多線程處理器發(fā)展淺析

摘 要:本文著重于多線程處理器的發(fā)展前景，結(jié)合其硬件特點(diǎn)從物理核心作為分析入口，通過(guò)當(dāng)今多核心處理器產(chǎn)品實(shí)例的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)闡明超線程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞:多核心 處理器 多線程 超線程

中圖分類(lèi)號(hào):TP338文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)01(a)-0018-01

所謂多線程，就是一種基于計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的處理技術(shù)，是具備并行處理多任務(wù)處理能力的計(jì)算平臺(tái)。多線程技術(shù)也可以用于區(qū)別各種任務(wù)，以便分配給更多對(duì)時(shí)間比較敏感的流量的優(yōu)先權(quán)。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)基于硬件的多線程技術(shù)其實(shí)已經(jīng)存在了，如果用戶在日常工作中經(jīng)常接觸高性能的服務(wù)器、工作站，對(duì)于經(jīng)常使用的四路、八路、十六路甚至三十二路或者更多的處理組合，這就不是什么新的技術(shù)。通俗的講，就是利用多顆處理器搭建起來(lái)的計(jì)算平臺(tái)來(lái)處理多任務(wù)的多線程技術(shù)。處理器是獨(dú)立的，又通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從這看又是并行的處理結(jié)構(gòu)，并行的處理結(jié)構(gòu)能同時(shí)處理多個(gè)線程。

在20世紀(jì)后期，計(jì)算機(jī)平臺(tái)處理能力的基本單位是以處理器的顆數(shù)來(lái)決定的，一顆處理器只能達(dá)到處理一個(gè)線程的處理能力。在出現(xiàn)面向以工作站、服務(wù)器領(lǐng)域?yàn)楣ぷ髌脚_(tái)的系統(tǒng)軟件也是根據(jù)處理器的數(shù)量進(jìn)行分類(lèi)的，系統(tǒng)軟件也是以處理器的數(shù)量衡量性能。幾路處理器就需要安裝相應(yīng)的能支持處理器數(shù)量的系統(tǒng)軟件。為了能使處理器充分的榨取性能來(lái)數(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)了超線程技術(shù)。超線程技術(shù)就是把處理器空閑的資源加以充分利用，把單個(gè)處理器邏輯出多核處理器的方式工作，在運(yùn)行操作系統(tǒng)上會(huì)顯示出兩個(gè)或多個(gè)邏輯處理器讓操作系統(tǒng)調(diào)用，于是操作系統(tǒng)就能將多個(gè)指令、線程交送到處理器來(lái)處理，這也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩個(gè)或多個(gè)線程的并行處理。

進(jìn)入21世紀(jì)，出現(xiàn)了多線程處理器。英特爾公司、AMD公司等，早已把多線程技術(shù)引入服務(wù)器領(lǐng)域。目前硬件多線程已經(jīng)成為主流應(yīng)用，并越來(lái)越被視為處理器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最佳性能的有效方法。在一個(gè)支持超線程技術(shù)的平臺(tái)上，一顆處理器具備的計(jì)算能力是兩個(gè)線程，所以單顆處理器其實(shí)也已經(jīng)具備了一個(gè)雙線程的能力。最初，超線程的技術(shù)還是首先用在了服務(wù)器平臺(tái)上，但最眾所周知的具備超線程技術(shù)的處理器，就是曾經(jīng)劃時(shí)代的Inter奔騰Ⅳ產(chǎn)品線。在Inter奔騰Ⅳ大獲成功之后，處理器又開(kāi)始了一次更大的多核化變革，這次的變革不是發(fā)生在邏輯層次而是發(fā)生在物理層面上的變化。從Intel公司出品奔騰Ⅳ系列開(kāi)始，雙核心處理器逐漸嶄露頭角。此時(shí)的雙核心處理器在物理意義上就是兩個(gè)完整的處理核心封包在一個(gè)核心中，與雙路系統(tǒng)的兩顆完全分開(kāi)的物理處理器不同，這兩個(gè)完整的處理內(nèi)核并存在一個(gè)處理器的內(nèi)部，內(nèi)核之間通訊不再需要通過(guò)處理器外部的總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，雙核心的處理器也能夠完成對(duì)兩個(gè)指令的同時(shí)處理，也具備雙線程的處理能力，也就是雙核心、四線程的處理能力。

當(dāng)今，多核心處理器已在市面上完全普及起來(lái)。不論是Intel還是AMD，在他們的產(chǎn)品列表上，單核心的處理器型號(hào)甚至雙核處理器都已經(jīng)基本不見(jiàn)蹤跡，而與此同時(shí)，三核、四核、甚至六核都已經(jīng)面世，而且價(jià)格低廉。AMD最新曝光的“推土機(jī)”系列雙路32核心的平臺(tái)性能卓越，同雙核心處理器相同原理，四核心處理器就是把四個(gè)完整計(jì)算內(nèi)核整合到一個(gè)處理器當(dāng)中，每個(gè)核心都具有超線程的處理能力。而如果你是用四核心的處理器組成一個(gè)四路計(jì)算平臺(tái)的話，4×2×4=32個(gè)線程的處理能力，在打開(kāi)資源管理器的時(shí)候，看到32個(gè)線程同時(shí)工作的場(chǎng)景會(huì)是一件會(huì)令人向往的事情。

