多核处理器的主要实现架构及其设计挑战
多核处理器的发展前景和存在问题综述
多核处理器的发展前景和存在问题综述目录1.概述 (2)2.处理器的发展趋势 (2)从单核到多核 (3)同构多处理器与异构多处理器 (3)多核处理器发展面临的挑战 (4)多核与多线程技术 (4)3.多核处理器的高速缓存一致性问题 (4)增强一致性的基本方案 (5)目录式Proximity-aware 协议 (5)4.多核加速串行程序的主要方法 (8)并行编译器 (8)推测多线程 (9)基于线程的预执行机制 (9)5. 总结 (10)参考文献 (11)1. 概述在过去的几十年时间里,处理器的性能一直按照莫尔定律在发展。
提高处理器性能的基本方法就是不断提升主频。
从初期的几十MHz到不久前IBM的Power 6达到了，设计人员甚至想过提升到7G～8GHz。
不过，进入2002年以来，CPU 提升主频的困难越来越大，因为主频的提升带来了散热和功耗的大幅增加等问题。
在几年前，英特尔和AMD都调整了研究方向，开始研究在同一CPU中放置多个执行内核。
说到底，出现多核处理器的最根本原因是人们对计算能力永无止境的追求。
尽管这些年来，处理器从来没有停止过前进的脚步，但每一次性能的突破，换来的只是对更高性能的需求，特别是在油气勘探、气象预报、虚拟现实、人工智能等高度依赖于计算能力的场合，对性能的渴求更加迫切。
既然单处理器的发展已经到了瓶颈，而多核将会引领以后处理器发展的潮流，那么我们就看看多核处理器带给我们什么样的性能提升，多核处理器要全面应用到各个领域所需解决的问题。
多核的好处非常明显。
首先，由于是多个执行内核可以同时进行运算，因此可以显著提升计算能力，而每个内核的主频可以比以前低，因而总体功耗增加不大。
其次，与多CPU相比，多核处理器采用与单CPU相同的硬件架构，用户在提升计算能力的同时无需进行任何硬件上的改变，这对用户来说非常方便。
然而，多核处理器要发挥它的作用必须要解决许多问题，不像CPU的频率提升，无论如何你都可以从中受益，要从多核处理器中受益，首先在设计多核处理器时，要注意不同核心之间的通信与数据的一致性，另外，在软件层次上也需要对多核进行改进，以充分利用多核的性能。
多核处理器体系结构及并行程序设计
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Floating Point
Integer
Floating Point
Integer
L1 D-Cache and D-TLB
L1 D-Cache and D-TLB
Even 2 floating point threads can be executed at the same time now (per processor) as there are multiple floating point execution units
– 只共享系统总线，独立缓存 – 高性能，资源冲突少
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双核技术 VS. 超线程技术
• 双核是真正意义上的双处理器
– 不会发生资源冲突 – 每个线程拥有自己的缓存、寄存器和运算器
• 一个3.2GHz Smithfiled在性能上并非等同于3.2GHz P4 with HT 的2 倍
Integer
Rename/Alloc uop Queues Schedulers
BTB & I-TLB Decoder
Trace Cache
Floating Point
uCode ROM
2 threads CANNOT be executed at the same time (per processor) if
BTB & I-TLB Decoder
Trace Cache
Floating Point
uCode
ROM
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多核技术与超线程技术的结合
Dual Core
2 threads/socket
Dual Core with Hyper-Threading
多核环境下虚拟机VCPU调度研究问题与挑战
支持不对称多核
• 虚拟机系统的两级调度框架决定了要在虚拟机系统中实现 对不对称核的支持, 虚拟机监视器和客户操作系统都应该 进行相应的优化. 优化包括2个方面: 一是建立不对称感知 的机制, 二是对调度算法优化, 使其支持核的不对称性。 • Kazempour 等人提出了基于Xen的核不对称感知的VCPU 调度机制.这个机制主要提供了3点对客户操作系统的支持: . 3 : 1) 使所有VCPU能够公平地共享快物理核; 2) 支持客户操作系统的不对称感知; 3) 支持有权使用快核的优先级.
