CPU從單核到多核的過渡

　　正當(dāng)雙核、四核處理器風(fēng)頭正勁的時(shí)候，我們不竟會(huì)問，為什么要從單核過渡到雙核、四核，甚至是更多的核心?然而這樣在CPU內(nèi)集成多個(gè)核心，究竟能給我們帶來什么?

　　在多核不斷的發(fā)展下，英特爾也給出了一個(gè)答案-萬億級計(jì)算(結(jié)構(gòu))。它將實(shí)現(xiàn)80個(gè)內(nèi)核，256GB/s的移動(dòng)運(yùn)算，1萬億次的運(yùn)算功耗為98W。

　　在2010年或者更遠(yuǎn)，萬億次計(jì)算產(chǎn)品問世的時(shí)候，人們可以看到每個(gè)核是具有一定程度的超線程能力，比如說每個(gè)核能夠處理四條線程。因?yàn)槿绻屆總€(gè)核都具有多線程的能力，便能讓緩存帶寬應(yīng)用發(fā)揮得更加充分、未來人們會(huì)看在一個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，在一個(gè)處理器當(dāng)中會(huì)有不同類型的核，在萬億次級計(jì)算的處理器當(dāng)中，雖然所有的核在架構(gòu)上都具有兼容性，但這絕不意味著所有核都是相同的，英特爾一定會(huì)對不同核做專門任務(wù)的分配。比如有一些核是做了媒體和圖形功能增強(qiáng)的，有一些核是做網(wǎng)絡(luò)和通信功能增強(qiáng)的，還有一些核是負(fù)責(zé)安全。但是它們會(huì)共享同一套指令組和共同的架構(gòu)的基礎(chǔ)，這樣的一個(gè)設(shè)計(jì)對于編程工作來說，可以讓編程變得盡可能簡單和具有前后一致性。

　　那么，多核化趨勢正在改變IT計(jì)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(jì)算密度和更低的時(shí)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。下面就讓我們來看看為什么CPU內(nèi)會(huì)有更多的核心出現(xiàn)，以及越來越來多的核心數(shù)量究竟可以有對我們最終使用有多大的提升?(以下文章摘自博客@英特爾中國)

　　為什么微處理器要從單核轉(zhuǎn)向多核?

　　自從英特爾在2005年推出了第一代雙核處理器之后，我們經(jīng)常會(huì)被用戶問到這個(gè)問題，為什么微處理要從單核轉(zhuǎn)向多核?計(jì)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。

　　如何將處理器性能提高10倍——采用多核技術(shù)

　　為什么不能用單核的設(shè)計(jì)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。

　　作為計(jì)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(jì)算機(jī)的其他子系統(tǒng)不存在瓶頸的話，那么影響計(jì)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。

　　處理器性能 = 主頻 x IPC

　　從上面的公式可以看出，衡量處理器性能的主要指標(biāo)是每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù)(IPC: Instruction Per Clock)和處理器的主頻。其實(shí)頻率就是每秒鐘做周期性變化的次數(shù)，1秒鐘只有1次時(shí)鐘周期的改變叫1Hz(赫茲)。主頻為1GHz 就是1秒鐘有10億個(gè)時(shí)鐘周期。

　　因此，提高處理器性能就是兩個(gè)途徑：提高主頻和提高每個(gè)時(shí)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(shí)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，從下面的推導(dǎo)中可以看出，處理器的功耗和處理器內(nèi)部的電流、電壓的平方和主頻成正比，而主頻和電壓成正比。

　　因?yàn)椋骸疤幚砥鞴?正比于 電流x 電壓x 電壓x 主頻”，“主頻 正比于 電壓”

　　所以：“處理器功耗 正比于 主頻的三次方”

　　如果通過提高主頻來提高處理器的性能，就會(huì)使處理器的功耗以指數(shù)(三次方)而非線性(一次方)的速度急劇上升，很快就會(huì)觸及所謂的“頻率的墻”(frequency wall)。過快的能耗上升，使得業(yè)界的多數(shù)廠商尋找另外一個(gè)提高處理器性能的因子，提高IPC。

　　提高IPC可以通過提高指令執(zhí)行的并行度來實(shí)現(xiàn)，而提高并行度有兩種途徑：一是提高處理器微架構(gòu)的并行度;二是采用多核架構(gòu)。

　　在采用同樣的微架構(gòu)的情況下，為了達(dá)到處理器IPC的目的，我們可以采用多核的方法，同時(shí)有效地控制功耗的急劇上升。為什么?看看下面的推導(dǎo)。

　　因?yàn)椋骸疤幚砥鞴?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”

　　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?yàn)楣牡脑黾邮蔷€性的。而實(shí)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(shí)候，前者的主頻可以更低，因此功耗的下降也是指數(shù)方(三次方)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。

　　由此可見，將來處理器發(fā)展的趨勢是：為了達(dá)到更高的性能，在采用相同微架構(gòu)的情況下，可以增加處理器的內(nèi)核數(shù)量同時(shí)維持較低的主頻。這樣設(shè)計(jì)的效果是，更多的并行提高IPC，較低的主頻有效地控制了功耗的上升。

　　除了多核技術(shù)的運(yùn)用，采用更先進(jìn)的高能效微架構(gòu)可以進(jìn)一步提高IPC和降低功耗——即提高能效。基于英特爾?酷睿? 架構(gòu)的英特爾? 酷睿? 2 雙核處理器和至強(qiáng)處理器就是現(xiàn)實(shí)中的例子。相比英特爾前一代的NetBurst 微架構(gòu)(Intel? Pentium? 4 和Pentium? D)，酷睿微架構(gòu)采用的英特爾? 寬區(qū)動(dòng)態(tài)執(zhí)行引擎和英特爾? 高級數(shù)字媒體增強(qiáng)技術(shù)，就是提高IPC的創(chuàng)新技術(shù);英特爾? 智能功率特性則是降低微架構(gòu)功耗的技術(shù)。