計(jì)算機(jī)多核處理器技術(shù)探究

張登杰

摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體材料制造和納米工藝的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)處理器已經(jīng)成為各領(lǐng)域計(jì)算機(jī)應(yīng)用不可或缺的重要部件，被稱為“計(jì)算機(jī)的大腦”。處理器是計(jì)算機(jī)完成計(jì)算能力和協(xié)調(diào)控制各部件運(yùn)作的核心，但是隨著計(jì)算機(jī)所需處理數(shù)據(jù)量的大幅增加，原有的單核處理器已經(jīng)顯現(xiàn)出很大的局限性，擁有多個(gè)核心的多核處理器應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)多核處理器也成為了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本文從計(jì)算機(jī)處理器的概況講起，著重分析了多核處理器的各項(xiàng)技術(shù)，并對計(jì)算機(jī)多核化的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：CPU；處理器；多核

中圖分類號：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0009-02

1 計(jì)算機(jī)處理器

1.1 計(jì)算機(jī)處理器概況

在電子信息科技高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代化社會中，計(jì)算機(jī)作為一種高級計(jì)算工具已經(jīng)應(yīng)用到人類生產(chǎn)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，其被稱為二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。和人類擁有聰明的大腦一樣，計(jì)算機(jī)也有自己的處理核心——中央處理器。計(jì)算機(jī)的工作過程就是計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程。程序是一個(gè)指令序列，這個(gè)序列明確告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)該執(zhí)行什么操作，在什么地方能夠找到用來操作的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中央處理器（Central Processing Unit，CPU）是自動(dòng)取出計(jì)算機(jī)指令并計(jì)算執(zhí)行的部件，是計(jì)算機(jī)運(yùn)算和控制的核心。早期的CPU通常是為大型、特定的應(yīng)用而定制的。目前，這種為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)定制CPU的昂貴方法，很大程度上已經(jīng)讓位于開發(fā)可大規(guī)模生產(chǎn)的通用處理器。這種標(biāo)準(zhǔn)化趨勢，大致始于分立晶體管大型計(jì)算機(jī)和小型計(jì)算機(jī)年代，并且隨著集成電路的普及而大大加速。集成電路可以把日益復(fù)雜的CPU設(shè)計(jì)制造在很小的空間里。現(xiàn)代微處理器已經(jīng)隨處可見，從汽車到手機(jī)，甚至兒童玩具都離不開各種規(guī)格的中央處理器。

1.2 CPU的結(jié)構(gòu)和功能

為了實(shí)現(xiàn)完成的運(yùn)算功能，計(jì)算機(jī)處理區(qū)由控制單元、運(yùn)算單元和存儲單元構(gòu)成?？刂茊卧K是中央處理器的運(yùn)行指揮調(diào)度中心，由各種寄存器和控制器組成，主要起到預(yù)編譯和多進(jìn)程（線程）調(diào)度；運(yùn)算單元是CPU的計(jì)算核心，其可以進(jìn)行算數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除、取余等）和邏輯運(yùn)算（和、或、異或、大于小于等），在進(jìn)行具體計(jì)算任務(wù)時(shí)，需要受到控制器的調(diào)控，以確保其高效工作，各種運(yùn)算互不干擾；存儲單元由CPU的寄存器和緩存組成，CPU在進(jìn)行各種運(yùn)算的過程中必不可少地需要暫時(shí)存儲一些數(shù)據(jù)，而存儲單元?jiǎng)t提供了快速存取的功能。其結(jié)構(gòu)和工作原理可由圖1簡單說明。

結(jié)合CPU的結(jié)構(gòu)和工作原理，可知其在計(jì)算機(jī)運(yùn)行中主要有以下功能：

1.2.1 程序控制

程序控制就是控制指令的執(zhí)行順序。程序是指令的有序集合，這些指令的相互順序不能任意顛倒，必須嚴(yán)格按程序規(guī)定的順序執(zhí)行。保證計(jì)算機(jī)按一定順序執(zhí)行程序是CPU的首要任務(wù)。

1.2.2 操作控制

操作控制就是控制指令進(jìn)行操作。一條指令的功能往往由若干個(gè)操作信號的組合來實(shí)現(xiàn)。因此，CPU管理并產(chǎn)生每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行操作。

1.2.3 時(shí)間控制

時(shí)間控制就是對各種操作實(shí)施定時(shí)控制。在計(jì)算機(jī)中，各種指令的操作信號和一條指令的整個(gè)執(zhí)行過程都受到嚴(yán)格定時(shí)。只有這樣，計(jì)算機(jī)才能有條不紊地工作。

1.2.4 數(shù)據(jù)加工

數(shù)據(jù)加工就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算。完成數(shù)據(jù)的加工處理，是CPU的根本任務(wù)。

2 計(jì)算機(jī)處理器多核化技術(shù)

2.1 單核處理器的局限性

多核處理器由單核處理器發(fā)展而來，在21世紀(jì)之前，幾乎所有的計(jì)算機(jī)處理器都由單核處理器壟斷，一是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)量和運(yùn)算任務(wù)比較簡單，單核的性能已經(jīng)足以應(yīng)對各種運(yùn)算，二是多核技術(shù)還不成熟，不成熟的多核處理器往往會導(dǎo)致運(yùn)算混亂，從而導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤，性能不升反降，多核處理器在當(dāng)時(shí)大多只是芯片廠商的噱頭。在多核CPU應(yīng)用之前，大多數(shù)芯片廠家只能通過提高單核處理器的主頻來提高處理器的性能，然而，隨著計(jì)算機(jī)移動(dòng)化運(yùn)行的趨勢不斷加深，芯片越來越朝著小型化方向發(fā)展，這導(dǎo)致了處理器上電路的集成度達(dá)到上限，單一提高頻率的方法已經(jīng)沒有了進(jìn)步的余地。另外，隨著電子信息領(lǐng)域的信息處理量成倍增長，單核處理器已經(jīng)很難應(yīng)對同時(shí)處理多個(gè)大型復(fù)雜程序的情況。同時(shí)，單核處理器還存在處理帶寬受限、信號集成度不足、信號延遲較大和線程不同步等缺陷。隨著計(jì)算需求的增多和復(fù)雜化，單核處理器的這些弊病已經(jīng)不再適應(yīng)計(jì)算機(jī)整體發(fā)展的需要。

