1、多核處多核處理器理器曇花曇花一現(xiàn)？一現(xiàn)？方興方興未艾？未艾？僅僅提高單核芯片的速僅僅提高單核芯片的速度會(huì)產(chǎn)生過多熱量度會(huì)產(chǎn)生過多熱量，處處理器產(chǎn)生的熱量很快會(huì)理器產(chǎn)生的熱量很快會(huì)超過太陽表面。超過太陽表面。隨著處理器速度的隨著處理器速度的急驟加快，所面臨的內(nèi)急驟加快，所面臨的內(nèi)存瓶頸及日益增加的電存瓶頸及日益增加的電力消耗、芯片高溫等問力消耗、芯片高溫等問題驟然擺在科技人員面題驟然擺在科技人員面前?，F(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)不前?，F(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)不僅需要高昂的代價(jià)，且僅需要高昂的代價(jià)，且冷卻性能已經(jīng)達(dá)到飽和。冷卻性能已經(jīng)達(dá)到飽和。多核處理器的橫空出世，多核處理器的橫空出世，及時(shí)地緩解了現(xiàn)時(shí)存在的危及時(shí)地緩解

2、了現(xiàn)時(shí)存在的危機(jī)，且整體上又進(jìn)一步提高機(jī)，且整體上又進(jìn)一步提高了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合性能。了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合性能。CMP（chip multiprocessor）片上片上多核處理器多核處理器同構(gòu)異構(gòu)多核，即在一個(gè)單芯片上面集成兩個(gè)多核，即在一個(gè)單芯片上面集成兩個(gè)甚至更多個(gè)處理器內(nèi)核，其中每個(gè)內(nèi)甚至更多個(gè)處理器內(nèi)核，其中每個(gè)內(nèi)核都有自己的邏輯單元、控制單元、核都有自己的邏輯單元、控制單元、中斷處理器、運(yùn)算單元，一級(jí)中斷處理器、運(yùn)算單元，一級(jí)cache、二級(jí)二級(jí)cache共享或獨(dú)有，其部件的完整共享或獨(dú)有，其部件的完整性和單核處理器內(nèi)核相比完全一致。性和單核處理器內(nèi)核相比完全一致。早在早在1975年，

3、戈登年，戈登摩爾提出了計(jì)算機(jī)處摩爾提出了計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展規(guī)律，即：理器的發(fā)展規(guī)律，即：“10年內(nèi)，半導(dǎo)體芯片年內(nèi)，半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將會(huì)以每上集成的晶體管和電阻數(shù)量將會(huì)以每18個(gè)月翻個(gè)月翻一倍的速度增長一倍的速度增長”。這個(gè)規(guī)律雖然被摩爾先生。這個(gè)規(guī)律雖然被摩爾先生限定在限定在10年以內(nèi)，也曾提出警告，認(rèn)為年以內(nèi)，也曾提出警告，認(rèn)為“摩爾摩爾法則法則”無法繼續(xù)有效，但是計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域卻無法繼續(xù)有效，但是計(jì)算機(jī)硬件領(lǐng)域卻始終致力于履行這一定律。時(shí)至今日，始終致力于履行這一定律。時(shí)至今日，CPU上上集成的晶體管數(shù)量應(yīng)該達(dá)到數(shù)十億之多。顯然，集成的晶體管數(shù)量應(yīng)該達(dá)到數(shù)十億之多。顯然

4、，今天的現(xiàn)實(shí)讓人們無法不清醒，目前再繼續(xù)通今天的現(xiàn)實(shí)讓人們無法不清醒，目前再繼續(xù)通過增加晶體管的數(shù)量來提高計(jì)算性能已經(jīng)遇到過增加晶體管的數(shù)量來提高計(jì)算性能已經(jīng)遇到了瓶頸。了瓶頸。在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，CMP與傳統(tǒng)的單處與傳統(tǒng)的單處理器相比，多核內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有固定的組織形理器相比，多核內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有固定的組織形式，可以有很多種實(shí)現(xiàn)方式。通常，人們把式，可以有很多種實(shí)現(xiàn)方式。通常，人們把多核處理器分為兩大類：同構(gòu)多核和異構(gòu)多多核處理器分為兩大類：同構(gòu)多核和異構(gòu)多核。核。計(jì)算內(nèi)核相同，地位對(duì)等的稱為同構(gòu)多計(jì)算內(nèi)核相同，地位對(duì)等的稱為同構(gòu)多核，現(xiàn)在核，現(xiàn)在Intel和和AMD的雙核處理器就是

