多核CPU发展历程及应用

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从单核到多核
计算机上不断涌现的新兴使 用模式让最终用户对处理器的 处理能力——即性能——提出 了更高的要求，并且对性能每 年提高的幅度还在不断加速， 而多核技术是目前行之有效的 方法。
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简单浏览
单核CPU系列
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8086微处理器
Intel 8086是一个由Intel于1978 年所设计的16位微处理器芯片，是 x86架构的鼻祖。它是以8080和 8085的设计为基础，拥有类似的寄存 器组，但是数据总线扩充为16位。 8086 CPU有20条地址线，可直接寻 址1MB的存储空间，每一个存储单元 可以存放一个字节（8位）二进制信息。
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多核处理器的技术优势
从应用需求上去看，越来越多的用户在使用过程中都会涉及到多任 务应用环境，日常应用中用到的非常典型的有两种应用模式。 一种应用模式是一个程序采用了线程级并行编程，那么这个程序在 运行时可以把并行的线程同时交付给两个核心分别处理，因而程序运 行速度得到极大提高。还有一些更常见的日常应用程序，例如Office、 IE等，同样也是采用线程级并行编程，可以在运行时同时调用多个线 程协同工作，所以在双核处理器上的运行速度也会得到较大提升。
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多核处理器的技术关键
【同构】 --x86处理器
【异构】
--fusion处理器
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GPGPU与异构计算
从上世纪九十年代开始计算，GPU与CPU已在长达十余年的时间里一直 各司其职，保持井水不犯河水的状态。 但CPU单核性能的提高受到功耗，访存速度，设计复杂度等多重瓶颈的 制约，逐渐显露颓势。在这种状态下，GPU开始不甘于寄人篱下，尝试 提高自身的可编程性，接管一部分适合自己进行运算的应用。 后文为大家介绍Intel反击的最新产品K nights Landing.
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发展
为什么不能用单核的 设计达到用户对处理器性 能不断提高的要求呢？
答案是功耗问题限制了单核处理器 不断提高性能的发展途径。
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发展
作为计算机核心的处理器就是将输入的数字化的数据和 信息，进行加工和处理，然后将结果输出。假定计算机的其 他子系统不存在瓶颈的话，那么影响计算机性能高低的核心 部件就是处理器。反映在指令上就是处理器执行指令的效率。
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80486系列CPU
80486是Intel公司 1989年推出的32位微处 理器，内部包括总线接口 部件、指令预取部件、指 令译码部件、控制和保护 测试单元部件、整数执行 部件、分段部件、分页部 件，以及浮点运算部件和 高速缓存（cache）管理 部件。
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1993年推出的全新一代的高 性能处理器Pentium
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80286芯片外观
80286的核心
80286芯片集成了14.3万只晶体管、16位字长，时钟频率由最初的 6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位，地址总线 24位。
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80386系列CPU
1985年推出的CPU芯片，它是 80x86系列中的第一种32位微 处理器，而且制造工艺也有了 很大的进步.80386的内部和外 部数据总线都是32位，地址总 线也是32位，可寻址高达4GB 内存。
多核芯片上的多个核心虽然各自执行自己的代码，但是不同 核心间可能需要进行数据的共享和同步，因此片上通信结构 的性能将直接影响处理器的性能。
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多核处理器的技术关键 4.低功耗设计
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因为：“处理器功耗 正比于 电流x 电压 x 电压 x 主频”，“IPC 正比 于 电流” 所以：“处理器功耗 正比于 IPC” 由单核处理器增加到双核处理器， 如果主频不变的话，IPC理论上可以 提高一倍，功耗理论上也就最多提高 一倍，因为功耗的增加是线性的。而 实际情况是，双核处理器性能达到单 核处理器同等性能的时候，前者的主 频可以更低，因此功耗的下降也是指 数方下降的。反映到产品中就是双核 处理器的起跳主频可以比单核处理器 更低，性能更好。