现有的解决机制及未来的研究方向
• 桥接语义缝隙 • 消除同步机制的性能影响 • 合理利用cache共享 • 支持不对称多核
桥语义缝隙
• Boosting机制 1)Xen的Credit 调度器增加了所谓的“boosting”机制。 “boosting”机制利用IO受限型负载的基本特性识别IO受 限型负载并给予运行IO受限型负载的VCPU以相对高的优 先级, 提高了响应性。 2)Credit 调度器为VCPU提供了3种优先级:boost, under 和 over, 其中, boost 优先级最高, 而over 优先级最低。 3)这个机制的前提是一个VCPU仅运行IO受限型任务, 因此, 对于混合负载的虚拟机, boosting机制就失效了。
共享cache问题
• 多核处理器的各个核之间, 通常共享最后一级cache。 • 任务或线程对cache的共享分为2类: 一类为干涉性共享; 另一类为有益性共享。 • 对于有数据共享的多个并行线程, 将它们调度在共享最后 一级cache的各个核上, 会有效地提高系统性能. 近年来, 已经有大量研究关于线程间如何有效、公平地共享cache 这一珍贵资源, 但在虚拟机系统中,由于VCPU调度器不能 直接建立线程与物理处理单元的映射关系, 它所采用的调 度策略可能是与客户操作系统的调度策略相背离的, 因此 会抵消客户操作系统所作的努力. • VCPU调度器如何实现任务间或者线程间对cache有益的 共享, 充分发挥多核处理器的潜力, 是一个大的挑战.
多核CPU面临的挑战与机遇
多核CPU面临的挑战与机遇——如何发挥多核CPU的性能09计算机科学与技术一班2009118231樊如霞多核CPU面临的挑战与机遇——如何发挥多核CPU的性能取代过去的单一中央处理器，计算机目前正在步入多核时代。
尽管这项技术对我们而言并不是新鲜事物，但这是这种类型的体系架构首次大规模运用于商用个人电脑和服务器市场。
这场变革将影响到每位计算机用户。
多核技术的触角已经深入到服务器，笔记本电脑甚至游戏机控制台领域。
从最终用户的角度来看，这种变革的影响是潜移默化的。
程序设计者们发现要实现多核设计的性能也是一项充满挑战的艰巨任务，特别是现在还没有一劳永逸的办法和自动化技术能适应多核系统上运行的现行软件。
多核CPU就是基板上集成有多个单核CPU，早期PD双核需要北桥来控制分配任务，核心之间存在抢二级缓存的情况，后期酷睿自己集成了任务分配系统，再搭配操作系统就能真正同时开工，2个核心同时处理2“份”任务，速度快了，万一1个核心死机，起码另一个U还可以继续处理关机、关闭软件等任务。
与单核处理器相比，多核处理器在体系结构、软件、功耗和安全性设计等方面面临着巨大的挑战，但也蕴含着巨大的潜能。
CMP和SMT一样，致力于发掘计算的粗粒度并行性。
CMP可以看做是随着大规模集成电路技术的发展，在芯片容量足够大时，就可以将大规模并行处理机结构中的SMP （对称多处理机）或DSM（分布共享处理机）节点集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的线程或进程。
在基于SMP结构的单芯片多处理机中，处理器之间通过片外Cache或者是片外的共享存储器来进行通信。
而基于DSM结构的单芯片多处理器中，处理器间通过连接分布式存储器的片内高速交叉开关网络进行通信。
由于SMP和DSM已经是非常成熟的技术了，CMP结构设计比较容易，只是后端设计和芯片制造工艺的要求较高而已。
正因为这样，CMP成为了最先被应用于商用CPU 的“未来”高性能处理器结构。
虽然多核能利用集成度提高带来的诸多好处，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。
高性能计算机体系结构面临挑战及新技术解决方案
高性能计算机体系结构面临挑战及新技术解决方案在当今信息时代，高性能计算机已经成为了各个领域中不可或缺的工具。
高性能计算机不仅能够提供强大的计算能力，还能够处理大规模的数据和复杂的计算任务。
然而，随着科学技术的不断发展，高性能计算机体系结构也面临着一系列的挑战。
本文将探讨高性能计算机体系结构面临的挑战，并介绍一些新技术解决方案。
首先，高性能计算机体系结构面临的一个挑战是处理器性能的瓶颈。
目前，传统的中央处理器（CPU）已经达到了性能的物理极限。
