計算機多核處理器技術探究

張登杰

摘 要：隨著計算機技術、半導體材料制造和納米工藝的不斷發展，計算機處理器已經成為各領域計算機應用不可或缺的重要部件，被稱為“計算機的大腦”。處理器是計算機完成計算能力和協調控制各部件運作的核心，但是隨著計算機所需處理數據量的大幅增加，原有的單核處理器已經顯現出很大的局限性，擁有多個核心的多核處理器應運而生，同時多核處理器也成為了計算機領域研究的重點。本文從計算機處理器的概況講起，著重分析了多核處理器的各項技術，并對計算機多核化的未來發展進行了展望。

關鍵詞：CPU；處理器；多核

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

1 計算機處理器

1.1 計算機處理器概況

在電子信息科技高度發達的現代化社會中，計算機作為一種高級計算工具已經應用到人類生產生活中的各個領域，其被稱為二十世紀最偉大的發明之一。和人類擁有聰明的大腦一樣，計算機也有自己的處理核心——中央處理器。計算機的工作過程就是計算機執行程序的過程。程序是一個指令序列，這個序列明確告訴計算機應該執行什么操作，在什么地方能夠找到用來操作的數據。計算機中央處理器（Central Processing Unit，CPU）是自動取出計算機指令并計算執行的部件，是計算機運算和控制的核心。早期的CPU通常是為大型、特定的應用而定制的。目前，這種為特定應用而設計定制CPU的昂貴方法，很大程度上已經讓位于開發可大規模生產的通用處理器。這種標準化趨勢，大致始于分立晶體管大型計算機和小型計算機年代，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雜的CPU設計制造在很小的空間里。現代微處理器已經隨處可見，從汽車到手機，甚至兒童玩具都離不開各種規格的中央處理器。

1.2 CPU的結構和功能

為了實現完成的運算功能，計算機處理區由控制單元、運算單元和存儲單元構成。控制單元模塊是中央處理器的運行指揮調度中心，由各種寄存器和控制器組成，主要起到預編譯和多進程（線程）調度；運算單元是CPU的計算核心，其可以進行算數運算（加、減、乘、除、取余等）和邏輯運算（和、或、異或、大于小于等），在進行具體計算任務時，需要受到控制器的調控，以確保其高效工作，各種運算互不干擾；存儲單元由CPU的寄存器和緩存組成，CPU在進行各種運算的過程中必不可少地需要暫時存儲一些數據，而存儲單元則提供了快速存取的功能。其結構和工作原理可由圖1簡單說明。

結合CPU的結構和工作原理，可知其在計算機運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，必須嚴格按程序規定的順序執行。保證計算機按一定順序執行程序是CPU的首要任務。

1.2.2 操作控制

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

1.2.3 時間控制

時間控制就是對各種操作實施定時控制。在計算機中，各種指令的操作信號和一條指令的整個執行過程都受到嚴格定時。只有這樣，計算機才能有條不紊地工作。

1.2.4 數據加工

數據加工就是對數據進行算術、邏輯運算。完成數據的加工處理，是CPU的根本任務。

2 計算機處理器多核化技術

2.1 單核處理器的局限性

多核處理器由單核處理器發展而來，在21世紀之前，幾乎所有的計算機處理器都由單核處理器壟斷，一是因為當時的數據量和運算任務比較簡單，單核的性能已經足以應對各種運算，二是多核技術還不成熟，不成熟的多核處理器往往會導致運算混亂，從而導致系統錯誤，性能不升反降，多核處理器在當時大多只是芯片廠商的噱頭。在多核CPU應用之前，大多數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，隨著計算機移動化運行的趨勢不斷加深，芯片越來越朝著小型化方向發展，這導致了處理器上電路的集成度達到上限，單一提高頻率的方法已經沒有了進步的余地。另外，隨著電子信息領域的信息處理量成倍增長，單核處理器已經很難應對同時處理多個大型復雜程序的情況。同時，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。隨著計算需求的增多和復雜化，單核處理器的這些弊病已經不再適應計算機整體發展的需要。

2.2 多核處理器

將多個處理器封裝在一塊芯片上就構成了多核處理器（CMP，Chip of Multi-processor）。多核處理器最早在1996年被提出，美國計算機科學家首次提出多核這一架構和實現方式，由于這一思想太多超前，所以沒有受到足夠的重視。在21世紀初，美國公司IBM基于這一理論開發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。由于其優秀的性能和低廉的價格，多核處理器也逐漸取代單核處理器應用到個人電腦、工業計算機和各種嵌入式移動設備中。

在多核處理器研究領域中，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。CMP技術將一塊芯片作為載體，同時將多個單核處理器搭建在其中，對單個程序或多個程序分布式處理，從而提高計算速度；而SMT則是將一個程序的多個線程并行在一個核心上運行。不論是哪種模式，處理器的各個核心都是通過控制器外存儲器中的高級緩存進行通信交流，以便達到完美的配合。

2.3 多核處理器關鍵技術

2.3.1 核心結構

根據多核處理器中多個微處理器是否相同，多核處理器可以分為同構多核處理器和異構多核處理器，前者的多個核心相同，處理架構和性能相同，同時其多個處理器之間的地位平等，屬于同級關系。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揚，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 軟件執行模式

處理器核心數只是多核處理器的硬件基礎，一個好的處理器必須設計出完備的片上軟件系統，“好馬配好鞍”，只有良好軟件系統才能使處理器發揮出最大的性能。同時，系統軟件提供了多核處理器與軟件開發人員之間的接口，便于開發人員基于多核處理器開發各種功能。

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據，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構，目前主流的多核處理器大多采用三層緩存的結構：L1緩存、L2緩存和L3緩存。L1緩存充當內存和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緩存是為了協調內存和一級緩存之間的數據關系，其速度比一級緩存大得多。L3緩存則是為了增加L2緩存中數據讀取的命中率而增加的部分，其速度最快，其容量同時也是衡量多核處理器性能的關鍵指標。

2.3.4 操作系統

操作系統是電腦的底層軟件程序，其功能主要是對計算機所需計算任務進行流程規劃、調度、中斷。單核處理器由于進程的限制，對于操作系統中斷的要求不是很高，但是多核處理器的多重運行機制則與單核處理器截然不同，同時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，功耗過大會導致移動設備的工作時間降低，另外，熱量過多也會導致運算能力下降，這都會影響用戶體驗，解決這些問題，這需要半導體工藝不斷進步。

3 結語

處理器是計算機的核心，進入到21世紀這個信息大爆炸的年代，計算機需要處理的信息量呈指數增加，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，其核心數還會繼續增加，在2020年，桌面級處理器的核心數將達到24或32核心，計算機能力將會比現在提升一個數量級。然而，多核處理器的進步也需要計算機操作系統、軟件、制程工藝、計算機其它硬件設備的配合，這個龐大的體系化任務還有待繼續研究。

參考文獻

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