不過(guò)，也許你已經(jīng)注意到，在整合多核心的一段時(shí)間內(nèi)，超線程技術(shù)幾乎發(fā)生里停滯不前的狀況，在現(xiàn)在看多核心已經(jīng)成了當(dāng)今處理器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，衡量處理器處理能力首先關(guān)注核心數(shù)量，因此市面上也隨之出現(xiàn)了Inter、AMD的雙核心、三核心、四核心甚至六核心的處理器，AMD速龍ⅡX4系列就是四核心四線程，處于成本考慮精簡(jiǎn)了三級(jí)緩存，AMD中高端系列羿龍ⅡX4系列增加6M三級(jí)緩存，性能提升較為明顯，羿龍ⅡX6系列只是簡(jiǎn)單的由X4系列增加兩個(gè)物理核心而已，都是單線程多核心性能提升不明顯。所以AMD為了挽回高端處理器的頹勢(shì)，推出了推土機(jī)架構(gòu)的FX系列處理器，同樣也有高中低的策略，低端的FX-4系列擁有4核心、4M二級(jí)緩存、8M三級(jí)緩存，中端FX-6系列擁有6核心、6M二級(jí)緩存、8M三級(jí)緩存，高端FX-8系列擁有8核心、6M二級(jí)緩存、8M三級(jí)緩存，性能的提升還是以核心的數(shù)量來(lái)決定，同時(shí)緩存的增加也起到部分作用。

與此同時(shí)，Intel卻采用了截然不同的產(chǎn)品策略，也就是在發(fā)展核心數(shù)的同時(shí)，也在線程處理能力方面發(fā)力。本來(lái)超線程就是Intel的強(qiáng)項(xiàng)。于是，在新的處理器微架構(gòu)Nehalem下，超線程技術(shù)又回來(lái)了，從低端的入門(mén)酷睿i3系列，雙核心四線程處理器，性能直逼AMD羿龍ⅡX4系列四核四線程處理器，高端的最新的酷睿i7 990X、800這兩個(gè)產(chǎn)品系列，酷睿800系列不僅僅物理上是四核心，而且同時(shí)支持更新一代的超線程技術(shù)，也就是說(shuō)，同時(shí)具備了8線程的處理能力，酷睿i990X性能更加強(qiáng)勁六核心12線程，其性能完全打敗AMD量產(chǎn)的高端系列。

多線程、超線程核心功耗:處理器發(fā)展階段中一個(gè)無(wú)法避免的問(wèn)題就是功耗。在單核心的年代，談不上多核心、多線程技術(shù)，要想要提升處理器性能最簡(jiǎn)單的方法，就是超頻，人為的提高處理器的頻率，就需要提高電壓使超頻的處理器穩(wěn)定的工作，處理器有個(gè)天生的缺陷就是漏電，電壓升高漏電更加明顯，處理器有相當(dāng)一部分電流損耗在漏電產(chǎn)生的熱量，這種熱量、功耗對(duì)散熱帶來(lái)的壓力已不容忽視。處理器的頻率已經(jīng)到達(dá)極限，頻率越高、電壓越高漏電損耗越明顯。這個(gè)階段多核心、多線成了解決處理器瓶頸的最佳技術(shù)。功耗是衡量處理器綜合性能的主要指標(biāo)之一，作為綜合衡量線程、核心、功耗這三者關(guān)系的一個(gè)指標(biāo)，由于物理核心的增加帶來(lái)的功耗的提升，部分處理器達(dá)到130W的高功率，發(fā)熱量不可避免的劇增。功耗的大幅度提升是多線程、多核心處理器發(fā)展新面臨的技術(shù)問(wèn)題。四核心處理器的功耗自然要比雙核心的產(chǎn)品在滿載的工作狀態(tài)時(shí)要高上幾十瓦。而超線程技術(shù)顯然在目前階段會(huì)更勝一籌，因?yàn)槌€程技術(shù)是通過(guò)充分利用每個(gè)處理器內(nèi)核資源來(lái)提高并行處理能力，所以對(duì)處理器并不產(chǎn)生額外的供電及散熱，也就輕松減輕了功耗壓力。從處理器利用率、功耗來(lái)看，支持超線程技術(shù)的多核處理器確實(shí)令人期待。

結(jié)論:隨著對(duì)計(jì)算機(jī)處理速度的追求越來(lái)越高，通過(guò)增加多核心、多線程的技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今處理器技術(shù)的主流。我認(rèn)為處理器的發(fā)展功耗是最大的發(fā)展瓶頸，超線程技術(shù)在在不增加核心的數(shù)量能充分發(fā)揮處理器性能。超線程技術(shù)將成為今后處理器的發(fā)展過(guò)程中不可缺少的技術(shù)。