因此，需要借助新的技术来提升处理器的性能。
其中一个新的技术解决方案是多核处理器。
多核处理器是将多个处理核心集成到同一颗芯片上，能够更好地并行处理任务，提高计算效率。
此外，图形处理器（GPU）也成为提升计算机性能的有效工具。
GPU具有大量的计算单元和高速的内存带宽，适用于处理复杂的图形计算和并行计算任务。
因此，在高性能计算机体系结构中引入多核处理器和GPU是提升计算性能的重要手段。
其次，高性能计算机体系结构还面临着数据存储和传输的问题。
随着科学研究和商业应用中产生的数据量不断增加，高性能计算机需要处理和存储大规模的数据。
传统的存储技术往往无法满足这种需求，因此需要采用新的存储技术来解决这个问题。
一种新的技术解决方案是闪存存储器（Flash Memory）。
闪存存储器具有高速的读写速度和大容量的存储空间，适用于高性能计算机的存储需求。
此外，分布式存储系统也是解决大规模数据存储和传输问题的有效方式。
分布式存储系统将数据分散存储在多个节点上，能够实现高性能的数据访问和传输。
此外，高性能计算机体系结构还面临能耗和散热的挑战。
随着计算机性能的提升，计算机的能耗也不断增加，同时也产生大量的热量。
高能耗和散热会限制计算机性能的进一步提升。
因此，需要采用新的技术来降低能耗和散热。
一种新的技术解决方案是超级计算机系统的能耗管理。
超级计算机系统能够根据任务的需求，动态地调整计算节点的功耗和工作频率，以实现能效优化。
计算机基础知识理解计算机中的并行计算和多核处理器
计算机基础知识理解计算机中的并行计算和多核处理器在计算机科学领域中，计算机的性能提升一直是一个重要的研究方向。
而并行计算和多核处理器技术的引入为计算机性能的提升带来了重要的突破。
一、并行计算的概念和原理并行计算是指在同一时间内，多个任务可以同时进行，从而提高计算效率。
这是通过将一个问题拆分为多个子问题，并使用多个处理单元同时处理，最后再将各个子问题的结果进行合并得到最终解决方案。
并行计算的原理包括任务并行和数据并行。
任务并行是指将一个任务划分为多个子任务，然后由不同的处理单元分别处理，最后通过数据通信和同步机制进行结果的合并。
数据并行是指将同一个任务的数据划分为多个部分，然后由多个处理单元并行处理各自的数据，最后将结果进行合并。
二、多核处理器的介绍和原理多核处理器是指在一个芯片上集成了多个处理核心的处理器。
与传统的单核处理器相比，多核处理器能够并行地执行多个任务，从而提高系统的整体性能。
多核处理器的原理是将计算密集型的任务分配给不同的处理核心进行处理，而将串行和通信密集型的任务交给专门的处理核心进行处理。
多核处理器有两种形式：对称多处理器（SMP）和异构多处理器（AMP）。
在SMP架构中，每个处理核心都是相同的，并且共享同一片内存和总线。
而在AMP架构中，每个处理核心可以具有不同的性能和特点，它们可以独立地运行不同的任务。
三、并行计算和多核处理器的应用并行计算和多核处理器技术在各个领域都有着重要的应用。
在科学计算领域，它们被广泛应用于模拟和仿真、大规模数据处理和分析等任务。
在人工智能领域，它们被用于深度学习和机器学习算法的训练和推理。
在图像和视频处理领域，它们被应用于图像处理、视频编解码等任务。
并行计算和多核处理器技术还在云计算和大数据领域有着重要的应用。
通过将大规模的计算任务分配给多个处理核心并行处理，可以加快任务的执行速度，提高系统的负载均衡和资源利用率。
同时，多核处理器技术还能够提供更好的响应时间和性能预测能力，使得云计算和大数据系统能够更加高效地运行。
英特尔多内核处理器架构
代号为“Montecito”的双核英特尔安腾处理器是第一款应用在服务器平台上的双核处理器。该处理器采用 90纳米制程，计划于 2005年下半年推出。此外，下一代“Montecito”芯片上装配超过 17亿个晶体管和 24MB 的高级缓存。英特尔计划于 2006年第一季度推出两款具有英特尔64位扩展技术的双内核英特尔至强处理器，这 两款产品专门为双处理器和多处理器平台进行了优化。
英特尔认识到，超线程（HT）技术必定能够提高多核产品的并行处理能力。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ展蓝图
