多核技术概论.docx

朱小婧 09070206

一． 多核技术概论
1. 相关技术名词解释
多核技术：多核技术就是把多个处理器集成在一个芯片内，是对称多处理系统的延伸，设计的主要思想是通过简化超标量结构设计，将多个相对简单的超标量处理器核集成到一个芯片上，从而避免线延的影响，并充分开发线程级并行性，提高吞吐量。
2.多核技术的应用
由于多核技术的发展，超级计算机也随之诞生。2009年6月19日，造价2亿元、每秒峰值运算速度超过200万亿次的超级计算机“魔方”，开始在上海高速运转。而有了“魔方”，上海超算的“脑力”增长了20倍。“曙光4000A”支撑的300多个用户，将大部分移师“魔方”，包括气象预报、生物药物、生命科学、汽车、核电、钢铁、新材料、土木工程、物理、化学、航空、航天、船舶等数十个应用领域。除了旧有的项目之外，“魔方”还被期待以重任：上海市着力发展的九大高新技术产业，如商用飞机、新材料、医药、重大装备、新能源以及电动车等六个领域都将依赖高性能计算技术。 或许，有一天你所搭乘的国产大飞机，不仅机身设计靠的是超级计算机的贡献，就连出现在你面前的飞行员、空姐排班顺序也是超级计算机所决定的。 “超级计算机500强”排行榜中，美国入围的291台超级计算机中有35台用于金融企业或相关机构。未来，“魔方”将助力上海国际金融中心建设，为金融机构设计衍生产品、控制风险、提供各种计算解决方案。

3.多核技术的优点
目前的研究认为，多核处理器相比相同工艺、相同面积的单核处理器具有如下优势：
（1）逻辑简单：相对超标量微处理器结构和超长指令字结构而言，单芯片多处理器结构的控制逻辑复杂性要明显低很多。相应的单芯片多处理器的硬件实现必然要简单得多。
（2）高主频：芯片多处理器结构的控制逻辑相对简单，包含极少的全局信号，因此线延迟对其影响比较小，因此，在同等工艺条件下，单芯片多处理器的硬件实现 要获得比超标量微处理器和超长指令字微处理器更高的工作频率。
（3）低通信延迟：由于多个处理器集成在一块芯片上，且采用共享Cache或者内存的方式，多线程的通信延迟会明显降低，这样也对存储系统提出了更高的要求。
（4）低功耗：调节电压/频率、负载优化分布等，可有效降低CMP功耗。
（5）设计和验证周期短：微处理器厂商一般采用现有的成熟单核处理器作为处理器核心，从而可缩短设计和验证周期，节省研发成本。

4.多核技术的问题
虽然在总体性能和能源效率方面上多核具有明显优势，但是从目前多核的技术和人们对于其应用能力上看，还有两方面的潜在问题：
（1）为了达到总体性能和能源的有效性，在同一工艺条件下，每个核心在芯片上所占的面积实际上较小，意味着每个核心比相应的单核处理器要简单，从而计算能力相对较弱。对于那些本质上必须串行执行的程序来讲，由于很难利用到多个核心，它们在多核情况下可能会运行得更慢。一般来讲，不能简单地期望N 核处理器能够达到N 倍的性能。
（2）当核心数目增多时，虽然理论上可以通过并行处理得到性能提升，但是目前人们并没有完全清楚如何将各种类型的应用有效分布到各个并行处理单元上协同工作。另外，从体系结构角度来讲，多个核心如何能有效地互联通信，如何有效地共享缓存资源，以及如何能够在有限的片外管脚数目上达到多个核心总体需求的I/O 带宽等问题都还具有很大的挑战性。

二．多核技术的存储方面
存储器强：为了使芯片内核充分地工作，最起码的要求是芯片能提供与芯片性能相匹配 的存储器带宽，虽然内部Cache的容量能解决一些问题，但随着性能的进一步提高，必须有其他一些手段来提高存储器接口的带宽，如增加单个管脚带宽的DDR、DDR2、QDR、XDR等。同样，系统也必须有能提供高带宽的存储器。所以，芯片对封装的要求也越来越高，虽然封装的管脚数每年以20%的数目提升，但还不能完全解决问题，而且还带来了成本提高的问题，为此，怎样提供一个高带宽，低延迟的接口带宽，是必须解决的一个重要问题

