多核技术研究与展望

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1、多核技术研究与展望摘要：在信息激增的时代，要求计算机的处理器更快更强，双核、多核乃至更多核应运而生，多核时代已来临。多核计算机支持硬件的多线程运行，给程序的运行带来了同步问题和通信问题。解决这些问题需要硬件的一致性机制和互斥机制，以及通信机制。多核计算机给桌面应用程序员带来了新的挑战。实现多核计算机并行程序设计的简单易行的方法是采用OpenMP。关键词：多核；多线程；OpenMP1引言20世纪60年代初期美国就出现了全世界最早的并行计算机。70年代之后还出现过向量机、并行向量机(以Cray公司为代表，中国的则是银河系列)，以及20世纪90年代初的SIMD并行机，其代表作就是T

2、hinkMachine公司的CM系列并行机。ThinkMachine公司通过将大量体系结构简单、功能较弱的处理器用网络连接实现大规模的并行计算系统，但由于应用领域有限等原因，这类系统很快就消亡了。曾经一度流行且目前还占有一席之地的并行计算机是分布式存储的MPP机和基于SMP的共享存储小型机。但目前市场上占据主流位置的应该是Cluster集群系统。在高端计算里我们需要通过并行去更快更好地解决挑战性的问题。另外一个必须并行的原因是电路设计的物理极限。单个处理器的线宽总有一天要达到物理极限，所以不得不转向多核，把痛苦的事情转嫁到大众身上。这就像我们人体的生长，人青年时期会不断地长高

3、(与处理器主频的增长类似)，但长到一定程度时就要向宽的方向发展[1]。并行处理的精确定义是用多个计算部件共同快速完成挑战性的任务。这里有几个关键词，要多个计算部件(或计算机)、要共同(互相配合)、要快速、还要完成具有挑战性的任务。其好处就是提高性能，缩短解题时间，求解规模更大的问题。如果造一个主频极高成本也极高的单处理器，还不如把几个低主频的处理器一起使用，而且还可以容错。比较常见的并行机就是SMP(对称多处理)，但现在新的选项是多核处理器(在一个处理器内实现、不可分割、打包销售、买一送多)，且普通大众将来都会逐渐接触和使用到。此外，并行计算还可以分为处理器内(最新的还包括多

4、个处理器核)和处理器之间的两种并行层次。而根据不同的处理器间互联网络，也可以分成不同类型，而且研究如何进行互联也曾经是一个极其热门的研究课题。实际上，现在多处理器核之间也是需要互联网络的。我们甚至可以把多处理器核之间的互连模式看成原来的SMP多处理甚至多个并行计算节点之间互联在单个处理器内的缩小版。从存储模型上，并行处理还也可以分为分布式存储和共享存储两大类。并行算法基本上就是一个浅而宽的算法结构，实际上就是把长而高的串行算法的时间复杂度通过增加空间复杂度的方式进行压缩，把以前一个周期一个操作去执行的算法结构改造成一个周期可以进行多个操作的并行算法，这就是并行化要做的主要工作

5、。说白了，并行就是在一个时刻或者时间段里有一个以上的事件发生[1]。在并行计算领域里，最有名的两个定律是Amdahl定律DGustafson定律。Amdahl定律指出，如果一个算法里不能并行的部分所占的比重是l0％的话，那么并行化算法所能达到的最大加速比超不过l0。这个定理出来以后，对并行计算打击很大。后来Gustafson发现，实际上Amdahl定理存在的问题是只假定并行系统处理一个固定规模的问题，在这种情况下，再增加处理器当然没有意义。但如果把问题规模随着机器规模一起变大，加速比仍然可以变大。Gustafson定理出现以后，并行机的发展前途豁然开阔。在并行计算领域里，人们

6、常常提到并行加速比(求解问题的串行执行时间与并行执行时间的比)。并行计算追求的最理想情况是用P个处理器，就能得到P倍的速度提升。但这通常很难达到，因为并行会引入通讯和调度等额外开销。当然在极个别情况下，也会出现超线性加速比的情况。微处理器的发展到达了一个转折点，传统的提高主频的方式已经走到了头[1]。微处理器下一步的主要发展方向一个是64位机，另一个是多处理机。传统程序基本上是为顺序处理器书写的程序，大部分程序在多处理器上不能直接获得加速。解决这个问题的一条途径是使用多处理器编译器，把顺序程序自动转换为并行程序。世界上主要的多处理器编译器的开发公司有INTEL和Portlan

7、dGroup。虽然多处理器编译器的自动并行化功能能够解决一部分问题，但是依然不能令人满意，比如INTEL的编译器要花费数小时进行编译，程序的加速只是10%-30%。1、多核处理器的发展历程在芯片的多核发展历程中，第一个吃螃蟹的公司应该是IBM，她在2001年发布的POWER4芯片第一次采取了双核的架构，并且，2004年POWER4的下一代芯片POWER5也随之出现，POWER5除了继续遗传双核的架构外，还加入了多线程的技术，多线程则把一个进程分成很多可执行的线程，每一个线程都可以独立运行。而后，HP和S