英特尔计划在 2005年开始生产应用于笔记本电脑、台式机和服务器平台中的双核产品。英特尔在重要的产 品线中部署多内核处理器。多内核处理器成为英特尔平台核心的关键一环。
第一款用于台式机平台的英特尔双内核处理器代号为“Smithfield”，应用 90纳米制程，计划于 2005年 投放市场。英特尔计划于 2006年推出基于 65纳米制程的双核台式机处理器。
多内核处理器性能是英特尔以平台为中心方案的核心。多内核处理器可以提升性能、降低功耗，能够有效地 同步处理多个任务。多内核处理器具备的这些特性，为用户带来了超凡的家庭和商务使用体验。
使用说明
多核处理器的优势与挑战
多核处理器的优势与挑战多核处理器是一种计算设备，它集成了多个核心处理单元在一个芯片上。
这种处理器在现代计算机系统中越来越常见。
本文将探讨多核处理器的优势和挑战。
优势：1. 并行处理能力：多核处理器能够同时执行多个任务，提高计算性能和效率。
它可以将大型计算任务分解为小任务，并同时处理它们，从而加快了计算速度。
2. 提高系统响应速度：多核处理器可以分配不同的任务给不同的核心，使得系统可以同时执行多个应用程序或任务。
这样可以提高系统的响应速度和用户体验。
3. 能耗管理：多核处理器能够根据负载情况自动调整功率和频率，以实现更好的能耗管理。
这有助于减少能耗和热量产生，提高设备的效能。
4. 扩展性：多核处理器具有较强的扩展性，可以根据需求增加核心数量。
这种灵活性使得多核处理器适用于各种计算需求，包括高性能计算和图形渲染等。
挑战：1. 并行编程难度：为了充分利用多核处理器的优势，需要进行并行编程。
然而，并行编程存在较高的复杂性和研究曲线。
开发人员需要掌握并行编程技术和工具，以充分利用多核处理器的性能。
2. 数据共享与同步：多核处理器中的不同核心共享内存资源，这可能导致数据共享和同步问题。
同时访问共享数据可能导致竞争条件和数据不一致，需要采取专门的同步机制来解决这些问题。
3. 散热和功耗管理：多核处理器产生的热量和功耗较高。
为了保持稳定运行，需要采取有效的散热和功耗管理措施，以防止过热和系统崩溃。
4. 软件兼容性：一些软件可能不适用于多核处理器架构，需要进行适配或更新。
软件开发者需要充分考虑多核处理器的特性，并进行相应的优化和调整。
总结：多核处理器在现代计算领域具有重要意义。
它的优势包括并行处理能力、系统响应速度提升、能耗管理和扩展性。
然而，要充分发挥多核处理器的优势，需要解决并行编程难度、数据共享与同步、散热和功耗管理以及软件兼容性等挑战。
未来，随着计算需求和技术发展，多核处理器将继续发挥其重要作用。
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多核处理器的主要实现架构及其设计挑战
2008年03月01日
为得到更高的处理性能，曾经唯一的做法是提高单一处理器的频率，但当这一做法因为功耗和发热的非线性增长而变得难以为继时，集成多个处理器核心的器件便应运而生。
谈到多核处理器，ARM的中国总裁谭军先生给出的定义是：“多核处理器是指在同一个核内具有多个处理器内核，它们可以通过内部的缓存来控制，有选择性的开/关。
”
总体上，多核处理器架构分为同质架构和异质架构两大类。
MIPS 科技公司产品营销总监P ete Del Vecchio认为：“当SoC 的功能被分解进彼此次之间通信非常有限的的多个子系统时，异质架构的多核系统最为适用。
”他还表示：“同质架构的多核系统设计使分配到不同处理器的任务共享的数据可以自动保持一致。
这种多核系统比较容易编程，可提供直接的机制，在不同处理器之间动态地迁移任务。
”
各种应用于通用领域和嵌入式领域的多核处理器都可以归入到上面提到的这两种架构。
TI 采用的是将DSP与CPU核心相结合的混合结构。
TI通用DSP业务发展经理郑小龙表示：“DSP速度极快适于实时处理，CPU控制能力全面适合非实时处理，TI的混合结构多核处理器将二者的优点充分结合，构成一个极其高效的SoC。
”MIPS的Pete Del Vecchio表示：“目前，MIPS主要致力于最大限度地提高单处理器的频率。
”但他同时表示：“已有获得授权的厂商在利用各种MIPS 内核，不论是在异构还是同构多核实现方法方面均取得了巨大的成功。
例如，Sigma Designs 开发的一款芯片采用两个MIPS内核，一个用来处理应用软件/OS，另一个用于系统安全。