5、同構(gòu)的雙核處理器就是同構(gòu)雙核處理器。計(jì)算內(nèi)核不同，地位不對(duì)等的雙核處理器。計(jì)算內(nèi)核不同，地位不對(duì)等的則稱為異構(gòu)多核，異構(gòu)多核多采用則稱為異構(gòu)多核，異構(gòu)多核多采用“主處理主處理核核+協(xié)處理核協(xié)處理核”的設(shè)計(jì)，的設(shè)計(jì)，IBM和和Sony聯(lián)合研制聯(lián)合研制的的Cell就是典型代表。就是典型代表。Hydra處理器結(jié)構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)Hydra是由美國斯坦福大學(xué)于是由美國斯坦福大學(xué)于1996年研制的四年研制的四核處理器結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)極具前瞻性的研究。核處理器結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)極具前瞻性的研究。它的每個(gè)核心通過總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共享二級(jí)緩存、它的每個(gè)核心通過總線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共享二級(jí)緩存、存儲(chǔ)器接口和存儲(chǔ)器接口和I/O接

6、口?，F(xiàn)今被認(rèn)為是同構(gòu)多核的接口。現(xiàn)今被認(rèn)為是同構(gòu)多核的典型代表。由于最初的多核處理器集成的處理器典型代表。由于最初的多核處理器集成的處理器核數(shù)量較小，所以，最大的特點(diǎn)就是應(yīng)用總線和核數(shù)量較小，所以，最大的特點(diǎn)就是應(yīng)用總線和交換開關(guān)的方式進(jìn)行互連，并且各個(gè)核的結(jié)構(gòu)相交換開關(guān)的方式進(jìn)行互連，并且各個(gè)核的結(jié)構(gòu)相似、功能也較為強(qiáng)大。多核發(fā)展至今，我們不妨似、功能也較為強(qiáng)大。多核發(fā)展至今，我們不妨把把Hydra的這種設(shè)計(jì)看作是同構(gòu)多核的始祖。的這種設(shè)計(jì)看作是同構(gòu)多核的始祖。Cell處理器結(jié)構(gòu)處理器結(jié)構(gòu)Cell是由是由IBM與與Sony合作研發(fā)的多核處理器，也是第合作研發(fā)的多核處理器，也是第一款投入實(shí)際商

7、用的多核處理器。它主要由一款投入實(shí)際商用的多核處理器。它主要由PowerPC通用通用處理器處理器(power processing element，PPE)和和8個(gè)協(xié)處理器個(gè)協(xié)處理器(synergistic processing element，SPE)組成，通過一條高速組成，通過一條高速總線（總線（EIB）進(jìn)行連接。）進(jìn)行連接。PPE是一個(gè)有二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)的是一個(gè)有二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)的64位位PowerPC處理核心，可以同時(shí)提取處理核心，可以同時(shí)提取4條指令和兩種結(jié)果，條指令和兩種結(jié)果，負(fù)責(zé)運(yùn)行基本程序和協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)運(yùn)行基本程序和協(xié)調(diào)SPE間任務(wù)的運(yùn)行；間任務(wù)的運(yùn)行；SPE是一個(gè)使是一個(gè)使用本地存儲(chǔ)器的

8、用本地存儲(chǔ)器的32位微處理器，無緩存結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)從事浮位微處理器，無緩存結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)從事浮點(diǎn)運(yùn)算；點(diǎn)運(yùn)算；EIB連接連接PPE、SPE和外部和外部I/O。Cell的這種不對(duì)稱的這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種典型的異構(gòu)多核結(jié)構(gòu)，也正是這種架構(gòu)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種典型的異構(gòu)多核結(jié)構(gòu)，也正是這種架構(gòu)為為EIB和高速內(nèi)存提供了足夠的數(shù)據(jù)通路，和高速內(nèi)存提供了足夠的數(shù)據(jù)通路，3.2GHz處理器處理器的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算的峰值就可以達(dá)到的單精度浮點(diǎn)運(yùn)算的峰值就可以達(dá)到200GFs，而同時(shí)期英，而同時(shí)期英特爾同頻率的特爾同頻率的Pentium4處理器的峰值僅處理器的峰值僅25.6GFs。目前，主流的雙核和四核處理器基本目前