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多核处理器的技术种类
单芯片多处理器(CMP)
同时多线程处理器(SMT)
这两种体系结构可以充分利用这些应用的指令级并行性和线 程级并行性，从而显著提高了这些应用的性能。
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多核处理器的技术优势
日常应用中的另一种模式是同时运行多个程序。
目前虽然单一的单线程程序无法体现出多核处理器的优 势，但是多核处理器依然为程序设计者提供了一个很好的 平台，使得他们可以通过对原有的单线程序进行并行设计 优化，以实现更好的程序运行效果。
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多核处理器的技术关键 1.核心结构的选择
目前多核处理器的核心结构ห้องสมุดไป่ตู้要有同构和异构两种。
同构结构采用对称设计，原理简单，硬件上较易实现。当前 主流的双核和四核处理器基本上都采用同构结构。 与同构结构相比，异构的优势是通过组织不同特点的核心来 优化处理器内部结构，实现处理器性能的最佳化，而且能有 效地降低功耗。
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8088微处理器
8088是一个Intel以8086 为基础的微处理器，拥有16 位元暂存器和8位元外部资 料总线。8088使用8位元的 设计，所针对的是较为经济 之系统。
1979年，英特尔公司开发出了8088。8086和8088在芯片内部均采用16 位数据传输，所以都称为16位微处理器，但8086每周期能传送或接收16 位数据，而8088每周期只采用8位。因为最初的大部分设备和芯片是8位的， 而8088的外部8位数据传送、接收能与这些设备相兼容。
Cell 处理器
2001 年3 月，IBM 与 Sony、Toshiba 合作， 着手开发一种全新的微处 理器结构——Cell 处理器， 旨在以高效率、低功耗来 处理下一代宽带多媒体与 图形应用。如图2所示
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RAW 处理器
美国麻省理工学院研究的 可重构RAW 处理器芯片 采用了一种Tile 结构的多 核处理器发展思路。RAW 处理器结构主要由16 个 Tile 单元和片上网络构成， 如图所示。
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必然性
上世纪八九十年代以来，推动微处理器 性能不断提高的因素主要有两个：半导体 工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发 展。半导体工艺技术的每一次进步都为微 处理器体系结构的研究提出了新的问题， 开辟了新的领域；体系结构的进展又在半 导体工艺技术发展的基础上进一步提高了 微处理器的性能。这两个因素是相互影响， 相互促进的。 多核的出现是技术发展和应用需求的 必然产物。
演讲：赵伟赫 解答：刘祺 制作：白宇 段志蔚
——多核CPU的发展历程及应用
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前言
处理器的发展可谓日新月异，CPU对计算机性能的发挥起着至关重要的 作用，随着信息时代的到来，各层次的电脑用户对电脑的性能提出了更高的要求， 单核处理器已经不能满足人们日常工作生活所需。 双核和多核的出现和应用是必然的，从市场需要上看，双核和多核也是 符合市场需要的，处理器生产厂商也同时大力推广双核和多核处理器，从目前发 展形势上看，双核和多核处理器已经显露出自己无可比拟的优势，也得到了用户 的广泛信任和选购。未来的科技发展也寄予了双核和多核处理器更多的厚望。这 些都预示着双核以及多核处理器是未来市场主流处理器的发展趋势。
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多核处理器的技术瓶颈
要想让多核完全发挥效力，需要硬件业和软件业更多革命性 的更新。其中，可编程性是多核处理器面临的最大问题。一旦 核心多过八个，就需要执行程序能够并行处理。尽管在并行计 算上，人类已经探索了超过40年，但编写、调试、优化并行处 理程序的能力还非常弱。 一味增加并行的处理单元是行不通的。并行计算机的发展历 史表明，并行粒度超过100以后，程序就很难写，能做到128 个以上的应用程序很少。CPU到了100个核以上后，现在并行 计算机系统遇到的问题，在CPU一样会存在。
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第一章 单核过渡多核
概述
从单核到多核
多核出现的必然性
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概述
多核化趋势正在改变IT计算的面貌。跟传统的 单核CPU相比，多核CPU带来了更强的并行处理能 力、更高的计算密度和更低的时钟频率，并大大减 少了散热和功耗。目前，在几大主要芯片厂商的产 品线中，双核、四核甚至八核CPU已经占据了主要 地位。
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多核处理器的技术关键 2.存储结构设计
处理器与主存储器之间的速度差距一直是处理器结构设计 中必须考虑的问题，因为存储系统自身的体系结构设计直接 关系到系统整体性能，会对整个芯片的尺寸、功耗、布局、 性能以及运行效率等各方面产生很大的影响。