”
Freescale的多核平台包含2到32个Power Architecture 的e500-mc Power内核，该平台在高端包含了一个基于互联的片上控制网络，它可以减少由于拥塞而带来的性能降低。
ARM在2007年推出了当最多具备四核时性能可达8,000DMIPS 的Cortex-A9处理器。
英特尔目前多核处理器采用的微架构是著名的酷睿微架构，酷睿微架构具备以下重要特性：
1. 英特尔宽区动态执行；
2. 英特尔智能内存访问；
3. 英特尔高级数字媒体增强；
4. 英特尔高级智能高速缓存；
5. 英特尔智能功率特性。
在实施多核处理器的过程中，在硬件和软件两方面业界都面临一系列挑战。
TI的郑小龙认为：“挑战首先表现在系统配置方面，其次表现在软件协调开发方面。
”ARM通过已经被业界证明成功的MPCore 技术看到了以下几大设计挑战：1. 预先整合的并且通过验证的可扩展多核处理技术；2. 整合的中断分配和处理器间的通信；3. 先进的Snoop控制单元，支持增强的缓存一致性。
应对这些挑战，谭军表示：“ARM在Cortex-A9 MPCore中在以下几个方面进一步加强了MPCore 技术：1. 加速器一致性端口(ACP)；2. 先进的总线接口单元；3. 具有中断虚拟的多核ARM TrustZone技术；4. 通用中断控制器(GIC)。
Freescale Jeffrey Ho先生则认为设计集成以下功能的45nm SoC是该公司实现多核应用时面临的主要挑战。
这些功能包括：1. 1.5GHz高性能内核；2. 使用联合了前端和后端缓存执行的高性能存储子系统；3. 实现硬件缓存一致的非模块化多路经通信的CoreNet片上控制网络；4. 一整套大于1GB的高速并行连接。
而英特尔资深架构经理赵军认为：“高-k 金属栅极晶体管的实现以及45纳米新工艺的量产是实现多核时所遇到的挑战。
”他还表示：“不过这两个难题英特尔早已经顺利解决，否则就不会有现在的量产能力。
”
以上提到的大多数都是硬件方面的挑战，实际上仅仅克服这些硬件挑战还远远不够。
ENEA 的高级技术市场经理张永军先生表示：“软件是和硬件一样重要的考虑事项，除非软件可以跟得上硬件前进的脚步，否则使用者不会得到任何好处。
”
比如在多核处理器上编写应用程序就远比在单核上要复杂，虽然商业可用的操作系统已经可以自动地将多个应用分配在不同的核上，但是开发人员在编写单独的应用时还是需要非常谨慎，以便于通过并行编程来充分利用多核技术。
NI中国市场经理朱君女士就此表示：“编写并行应用程序的第一个挑战就是如何确认程序中的哪些部分可以同时操作，在不同的处理器运行，然后在代码中对这些部分实现并行。
多核编程的第二个挑战在于线程的同步。
当数以百计的线程运行于一个特定的应用程序上时，用户必须要确保所有的线程都能够协同工作。
而调试对多核应用绝对是一个特别的挑战。
这因为用户不仅必须同时追踪多段代码的执行，而且还需要确定代码的哪个部分运行于哪一个核上。
”她还表示：“基于NI LabVIEW的图形化编程环境和本质上的并行编程构架，编程者可以大大降低多核编程的复杂性，并且随着处理器核数的增加，LabVIEW会自动分配线程，在无需大规模重写代码的情况下确保性能的提升。
”
对于软件挑战TI的郑小龙表示：“应用软件开发人员需要全面了解TI的多核处理器体系，认真研究嵌入式实时操作系统的选择。
如果是开发数字视频产品，首先需要熟悉就是编解码引擎框架(Codec Engine)和视频、影像、语音及音频(VISA)的API驱动软件，这也是TI达芬奇通用媒体处理(Davinci)平台软件的开发策略,其宗旨就是帮助开发人员加速产品开发和推向市场的进度。
对于多核处理器对操作系统的要求，ARM谭军就认为：“在选用ARM多核处理器时，必须同OS提供商(比如Linux)及其他相关开发商进行紧密的合作，而Symbiam系统目前支持A RM Cortex-A9多核处理器。
”MIPS的Pete Del Vecchio则表示：“虽然MIPS32 34K内核可以采用任何MIPS兼容的操作系统，但为了能够充分发挥内核的多线程能力，还是应该使用SMP Linux和ThreadX。
”来自通用处理器的领头羊英特尔的赵军表示：“多核处理器不需要特别操作系统的支持，通用操作系统只要支持多任务，多线程就可以支持多核处理器。
”。