通過對原有的單線程序進(jìn)行并行設(shè)計優(yōu)化，以實現(xiàn)更好的程序運(yùn)行效果。36Page 36多核處理器的技術(shù)瓶頸多核處理器的技術(shù)瓶頸 要想讓多核完全發(fā)揮效力，需要硬件業(yè)和軟件業(yè)更多革命性的更新。其中，可編程性是多核處理器面臨的最大問題。一旦核心多過八個，就需要執(zhí)行程序能夠并行處理。盡管在并行計算上，人類已經(jīng)探索了超過40年，但編寫、調(diào)試、優(yōu)化并行處理程序的能力還非常弱。 一味增加并行的處理單元是行不通的。并行計算機(jī)的發(fā)展歷史表明，并行粒度超過100以后，程序就很難寫，能做到128個以上的應(yīng)用程序很少。CPU到了100個核以上后，現(xiàn)在并行計算機(jī)系統(tǒng)遇到

15、的問題，在CPU一樣會存在。37Page 37多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 1.核心結(jié)構(gòu)的選擇目前多核處理器的核心結(jié)構(gòu)主要有同構(gòu)和異構(gòu)兩種。同構(gòu)結(jié)構(gòu)采用對稱設(shè)計，原理簡單，硬件上較易實現(xiàn)。當(dāng)前主流的雙核和四核處理器基本上都采用同構(gòu)結(jié)構(gòu)。與同構(gòu)結(jié)構(gòu)相比，異構(gòu)的優(yōu)勢是通過組織不同特點的核心來優(yōu)化處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)處理器性能的最佳化，而且能有效地降低功耗。38Page 38多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵【同構(gòu)】 -x86處理器【異構(gòu)】-fusion處理器39Page 39GPGPUGPGPU與異構(gòu)計算與異構(gòu)計算從上世紀(jì)九十年代開始計算，GPU與CPU已在長達(dá)十余年的時間里一

16、直各司其職，保持井水不犯河水的狀態(tài)。但CPU單核性能的提高受到功耗，訪存速度，設(shè)計復(fù)雜度等多重瓶頸的制約，逐漸顯露頹勢。在這種狀態(tài)下，GPU開始不甘于寄人籬下，嘗試提高自身的可編程性，接管一部分適合自己進(jìn)行運(yùn)算的應(yīng)用。后文為大家介紹Intel反擊的最新產(chǎn)品K nights Landing.40Page 40多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 2.存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計 處理器與主存儲器之間的速度差距一直是處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮的問題，因為存儲系統(tǒng)自身的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能，會對整個芯片的尺寸、功耗、布局、性能以及運(yùn)行效率等各方面產(chǎn)生很大的影響。41Page 41多核處理器的技術(shù)關(guān)

17、鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 3.片上通信多核芯片上的多個核心雖然各自執(zhí)行自己的代碼，但是不同核心間可能需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和同步，因此片上通信結(jié)構(gòu)的性能將直接影響處理器的性能。42Page 42多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 4.低功耗設(shè)計剛才說過傳統(tǒng)單處理器的一個瓶頸就是隨著頻率的提升，功耗越來越高，最終使得芯片無法正常運(yùn)行。在早期的多核處理器設(shè)計中，主要通過降低核心頻率來降低處理器的功耗，但是這樣限制了核心的運(yùn)算性能，并沒有從根本上實現(xiàn)高性能、低功耗的目的。43Page 43多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 5.操作系統(tǒng)設(shè)計由于多核內(nèi)部有多個核心，那么就存在任務(wù)分配、調(diào)度

18、、仲裁以及平衡負(fù)載等問題，多核之間的任務(wù)調(diào)度是充分利用多處理器性能的關(guān)鍵。44Page 44多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 6.平衡設(shè)計原則平衡設(shè)計原則是指在芯片的復(fù)雜度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能、功耗、擴(kuò)展性、部件成本等各個方面做一定的權(quán)衡，即不能為了單純地獲得某一方面的性能而導(dǎo)致其它方面的問題，在設(shè)計過程中要堅持從整體結(jié)構(gòu)的角度去權(quán)衡各個具體的結(jié)構(gòu)問題。45Page 45多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵多核處理器的技術(shù)關(guān)鍵n 7.軟件應(yīng)用開發(fā)多核處理器在利用多個核心的并行執(zhí)行能力來提高處理器運(yùn)算性能的同時，也給軟件開發(fā)者帶來了麻煩。當(dāng)前的困境是眾多應(yīng)用并沒有利用多核的性能潛力，多核的性能優(yōu)勢沒有體現(xiàn)。46多核CPU的發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢異構(gòu)多核多核上將集成更多結(jié)構(gòu)簡單、低功耗的核心多核上應(yīng)用可重構(gòu)技術(shù)Page 4647最新技術(shù) Haswell會支持積和熔加運(yùn)