多核CPU的發展趨勢

多核CPU的發展趨勢CPU從誕生之日起，主頻就在不斷的提高，如今主頻之路已經走到了拐點。桌面處理器的主頻在2000年達到了1GHz，2001年達到2GHz，2002年達到了3GHz。但在將近5年之後我們仍然沒有看到4GHz處理器的出現。電壓和發熱量成爲最主要的障礙，導致在桌面處理器特別是筆記本電腦方面，Intel和AMD無法再通過簡單提升時鐘頻率就可設計出下一代的新CPU。面對主頻之路走到盡頭，Intel和AMD開始尋找其它方式用以在提升能力的同時保持住或者提升處理器的能效，而最具實際意義的方式是增加CPU內處理核心的數量。多內核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)。多核技術的開發源於工程師們認識到，僅僅提高單核芯片的速度會產生過多熱量且無法帶來相應的性能改善，先前的處理器產品就是如此。他們認識到，在先前產品中以那種速率，處理器產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。英特爾工程師們開發了多核芯片，使之滿足“橫向擴展”（而非“縱向擴充”）方法，從而提高性能。該架構實現了“分治法”戰略。通過劃分任務，線程應用能夠充分利用多個執行內核，並可在特定的時間內執行更多任務。多核處理器是單枚芯片（也稱爲“硅核”），能夠直接插入單一的處理器插槽中，但操作系統會利用所有相關的資源，將它的每個執行內核作爲分立的邏輯處理器。通過在兩個執行內核之間劃分任務，多核處理器可在特定的時鐘週期內執行更多任務。多核架構能夠使目前的軟件更出色地運行，並創建一個促進未來的軟件編寫更趨完善的架構。儘管認真的軟件廠商還在探索全新的軟件併發處理模式，但是，隨着向多核處理器的移植，現有軟件無需被修改就可支持多核平臺。操作系統專爲充分利用多個處理器而設計，且無需修改就可運行。爲了充分利用多核技術，應用開發人員需要在程序設計中融入更多思路，但設計流程與目前對稱多處理 (SMP) 系統的設計流程相同，並且現有的單線程應用也將繼續運行。現在，得益於線程技術的應用在多核處理器上運行時將顯示出卓越的性能可擴充性。此類軟件包括多媒體應用（內容創建、編輯，以及本地和數據流回放）、工程和其他技術計算應用以及諸如應用服務器和數據庫等中間層與後層服務器應用。多核技術能夠使服務器並行處理任務，而在以前，這可能需要使用多個處理器，多核系統更易於擴充，並且能夠在更纖巧的外形中融入更強大的處理性能，這種外形所用的功耗更低、計算功耗產生的熱量更少。多核技術是處理器發展的必然。近20年來，推動微處理器性能不斷提高的因素主要有兩個：半導體工藝技術的飛速進步和體系結構的不斷髮展。半導體工藝技術的每一次進步都爲微處理器體系結構的研究提出了新的問題，開闢了新的領域；體系結構的進展又在半導體工藝技術發展的基礎上進一步提高了微處理器的性能。這兩個因素是相互影響，相互促進的。一般說來， 工藝和電路技術的發展使得處理器性能提高約20倍，體系結構的發展使得處理器性能提高約4倍，編譯技術的發展使得處理器性能提高約1.4倍。但是今天，這種規律性的東西卻很難維持。多核的出現是技術發展和應用需求的必然產物。單芯片多處理器(CMP)與同時多線程處理器(Simultaneous Multithreading，SMT)，這兩種體系結構可以充分利用這些應用的指令級並行性和線程級並行性，從而顯著提高了這些應用的性能。 從體系結構的角度看，SMT比CMP對處理器資源利用率要高，在克服線延遲影響方面更具優勢。CMP相對SMT的最大優勢還在於其模塊化設計的簡潔性。複製簡單設計非常容易，指令調度也更加簡單。同時SMT中多個線程對共享資源的爭用也會影響其性能，而CMP對共享資源的爭用要少得多，因此當應用的線程級並行性較高時，CMP性能一般要優於SMT。此外在設計上，更短的芯片連線使CMP比長導線集中式設計的SMT更容易提高芯片的運行頻率，從而在一定程度上起到性能優化的效果。總之，單芯片多處理器通過在一個芯片上集成多個微處理器核心來提高程序的並行性。每個微處理器核心實質上都是一個相對簡單的單線程微處理器或者比較簡單的多線程微處理器，這樣多個微處理器核心就可以並行地執行程序代碼，因而具有了較高的線程級並行性。由於CMP採用了相對簡單的微處理器作爲處理器核心，使得CMP具有高主頻、設計和驗證週期短、控制邏輯簡單、擴展性好、易於實現、功耗低、通信延遲低等優點。此外，CMP還能充分利用不同應用的指令級並行和線程級並行，具有較高線程級並行性的應用如商業應用等可以很好地利用這種結構來提高性能。目前單芯片多處理器已經成爲處理器體系結構發展的一個重要趨勢。