多核——划时代的里程碑.doc

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1、多核——划时代的里程碑范鸿飞郑颂伟摘要处理器时钟频率的提升遇到了不可逾越的瓶颈，芯片制造厂商不约而同将目光瞄向了双核乃至多核架构。多核是计算机体系结构发展史上划时代的革命性里程碑，多核处理器实现了真正的并行，极大地提升了CPU的性能。如何构建出多核架构下新的开发模式，将是未来一段时间内软件业发展的重中之重。毋庸置疑，多核已是计算机体系结构以及计算机行业不可逆转的发展潮流。关键字处理器多核性能线程超线程并行并发效率内核作者信息范鸿飞（033200）fanhongfei@gmail.com郑颂伟（0332

2、20）zswfpfp@gmail.com版权声明版权所有©，范鸿飞、郑颂伟，2006年。保留所有权利。同济大学软件学院2006年6月1引言2005年4月18日，是计算机体系结构发展史上一个划时代的里程碑。这一天，英特尔公司在全球范围内同步推出了英特尔®奔腾®D处理器，标志着CPU双核时代的到来。紧接着，加载了超线程技术的英特尔®奔腾®至尊版处理器闪亮登场，推动了双核时代的步伐。AMD也早有准备，随后推出了基于双核架构的皓龙（Opteron）处理器以及64位的Athlon64X2处理器，与英特尔竞争双核

3、市场的份额。纵观过去的十几年内，处理器的发展是计算机技术发展中的亮点。芯片制造厂商不断地推出拥有更高时钟频率的处理器，一次次验证了摩尔定律的准确性。然而，摩尔定律总有失效的一天，处理器的时钟频率不可能无限制地提高，硅原子的直径是芯片技术发展中一个不可逾越的屏障。纯粹地追求时钟频率的提升，已经使得CPU性能的提升跟不上频率发展的速度，英特尔在发布了3.8GHz的处理器后便没有再按计划推出4.0GHz的产品。在摩尔定律面临失效的时候，英特尔和AMD都将处理器的发展从提升时钟频率转向架构上的革新，采用双核乃

4、至多核技术来提升CPU的性能。早在1994年，英特尔就开始了对多核处理的研究工作，并把它作为一项长期的策略。英特尔公司预计到2006年底，其产品中超过85%的服务器处理器和超过70%的移动与桌面奔腾系列处理器芯片将基于多核架构。多核时代的到来，已是不可逆转的历史潮流。处理器向双核乃至多核的发展，打破了传统的发展模式，这无论是对硬件业还是软件业都带来了前所未有的挑战。处在这样一个变革的时代下，对多核技术进行研究，意义非凡。什么是多核技术，多核技术带来了什么优点，多核技术与其他的并行技术尤其是超线程技术的

5、区别何在，软件业和程序员如何配合多核时代的来临，将会在本文中得到很好的回答。2多核2.1多核的基本概念多核架构，就是一块处理器芯片上包含多个“执行内核”，从而使处理器能够彻底、完全地并发执行程序的多个线程。从操作系统的视角来看，多核处理器就如同是多个处理器，它把多核处理器的每一个执行内核看作是一个单一的拥有所有相关资源的典型处理器。2.2多核的优点多核处理器全面提升了并行的效果，极大地提高了计算的性能，其前所未有的计算能力增强了多任务环境下的计算体验。如今的桌面操作系统几乎都是多任务的环境，特别是在数

6、字娱乐、多媒体技术高度发展的今天，并行计算、并行处理的能力已经是衡量计算机性能的重要指标。用户使用计算机时，往往是一组前台应用程序和一组后台应用程序并发地执行。在单核时代下，并发的效果是软件模拟出来的。操作系统的进程管理部分负责调度各个进程和线程对CPU的控制权，把时间片按照设定的优先级别轮流分配给各个进程和线程。由此，从时间段的角度来看，这些任务仿佛是被同时完成的，而事实上，只是CPU不停地切换服务对象，从而达到了并发的效果。这种并发机制耗费不少代价，因为CPU在管理和调度进程或线程时需要一定的开销

7、。实际上，单核时代下的并行，是以牺牲一定的CPU效率为前提的。多核处理器实现了真正意义上的多线程并行。在多核的架构下，每个单一的内核都拥有自己独立的Cache以及一组相关的硬件资源。当并行的线程在两个或多个内核上执行时，彼此没有干扰和影响，这种做法从硬件的源头支持了并行，CPU性能因此而提高很多。3多核技术与其他并行技术的比较3.1指令级别的并行指令级并行的主要原理是发现指令序列中存在的潜在并行性，并通过各种可能的硬件技术和软件技术来获得指令级别的并行，提高CPU的性能。在指令级并行机制下，单一线程代

8、码段里具有逻辑上的并行性的指令流被分解出来接受并发的执行，之后又被按照原有的顺序组合起来。1994年，英特尔首次在当时主流的奔腾处理器上引入了指令级并行的技术。指令级并行是实现高性能处理器的重要技术手段，但具有一定的局限性，因为指令并行需要不少额外的开销。对于静态调度，无论是解决循环级并行的处理还是指令的调度，都需要编译器来完成，这就需要额外的编译开销以及研究人员对编译技术的研究。对于动态调度，相关的策略和算法都需要额外的硬件资源来支持。3.2超线程技术