解析CPU從單核過渡雙核多核絕不是偶然

互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時間：2009-04-21 01:31:38 作者：佚名

正當(dāng)雙核、四核處理器風(fēng)頭正勁的時候，我們不禁會問，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)集成多個核心，究竟能給我們帶來什么？這些問題成為了我們今天所要討論的話題。在多核不斷的發(fā)展下，

正當(dāng)雙核、四核處理器風(fēng)頭正勁的時候，我們不禁會問，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)集成多個核心，究竟能給我們帶來什么？這些問題成為了我們今天所要討論的話題。
在多核不斷的發(fā)展下，英特爾也給出了一個答案-萬億級計算（結(jié)構(gòu)）。它將實(shí)現(xiàn)80個內(nèi)核，256GB/s的移動運(yùn)算，1萬億次的運(yùn)算功耗為98W。
在2010年或者更遠(yuǎn)，萬億次計算產(chǎn)品問世的時候，人們可以看到每個核是具有一定程度的超線程能力，比如說每個核能夠處理四條線程。因?yàn)槿绻屆總€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、未來人們會看在一個系統(tǒng)當(dāng)中，在一個處理器當(dāng)中會有不同類型的核，在萬億次級計算的處理器當(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。但是它們會共享同一套指令組和共同的架構(gòu)的基礎(chǔ)，這樣的一個設(shè)計對于編程工作來說，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、更高的計算密度和更低的時鐘頻率，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)常會被用戶問到這個問題，為什么微處理要從單核轉(zhuǎn)向多核？計算機(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。

解析CPU從單核過渡雙核多核絕不是偶然(2)
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。假定計算機(jī)的其他子系統(tǒng)不存在瓶頸的話，那么影響計算機(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)是每個時鐘周期內(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次時鐘周期的改變叫1Hz(赫茲)。主頻為1GHz 就是1秒鐘有10億個時鐘周期。
因此，提高處理器性能就是兩個途徑：提高主頻和提高每個時鐘周期內(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”

解析CPU從單核過渡雙核多核絕不是偶然(2)

如果通過提高主頻來提高處理器的性能，就會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)量同時維持較低的主頻。這樣設(shè)計的效果是，更多的并行提高IPC，較低的主頻有效地控制了功耗的上升。

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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?；谟⑻貭?reg;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)。
● 多核出現(xiàn)的必然性
摩爾定律：
摩爾老先生最初是1965年為《電子學(xué)》寫行業(yè)展望的時候，第一次寫下了這個有名的預(yù)言，是說集成電路上的晶體管數(shù)目會以每年翻一番的速度增長。當(dāng)時市面上的集成電路有30來個元件，在研發(fā)中的集成電路是60幾個。摩爾預(yù)言10年后會達(dá)到6萬個（事實(shí)上9年后就達(dá)到了這個數(shù)字）。這實(shí)在是驚人的準(zhǔn)確了！雖然這只是一個行業(yè)發(fā)展估計，摩爾做這個預(yù)測還是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。?975年，考慮到電路板上空間的限制，摩爾認(rèn)為不可能繼續(xù)保持這樣的增長速度，所以修正了他的預(yù)言，預(yù)測集成電路上的晶體管數(shù)目將以每兩年翻一番的速度增長。據(jù)說后來實(shí)際速度是每21個月翻一番。從1965年至今，四十多年了，摩爾的預(yù)測一直非常準(zhǔn)確，被稱為“摩爾定律”真是當(dāng)之無愧。

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Intel估計在到了2017年制程更精細(xì)至3nm
那么，集成電路上的晶體管數(shù)目會以大約每兩年翻一番的速度增長。這越來越多的晶體管究竟對廣大用戶有什么意義？
我們都知道現(xiàn)在的電腦比多年以前的功能強(qiáng)大多了，差不多二十多來年電腦的性能一直是跟主頻掛鉤的，主頻越高，性能越高。原因是芯片上的晶體管一代比一代多，就能做得更精細(xì)，執(zhí)行指令的節(jié)拍（也就是主頻）更快。但電路越復(fù)雜，消耗的電能就越多，所以散熱問題就很突出了，終于成為制約性能提升的瓶頸。記得前兩年看到網(wǎng)上一個搞笑圖片，在電腦的主板上煎雞蛋，我可笑不起來。
從另一個角度來看這個問題：芯片上有大量的晶體管，能組成一個巨大的復(fù)雜電路，也可以組成很多個小的比較簡單的電路。但前者與后者相比，能耗就相差很大了，與之相關(guān)的發(fā)熱也相應(yīng)有很大差距。多核的道路就是這樣出現(xiàn)在我們面前：在一個芯片上建造多個CPU內(nèi)核，而不是建造單個巨大的CPU。這樣就可以在較小的能耗下，讓多個CPU共同工作，提高整體性能。摩爾定律告訴我們芯片上的晶體管會以指數(shù)增長，我們就能在一個芯片上建造越來越多的功能強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，從而繼續(xù)提高電腦的性能。今年二月我們在美國發(fā)布的“萬億級”80核的研究用芯片，只有指甲蓋大小，功耗只有62瓦。在十年前，同樣性能的計算機(jī)是用大約1萬個奔騰Pro芯片組成的超級計算機(jī)（1996年，ASCI Red），需要電力500千瓦。
因此，走上了多核道路，電腦就會繼續(xù)大幅度提高性能，同時成為我們的好幫手。我們有理由相信不會再出現(xiàn)在CPU上攤雞蛋的現(xiàn)象。