服務器處理器基礎知識

1、 干貨分享: 服務器處理器基礎知識 CPU(中央處理器)是一臺計算機的運算核心和控制核心。CPU主要功能是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。CPU由運算器、控制器和寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數據、控制及狀態(tài)的總線構成。CPU的運作原理可分為四個階段:提取(Fetch)、解碼(Decode)、執(zhí)行(Execute)和寫回(Writeback)。 CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，并執(zhí)行指令。CPU的主要性能參數包括：主頻，倍頻，外頻。CPU的主頻也叫時鐘頻率，CPU 主頻為 CPU 的額定工作頻率，當內核數目和緩存大小一樣時，主頻越高的CPU性能越好

2、。通常，主頻越高CPU處理數據的速度就越快，CPU的主頻=外頻倍頻系數。為什么會有外頻和倍頻的區(qū)分呢？這個是和CPU的發(fā)展有關的。簡單說來，就是CPU發(fā)展太快，而其他硬件無法達到同樣頻率來交互，于是CPU進行妥協(xié)，將外頻作為和主板其他部件之間通訊的頻率，而工作頻率靠倍頻來調節(jié)提升。CPU的主頻，即CPU內核工作的時鐘頻率（CPU Clock Speed）。通常所說的某某CPU是多少MHz的，而這個多少兆赫就是“CPU的主頻”。外頻是CPU的基準頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運行速度。倍頻系數是指CPU主頻與外頻之間的相對比例關系。一般情況下，同代（同針腳）的CPU，其外頻往往

3、是一樣的，只是倍頻系數的變化導致主頻不同。Intel TurboBoost 技術中文叫做 Intel 睿頻加速技術，此技術運行 Intel CPU 工作在標稱頻率之上，性能分配上實現(xiàn)按需分配。2017年7月份，英特爾(Intel)正式發(fā)布了代號為Purley的新一代服務器平臺，包括代號為Skylake的新一代至強(Xeon)CPU，命名為英特爾至強可擴展處理器(Intel Xeon Scalable Processor，SP)，也宣告了延續(xù)4代的至強E5/E7系列命名方式的終結。至強可擴展處理器不再以E7、E5的方式來劃分定位，而代之以鉑金(Platinum)、金(Gold)、銀(Silver

4、)、銅(Bronze)的方式。Skylake是新命名方式的一代，Cascade Lake是二代，兩代共用Purley平臺。第一位數字：8(鉑金)、6/5(金)、4(銀)、3(銅)第二位數字：(新命名體系下的)代次第三四位數字：具體 SKU(庫存單位)編號Intel處理器工藝和架構更新成為Tick-Tock。Tick年(工藝年)更新制作工藝，Tock年(架構年)更新微架構。2006年，Intel 正式發(fā)布了酷睿2/Core 2 處理器，同時宣布了每年更新 CPU 的“Tick-Tock”計劃，“Tick”代表 CPU 制作工藝上的改進，而“Tock”則代表 CPU 架構上的更新。Tick-Toc

5、k就是時鐘的“嘀嗒”的意思，一個嘀嗒代表著一秒，而在 Intel 的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個”Tick-Tock”代表著 2 年一次的工藝制程進步。這樣在制程工藝和核心架構的兩條提升道路上，總是交替進行，一方面避免了同時革新可能帶來的失敗風險，同時持續(xù)的發(fā)展也可以降低研發(fā)的周期，并可以對市場造成持續(xù)的刺激，并最終提升產品的競爭力。多核處理器把多個CPU(核心)集成到單個集成電路芯片(Integrated Circuit Chip)中。一個雙核的CPU有2個中央處理單元，操作系統(tǒng)可以看到真正的2個核心，所以2個不同的進程可以分別在不同的核心中同時執(zhí)行，這大大加快了系統(tǒng)的速度。由于2個核心都在一個

6、芯片上，因此它們之間的通信也要更快，系統(tǒng)也會有更小延遲。超線程(Hyper Threading)其實就是同時多線程技術，是一項允許一個CPU執(zhí)行多個控制流的技術。它的原理就是把一顆CPU當成兩顆來用，將一顆具有超線程功能的物理CPU變成兩顆邏輯CPU，而邏輯CPU對操作系統(tǒng)來說，跟物理CPU并沒有什么區(qū)別。因此，操作系統(tǒng)會把工作線程分派給這兩顆（邏輯）CPU上去執(zhí)行，讓（多個或單個）應用程序的多個線程，能夠同時在同一顆CPU上被執(zhí)行。注意：兩顆邏輯CPU共享單顆物理CPU的所有執(zhí)行資源。實際上，超線程技術就是對CPU的虛擬化。多核處理器把多個CPU（核心）集成到單個集成電路芯片中。多核CPU（

7、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(內核)。超線程(hyper-threading)其實就是一項允許一個CPU執(zhí)行多個控制流的技術。關于異構，從計算單元角度來看，x86處理器之外的計算單元，都可認為是異構單元，例如GPU、FPGA加速卡等。從軟件系統(tǒng)集群角度來看，基于不同處理器的服務器可以認為是異構；例如基于E5-2650v4的大數據集群使用基于Gold 5115或者鯤鵬916的服務器來擴容，就屬于擴容異構節(jié)點。關于眾核，它是相對于單核而言，即最早的芯片只有一個核，到后來的雙核(Dual Core)和四核(Quad Core)。超過這個數量的，不多于10個核的，一般稱為多核