9、，主流的雙核和四核處理器基本上都采用同構(gòu)結(jié)構(gòu)。隨著集成核心數(shù)量的上都采用同構(gòu)結(jié)構(gòu)。隨著集成核心數(shù)量的不斷增加，同構(gòu)多核設(shè)計(jì)面臨的主要問題不斷增加，同構(gòu)多核設(shè)計(jì)面臨的主要問題就是如何保持各個(gè)核心的數(shù)據(jù)一致性以及就是如何保持各個(gè)核心的數(shù)據(jù)一致性以及滿足核心的存儲(chǔ)訪問與滿足核心的存儲(chǔ)訪問與I/O訪問需求。與同訪問需求。與同構(gòu)相比，異構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以通過組織不同構(gòu)相比，異構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以通過組織不同特點(diǎn)的核心來優(yōu)化處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從特點(diǎn)的核心來優(yōu)化處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)處理器性能的最佳化和功耗最小化。而實(shí)現(xiàn)處理器性能的最佳化和功耗最小化。當(dāng)然，異構(gòu)多核設(shè)計(jì)也面臨著一些難點(diǎn)，當(dāng)然，異構(gòu)多核設(shè)計(jì)也面臨著

10、一些難點(diǎn)，比如不同的核心如何搭配，核心間任務(wù)如比如不同的核心如何搭配，核心間任務(wù)如何分配等。何分配等。Harbin Engineering University多多核處理器的關(guān)鍵技術(shù)分析核處理器的關(guān)鍵技術(shù)分析 核結(jié)構(gòu)研究核結(jié)構(gòu)研究:同構(gòu)或異構(gòu)同構(gòu)或異構(gòu) 程序執(zhí)行模型程序執(zhí)行模型 Cache設(shè)計(jì)設(shè)計(jì):多級(jí)多級(jí)Cache設(shè)計(jì)與一致性問題設(shè)計(jì)與一致性問題 核間通信技術(shù)核間通信技術(shù) 總線設(shè)計(jì)總線設(shè)計(jì) 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì):任務(wù)調(diào)度、中斷處理、同步互斥任務(wù)調(diào)度、中斷處理、同步互斥 低功耗設(shè)計(jì)低功耗設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)器墻存儲(chǔ)器墻 可靠性及安全性設(shè)計(jì)可靠性及安全性設(shè)計(jì) 多核編程比單個(gè)編程更講究程序的架構(gòu)、多核編

11、程比單個(gè)編程更講究程序的架構(gòu)、任務(wù)的分配以及每個(gè)處理機(jī)的負(fù)載?，F(xiàn)在使用任務(wù)的分配以及每個(gè)處理機(jī)的負(fù)載?，F(xiàn)在使用比較廣泛的多核編程工具是面向共享存儲(chǔ)機(jī)制比較廣泛的多核編程工具是面向共享存儲(chǔ)機(jī)制的的openMP。他是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的。他是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的API設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)規(guī)范，可以很方便的設(shè)計(jì)新的并行應(yīng)用程序或并行化可以很方便的設(shè)計(jì)新的并行應(yīng)用程序或并行化現(xiàn)有串行應(yīng)用程序?，F(xiàn)有串行應(yīng)用程序。OpenMP支持支持C語言、語言、C+和和Fortran，同時(shí)，同時(shí)OpenMp提供了對(duì)并行算法的提供了對(duì)并行算法的高層的抽象描述，程序員可以通過在高層的抽象描述，程序員可以通過在源代碼源代碼中中加入專用的加入專

12、用的pragma來指明自己的意圖，由此來指明自己的意圖，由此編譯器可以自動(dòng)將程序進(jìn)行并行化，并在必要編譯器可以自動(dòng)將程序進(jìn)行并行化，并在必要之處加入同步互斥以及通信。之處加入同步互斥以及通信。舉一個(gè)簡單的小程序，例如我們想把下面的程序并行化：舉一個(gè)簡單的小程序，例如我們想把下面的程序并行化：#include#includeVoid Test( int n)for( int i=0;i=10; +i)printf(“%d”,n);int main( int argc, char*argv)for( int i=0;i10;i+)Test(i);system(“pause”);利用利用openMP

13、，將，將main（）函數(shù)并行化處理。修改如下：（）函數(shù)并行化處理。修改如下：#include #include #include Void Test (int n) for ( int i = 0; i 10; +i) printf(%d, , n); int main(int argc, char* argv) #pragma omp parallel for for(int i = 0; i10; +i) Test( i ); system(pause);第一個(gè)程序的執(zhí)行結(jié)果是：第一個(gè)程序的執(zhí)行結(jié)果是：0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9。第二個(gè)程序的執(zhí)行結(jié)果是：。第二

