CPU從單核到多核的過渡

　　正當雙核、四核處理器風頭正勁的時候，我們不竟會問，為什么要從單核過渡到雙核、四核，甚至是更多的核心?然而這樣在CPU內集成多個核心，究竟能給我們帶來什么?

　　在多核不斷的發(fā)展下，英特爾也給出了一個答案-萬億級計算(結構)。它將實現(xiàn)80個內核，256GB/s的移動運算，1萬億次的運算功耗為98W。

　　在2010年或者更遠，萬億次計算產品問世的時候，人們可以看到每個核是具有一定程度的超線程能力，比如說每個核能夠處理四條線程。因為如果讓每個核都具有多線程的能力，便能讓緩存帶寬應用發(fā)揮得更加充分、未來人們會看在一個系統(tǒng)當中，在一個處理器當中會有不同類型的核，在萬億次級計算的處理器當中，雖然所有的核在架構上都具有兼容性，但這絕不意味著所有核都是相同的，英特爾一定會對不同核做專門任務的分配。比如有一些核是做了媒體和圖形功能增強的，有一些核是做網絡和通信功能增強的，還有一些核是負責安全。但是它們會共享同一套指令組和共同的架構的基礎，這樣的一個設計對于編程工作來說，可以讓編程變得盡可能簡單和具有前后一致性。

　　那么，多核化趨勢正在改變IT計算的面貌。跟傳統(tǒng)的單核CPU相比，多核CPU帶來了更強的并行處理能力、更高的計算密度和更低的時鐘頻率，并大大減少了散熱和功耗。目前，在幾大主要芯片廠商的產品線中，雙核、四核甚至八核CPU已經占據了主要地位。下面就讓我們來看看為什么CPU內會有更多的核心出現(xiàn)，以及越來越來多的核心數(shù)量究竟可以有對我們最終使用有多大的提升?(以下文章摘自博客@英特爾中國)

　　為什么微處理器要從單核轉向多核?

　　自從英特爾在2005年推出了第一代雙核處理器之后，我們經常會被用戶問到這個問題，為什么微處理要從單核轉向多核?計算機上不斷涌現(xiàn)的新興使用模式讓最終用戶對處理器的處理能力——即性能——提出了更高的要求，并且對性能每年提高的幅度還在不斷加速，而多核技術是目前行之有效的方法。

　　如何將處理器性能提高10倍——采用多核技術

　　為什么不能用單核的設計達到用戶對處理器性能不斷提高的要求呢?答案是功耗問題限制了單核處理器不斷提高性能的發(fā)展途徑。

　　作為計算機核心的處理器就是將輸入的數(shù)字化的數(shù)據和信息，進行加工和處理，然后將結果輸出。假定計算機的其他子系統(tǒng)不存在瓶頸的話，那么影響計算機性能高低的核心部件就是處理器。反映在指令上就是處理器執(zhí)行指令的效率。

　　處理器性能 = 主頻 x IPC

　　從上面的公式可以看出，衡量處理器性能的主要指標是每個時鐘周期內可以執(zhí)行的指令數(shù)(IPC: Instruction Per Clock)和處理器的主頻。其實頻率就是每秒鐘做周期性變化的次數(shù)，1秒鐘只有1次時鐘周期的改變叫1Hz(赫茲)。主頻為1GHz 就是1秒鐘有10億個時鐘周期。

　　因此，提高處理器性能就是兩個途徑：提高主頻和提高每個時鐘周期內執(zhí)行的指令數(shù)(IPC)。處理器微架構的變化可以改變IPC，效率更高的微架構可以提高IPC從而提高處理器的性能。但是，對于同一代的架構，改良架構來提高IPC的幅度是非常有限的，所以在單核處理器時代通過提高處理器的主頻來提高性能就成了唯一的手段。

　　不幸的是，給處理器提高主頻不是沒有止境的，從下面的推導中可以看出，處理器的功耗和處理器內部的電流、電壓的平方和主頻成正比，而主頻和電壓成正比。

　　因為：“處理器功耗 正比于 電流x 電壓x 電壓x 主頻”，“主頻 正比于 電壓”

　　所以：“處理器功耗 正比于 主頻的三次方”

　　如果通過提高主頻來提高處理器的性能，就會使處理器的功耗以指數(shù)(三次方)而非線性(一次方)的速度急劇上升，很快就會觸及所謂的“頻率的墻”(frequency wall)。過快的能耗上升，使得業(yè)界的多數(shù)廠商尋找另外一個提高處理器性能的因子，提高IPC。

　　提高IPC可以通過提高指令執(zhí)行的并行度來實現(xiàn)，而提高并行度有兩種途徑：一是提高處理器微架構的并行度;二是采用多核架構。

　　在采用同樣的微架構的情況下，為了達到處理器IPC的目的，我們可以采用多核的方法，同時有效地控制功耗的急劇上升。為什么?看看下面的推導。

　　因為：“處理器功耗 正比于 電流x 電壓 x 電壓 x 主頻”，“IPC 正比于 電流”

　　所以：“處理器功耗 正比于 IPC”

　　由單核處理器增加到雙核處理器，如果主頻不變的話，IPC理論上可以提高一倍，功耗理論上也就最多提高一倍，因為功耗的增加是線性的。而實際情況是，雙核處理器性能達到單核處理器同等性能的時候，前者的主頻可以更低，因此功耗的下降也是指數(shù)方(三次方)下降的。反映到產品中就是雙核處理器的起跳主頻可以比單核處理器更低，性能更好。

　　由此可見，將來處理器發(fā)展的趨勢是：為了達到更高的性能，在采用相同微架構的情況下，可以增加處理器的內核數(shù)量同時維持較低的主頻。這樣設計的效果是，更多的并行提高IPC，較低的主頻有效地控制了功耗的上升。

　　除了多核技術的運用，采用更先進的高能效微架構可以進一步提高IPC和降低功耗——即提高能效?；谟⑻貭?酷睿? 架構的英特爾? 酷睿? 2 雙核處理器和至強處理器就是現(xiàn)實中的例子。相比英特爾前一代的NetBurst 微架構(Intel? Pentium? 4 和Pentium? D)，酷睿微架構采用的英特爾? 寬區(qū)動態(tài)執(zhí)行引擎和英特爾? 高級數(shù)字媒體增強技術，就是提高IPC的創(chuàng)新技術;英特爾? 智能功率特性則是降低微架構功耗的技術。