8、(Multi Core)。當前的CPU核數達到3264，業(yè)界稱為眾核(Manycore)。多核和眾核之間并沒有嚴格的限制。隨著云計算，大數據和人工智能技術發(fā)展，邊緣計算發(fā)揮著越來越重要的作用，讓越來越多的數據在邊沿計算，補充數據中心算力需求。邊沿計算對計算架構要求多樣化，需要不同的處理器架構來滿足不斷增長的算力需求，同時需要GPU，NPU和FPGA等技術加速特定領域的算法和專用計算。以此，不同CPU架構，不同加速技術應用而生。目前兩大CPU處理器指令體系CISC和RISC架構都在互相取長補短，走向融合。CISC借用RISC的理念優(yōu)化指令系統(tǒng)效率，RISC引入增強指令提高復雜任務處理效率。所以，

9、不必過分關心CISC和RISC的區(qū)別，兩種架構都是非常先進，并且會長期發(fā)展演進的。CISC復雜指令集特點在于指令多，一條指令執(zhí)行多個功能。優(yōu)點體現(xiàn)在特定功能執(zhí)行效率高，例如多媒體處理；缺點是系統(tǒng)設計復雜，執(zhí)行效率低；典型架構包括x86。RISC精簡指令集特點是指令少，復雜任務由多個精簡指令組合完成。優(yōu)點是常用工作執(zhí)行效率高，功耗低；缺點是部分復雜任務處理效率偏低，例如多媒體處理；典型架構是ARM、Power、MIPS、Alpha和SPARC等。RISC架構相比x86架構來說，物理核心更多，適用于當前數據中心主流的分布式計算場景；例如大數據、分布式存儲、HPC等；能耗更低，節(jié)能環(huán)保，相比同樣性能

10、的x86處理器，功耗低20%左右。然而，RISC架構相比x86架構也存在明顯不足，如單核性能稍弱于x86；相比于Intel AVX512，向量指令運算能力偏弱，在HPC部分場景性能低于x86；對通用場景無任何影響；ARM架構RISC-V和MIPS架構都是比較主流和流行的RISC架構，但兩者存在比較大的差異。ARM具有更好的軟件生態(tài)：ARM處理器在移動終端、IoT等領域廣泛使用，也建立了良好的軟件生態(tài)；移動端和數據中心的基礎軟件庫是通用的；ARM性能更高：ARM是主流的，活躍的架構，有多家主流參與者，迅速發(fā)展，目前性能已經可以媲美主流x86處理器。MIPS公司經營不善，MIPS架構已經基本沒有發(fā)

11、展。Wave Computing公司宣布開源MIPS，龍芯是中國科學院計算所自主研發(fā)的通用CPU，基于MIPS指令集研發(fā)幾代CPU，因此，MIPS技術還是相對比較成熟。MIPS指令集架構(ISA)和MIPS的最新核心R6在2019年第一季度公開發(fā)布。隨著技術貿易戰(zhàn)愈演愈烈，自主研發(fā)已經成為當代熱詞，中國研發(fā)CPU芯片的公司也猶如雨后春筍，目前主要的CPU研發(fā)公司包括： 華為(ARM)，飛騰(ARM)，海光(x86)，龍芯(MIPS)，兆芯(x86)，申威(Alpha)等。這些公司中，有多家為服務器廠商提供芯片。目前采用上述芯片提供服務器的廠商包括：技嘉(Cavium)，HPE(Cavium)，

12、聯(lián)想(Ampere、飛騰)，Ampere(Ampere)，浪潮(飛騰)，長城(飛騰)，同方(飛騰)，寶德(飛騰)，云海麒麟(飛騰)。芯片的整體性能與制造工藝和內核的深度設計都有關系。工藝越先進，芯片集成度越高，芯片運行頻率越快，功耗相對越低，整體競爭力越強。目前主要的CPU芯片代工生產商是臺積電(TSMC)，它是全球最大的晶圓代工龍頭企業(yè)，擁有世界最高7nm生產工藝的臺灣公司，制造工藝全球領先。此外，可代工生產CPU的中國企業(yè)包括中芯國際、華虹半導體和華力微電子等公司，中芯國際預計19年可實現(xiàn)14nm工藝，國產廠商也發(fā)展迅速。 元旦特惠福利 全店鋪技術資料打包(全)電子書，總價值240元，元旦

13、特惠活動期間168元。全店鋪技術資料打包(全)目錄如下(32本):RDMA原理分析、對比和技術實現(xiàn)解析數據備份和副本管理技術全面解析容器技術架構、網絡和生態(tài)詳解閃存技術、產品和發(fā)展趨勢全面解析虛擬化技術最詳細解析傳統(tǒng)企業(yè)存儲知識完全解析IO知識和系統(tǒng)性能深度調優(yōu)全解業(yè)界主流數據中心存儲雙活完全解析Ceph技術架構、生態(tài)和特性詳細對比分析數據中心大二層交換技術詳解VMware云數據中心(私有云)解決方案詳解大數據時代數據重刪技術詳解高性能計算HPC技術、方案和行業(yè)全面解析Kubernetes技術和實戰(zhàn)總結詳解DPDK和SPDK技術知識點InfiniBand架構和技術實戰(zhàn)總結云計算PaaS主流軟件、產品和廠商分析Cloud Fo