14、個(gè)程序的執(zhí)行結(jié)果是：0, 5, 1, 6, 2, 7, 3, 8, 4, 9。造成兩個(gè)程序的輸出結(jié)果不。造成兩個(gè)程序的輸出結(jié)果不同的原因是：同的原因是：openMP是將是將0-9十個(gè)步驟，拆十個(gè)步驟，拆成成0-4,5-9兩部份分別執(zhí)行的。兩部份分別執(zhí)行的。OpenMP的一個(gè)缺點(diǎn)是不能在非共享內(nèi)的一個(gè)缺點(diǎn)是不能在非共享內(nèi)存系統(tǒng)存系統(tǒng)(如計(jì)算機(jī)集群如計(jì)算機(jī)集群)上使用。在這樣的系上使用。在這樣的系統(tǒng)上，統(tǒng)上，MPI使用較多。使用較多。MPI是一個(gè)消息傳遞接是一個(gè)消息傳遞接口，如今已經(jīng)成為消息傳遞的并行編程標(biāo)準(zhǔn)。口，如今已經(jīng)成為消息傳遞的并行編程標(biāo)準(zhǔn)?？删幊绦允嵌嗪颂幚砥髅媾R可編程性是多核處理器面臨

15、的一大問題。一旦核心不只一個(gè)，的一大問題。一旦核心不只一個(gè)，就需要執(zhí)行程序能夠并行處理。就需要執(zhí)行程序能夠并行處理。盡管在并行計(jì)算上，人類已經(jīng)探盡管在并行計(jì)算上，人類已經(jīng)探索了超過索了超過40多年的時(shí)間，但編寫、多年的時(shí)間，但編寫、調(diào)試、優(yōu)化并行處理程序的能力調(diào)試、優(yōu)化并行處理程序的能力還非常弱。還非常弱。另外一方面，多數(shù)應(yīng)用的并行加速潛力另外一方面，多數(shù)應(yīng)用的并行加速潛力有限是因?yàn)楫?dāng)前在實(shí)際應(yīng)用中，可供程序員有限是因?yàn)楫?dāng)前在實(shí)際應(yīng)用中，可供程序員迅速開發(fā)出來的程序還是單線程的，同時(shí)多迅速開發(fā)出來的程序還是單線程的，同時(shí)多數(shù)應(yīng)用也是用數(shù)應(yīng)用也是用C或或c+編寫的，它們一直被設(shè)編寫的，它們一直被

16、設(shè)計(jì)為單線程，而單線程程序中所能開發(fā)和利計(jì)為單線程，而單線程程序中所能開發(fā)和利用的并行性始終是有限的。所以對(duì)于這些應(yīng)用的并行性始終是有限的。所以對(duì)于這些應(yīng)用，要么重新編寫并行代碼，要么研發(fā)面向用，要么重新編寫并行代碼，要么研發(fā)面向多核結(jié)構(gòu)的自動(dòng)并行化工具，使得這些應(yīng)用多核結(jié)構(gòu)的自動(dòng)并行化工具，使得這些應(yīng)用能在多核處理器系統(tǒng)中高效應(yīng)用。能在多核處理器系統(tǒng)中高效應(yīng)用。多核處理器產(chǎn)生的直接原因是多核處理器產(chǎn)生的直接原因是替代單處理器、解決微處理器的發(fā)替代單處理器、解決微處理器的發(fā)展瓶頸，但發(fā)展多核的深層次原因展瓶頸，但發(fā)展多核的深層次原因還是為了滿足人類社會(huì)對(duì)計(jì)算性能還是為了滿足人類社會(huì)對(duì)計(jì)算性能的無止境需求，即便是現(xiàn)在已經(jīng)有的無止境需求，即便是現(xiàn)在已經(jīng)有效地將多核性能提高到了一個(gè)新的效地將多核性能提高到了一個(gè)新的水平，可是人們對(duì)性能的渴望并未水平，可是人們對(duì)性能的渴望并未就此泯滅。就此泯滅?？傊?，微處理器的發(fā)展正處在歷總之，微處理器的發(fā)展正處在歷史的轉(zhuǎn)折點(diǎn)?；ヂ?lián)網(wǎng)的普