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多核处理器的技术关键 3.片上通信
处理器性能 = 主频 x IPC
IPC: Instruction Per Clock（每个时钟周期内可以执 行的指令数）
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发展
因此，提高处理器性能就是两个途径：提高 主频和提高每个时钟周期内执行的指令数(IPC)。 处理器微架构的变化可以改变IPC，效率更高的 微架构可以提高IPC从而提高处理器的性能。但 是，对于同一代的架构，改良架构来提高IPC的 幅度是非常有限的，所以在单核处理器时代通过 处理器性能 = 主频 x IPC 提高处理器的主频来提高性能就成了唯一的手段。 不幸的是，给处理器提高主频不是没有止境 的。
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1995 年秋季发布的英 特尔高能奔腾处理器
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1997年英特尔推出奔 腾II（Pentium II） 处理器
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1998年：英特尔推出 奔腾II至强（Xeon） 处理器
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1999年：英特尔推出赛扬 （Celeron）处理器
2000年：英特尔推出奔腾4 （Pentium 4）处理器
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Hydra 处理器
Hydra 处理器是1996 年美国斯坦福大学研制得 一个集成了4 个核心的处 理器，这在当时是一种新 型的处理器结构。Hydra 在一个芯片上集成了4 个 核心，核心间通过总线结 构共享片上二级缓存、存 储器端口和I/O 访问端口， 整体结构如图 所示。
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必然性
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晶体管时代即将到来
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门延迟逐渐缩短，而全局连线延迟却不断加长
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符合Pollack规则
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必然性
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能耗不断增长
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设计成本的考虑
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体系结构发展的必然
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——多核CPU的发展
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多核CPU的发展
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多核CPU的发展
多核处理器是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎 (内核)。多核技术的开发源于工程师们认识到，仅仅提高单核芯片的 速度会产生过多热量且无法带来相应的性能改善，先前的处理器产品 就是如此。他们认识到，在先前产品中以那种速率，处理器产生的热 量很快会超过太阳表面。即便是没有热量问题，其性价比也令人难以 接受，速度稍快的处理器价格要高很多。 已有的多核处理器中仍存在几种比较典型的结构，它们分别代表了 多核处理器结构中的某一类特点，而Hydra、Cell 和RAW 处理器就 是3 种典型的结构。
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2001年：英特尔推出安腾 （Itanium）处理器
2003年：英特尔推出奔腾M （Pentium M）/赛扬 M （Celeron M）处理器
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多核出现的必然性
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概述
在一个芯片上建造多个CPU内核，而不是建造单个巨大 的CPU。这样就可以在较小的能耗下，让多个CPU共同工作， 提高整体性能。摩尔定律告诉我们芯片上的晶体管会以指数 增长，我们就能在一个芯片上建造越来越多的功能强大的 CPU内核，从而继续提高电脑的性能。 多核技术能够使服务器并行处理任务，此前，这可能需 要使用多个处理器，多核系统更易于扩充，并且能够在更纤 巧的外形中融入更强大的处理性能，这种外形所用的功耗更 低、计算功耗产生的热量更少。多核技术是处理器发展的必 然。