2.2 多核處理器

將多個(gè)處理器封裝在一塊芯片上就構(gòu)成了多核處理器（CMP，Chip of Multi-processor）。多核處理器最早在1996年被提出，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家首次提出多核這一架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式，由于這一思想太多超前，所以沒有受到足夠的重視。在21世紀(jì)初，美國公司IBM基于這一理論開發(fā)出世界上第一款多核處理器，代號POWER4，開啟了多核處理器的新紀(jì)元。2000年之后，全球芯片廠商都開始研究和制造多核處理器，這其中最著名的包括Intel和AMD公司。由于其優(yōu)秀的性能和低廉的價(jià)格，多核處理器也逐漸取代單核處理器應(yīng)用到個(gè)人電腦、工業(yè)計(jì)算機(jī)和各種嵌入式移動(dòng)設(shè)備中。

在多核處理器研究領(lǐng)域中，目前主要有兩大分支。除了單芯片多核處理器（CMP）之外，還有比較通用的同步多線程處理器（SMT）技術(shù)。CMP技術(shù)將一塊芯片作為載體，同時(shí)將多個(gè)單核處理器搭建在其中，對單個(gè)程序或多個(gè)程序分布式處理，從而提高計(jì)算速度；而SMT則是將一個(gè)程序的多個(gè)線程并行在一個(gè)核心上運(yùn)行。不論是哪種模式，處理器的各個(gè)核心都是通過控制器外存儲器中的高級緩存進(jìn)行通信交流，以便達(dá)到完美的配合。

2.3 多核處理器關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 核心結(jié)構(gòu)

根據(jù)多核處理器中多個(gè)微處理器是否相同，多核處理器可以分為同構(gòu)多核處理器和異構(gòu)多核處理器，前者的多個(gè)核心相同，處理架構(gòu)和性能相同，同時(shí)其多個(gè)處理器之間的地位平等，屬于同級關(guān)系。而后者則是層級不同，在若干核心間存在主核。多核處理器是對單核處理器的繼承和發(fā)揚(yáng)，所以單核的性能和核心間通信直接影響到多核處理器性能的發(fā)揮，并且多核的加速比也受到單核串行部分性能的影響。

2.3.2 軟件執(zhí)行模式

處理器核心數(shù)只是多核處理器的硬件基礎(chǔ)，一個(gè)好的處理器必須設(shè)計(jì)出完備的片上軟件系統(tǒng)，“好馬配好鞍”，只有良好軟件系統(tǒng)才能使處理器發(fā)揮出最大的性能。同時(shí)，系統(tǒng)軟件提供了多核處理器與軟件開發(fā)人員之間的接口，便于開發(fā)人員基于多核處理器開發(fā)各種功能。

2.3.3 緩存層次

和單核處理器類似，為了快速地存儲各種數(shù)據(jù)，多核處理器同樣也對緩存有著極高的要求。為此，多核處理器開辟了多層緩存的結(jié)構(gòu)，目前主流的多核處理器大多采用三層緩存的結(jié)構(gòu)：L1緩存、L2緩存和L3緩存。L1緩存充當(dāng)內(nèi)存和CPU之間溝通的橋梁，但是由于芯片的大小限制，L1緩存一般很小。L2緩存是為了協(xié)調(diào)內(nèi)存和一級緩存之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，其速度比一級緩存大得多。L3緩存則是為了增加L2緩存中數(shù)據(jù)讀取的命中率而增加的部分，其速度最快，其容量同時(shí)也是衡量多核處理器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.3.4 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是電腦的底層軟件程序，其功能主要是對計(jì)算機(jī)所需計(jì)算任務(wù)進(jìn)行流程規(guī)劃、調(diào)度、中斷。單核處理器由于進(jìn)程的限制，對于操作系統(tǒng)中斷的要求不是很高，但是多核處理器的多重運(yùn)行機(jī)制則與單核處理器截然不同，同時(shí)對于同步與互斥問題也需要考慮。

2.3.5 低功耗

多核處理器核心的增加必然會帶來功耗和熱量的成倍增加，一方面，功耗過大會導(dǎo)致移動(dòng)設(shè)備的工作時(shí)間降低，另外，熱量過多也會導(dǎo)致運(yùn)算能力下降，這都會影響用戶體驗(yàn)，解決這些問題，這需要半導(dǎo)體工藝不斷進(jìn)步。

3 結(jié)語

處理器是計(jì)算機(jī)的核心，進(jìn)入到21世紀(jì)這個(gè)信息大爆炸的年代，計(jì)算機(jī)需要處理的信息量呈指數(shù)增加，原有的單核處理器逐漸被多核處理器所取代。多核處理器的性能具有無線的想象力，在今后，其核心數(shù)還會繼續(xù)增加，在2020年，桌面級處理器的核心數(shù)將達(dá)到24或32核心，計(jì)算機(jī)能力將會比現(xiàn)在提升一個(gè)數(shù)量級。然而，多核處理器的進(jìn)步也需要計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、軟件、制程工藝、計(jì)算機(jī)其它硬件設(shè)備的配合，這個(gè)龐大的體系化任務(wù)還有待繼續(xù)研究。

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