三．多核技术的功耗方面
低功耗设计：半导体工艺的迅速发展使微处理器的集成度越来越高，同时处理器表面温度也变得越来越高并呈指数级增长，每三年处理器的功耗密度就能翻一番。目前，低功耗和热优化设计已经成为微处理器研究中的核心问题。CMP的多核心结构决定了其相关的功耗研究是一个至关重要的课题。低功耗设计是一个多层次问题，需要同时在操作系统级、算法级、结构级、电路级等多个层次上进行研究。每个层次的低功耗设计方法实现的效果不同——抽象层次越 高，功耗和温度降低的效果越明显。

四．多核技术的应用场景
多核的应用模式：AMP：每个核运行独立的OS，或者同种OS的独立实例；SMP：一个OS的单一实例同时管理所有CPU，所有应用可以浮动到其中任一个去运行；BMP：一个OS的单一实例同时管理所有CPU，但可以将某些应用或者线程锁定在指定的CPU上运行，实际上是SMP的一种特例

扩展性
总体研发效率及成本
性能
适用场景
AMP
差
要维护多个版本，甚至多种操作系统实现，需要多种工具支持，效率低，成本高
可以采用不同的操作系统来实现非对称性业务，实时响应能力强
并行性差，严重非对称性业务，关注有序性的业务
SMP
好
版本维护简单，有较好的研发工具支持，效率高，成本低
并行性业务处理性能高，ThrougthPut最佳，实时响应能力不能保证
并行性程序较高，负荷对称型业务。
BMP
较好
同SMP
同SMP
与SMP类似，适用于已有单核应用迁移到SMP的过渡阶段

五．多核技术的可靠性
随着技术革新的发展，处理器的应用渗透到现代社会的各个层面，但是在安全性方面却存在着很大的隐患。一方面，处理器结构自身的可靠性低下，由于超微细化与时钟设计的高速化、低电源电压化，设计上的安全系数越来越难以保证，故障的发生率逐渐走高。另一方面，来自第三方的恶意攻击越来越多，手段越来越先进，已成为具有普遍性的社会问题。现在，可靠性与安全性的提高在计算机体系结构研究领域备受注目。

六．多核技术的前景
多核技术使得计算机领域从“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”的窘境。当单核的发展已经进入死胡同时，各CPU厂家也开始改变设计典范，未来所有微处理器皆朝多核心设计发展为主流，传统型单一核心处理器将退居二线。关于双核心，我想不必再解释了，大家耳熟能详，从ALTHON 64 X2 系列的横空出世，到现在的酷睿傲视群雄，再到双核安腾2的发布，双核心已经是目前市场的主流产品。在服务器领域，双核心处理器以其卓越的性能，更低的成本也被大多数企业接受。
从软件的设计角度来说，双核/多核也改变了一些就有的思路。nVIDIA首席科学家David Kirk曾抱怨多核心处理器给游戏开发人员带来了巨大的编程困难。而INTEL 在发展硬件的同时，也在软件上做出了相应的改进。
在2007年的多核应用暨Intel服务器平台大会上，英特尔数字企业集团副总裁兼服务器平台事业部总经理Kirk Skaugem先生表示：“英特尔实际上是全世界最大的软件工具的公司，我们不仅是一个硬件公司，要想优化你们的多核，不优化就不能实现所有的性能，如果大家上我们的网站可以看到，我们的未来不仅仅停留于四核，未来会变成几十个核，甚至更多，所以我们在软件方面会进一步优化。”由此可知Intel公司已经在多核技术方面做好了充分的准备，这也必将导致多核技术将成为主流。
今年初，在由英特尔网络部主办，CSDN协办的英特尔多核平台编程优化大赛中，涌现出大量优秀的作品，充分的利用了双核/多核对于多线程和并行计算技术，使得代码运送速度大大提升。
事实证明，最新的多核心、超线程编程工具，可以为开发人员提供丰富的资源以供利用，只有摒弃守旧的工作习惯，尽快改变观念，跟上时代的进步，多核心、超线程编程并不会成为不可逾越的障碍。

七．附录：参考文献
1. 《并行计算》；
2.百度：多核技术的历史与现状；
3.电子工程专辑——多核技术
4.文摘《计算机世界》 ；
5.新浪科技时代；
6.CSDN博客

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