计算机多核处理器技术探究

张登杰

摘 要：随着计算机技术、半导体材料制造和纳米工艺的不断发展，计算机处理器已经成为各领域计算机应用不可或缺的重要部件，被称为“计算机的大脑”。处理器是计算机完成计算能力和协调控制各部件运作的核心，但是随着计算机所需处理数据量的大幅增加，原有的单核处理器已经显现出很大的局限性，拥有多个核心的多核处理器应运而生，同时多核处理器也成为了计算机领域研究的重点。本文从计算机处理器的概况讲起，着重分析了多核处理器的各项技术，并对计算机多核化的未来发展进行了展望。

关键词：CPU；处理器；多核

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0009-02

1 计算机处理器

1.1 计算机处理器概况

在电子信息科技高度发达的现代化社会中，计算机作为一种高级计算工具已经应用到人类生产生活中的各个领域，其被称为二十世纪最伟大的发明之一。和人类拥有聪明的大脑一样，计算机也有自己的处理核心——中央处理器。计算机的工作过程就是计算机执行程序的过程。程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方能够找到用来操作的数据。计算机中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是自动取出计算机指令并计算执行的部件，是计算机运算和控制的核心。早期的CPU通常是为大型、特定的应用而定制的。目前，这种为特定应用而设计定制CPU的昂贵方法，很大程度上已经让位于开发可大规模生产的通用处理器。这种标准化趋势，大致始于分立晶体管大型计算机和小型计算机年代，并且随着集成电路的普及而大大加速。集成电路可以把日益复杂的CPU设计制造在很小的空间里。现代微处理器已经随处可见，从汽车到手机，甚至儿童玩具都离不开各种规格的中央处理器。

1.2 CPU的结构和功能

为了实现完成的运算功能，计算机处理区由控制单元、运算单元和存储单元构成。控制单元模块是中央处理器的运行指挥调度中心，由各种寄存器和控制器组成，主要起到预编译和多进程（线程）调度；运算单元是CPU的计算核心，其可以进行算数运算（加、减、乘、除、取余等）和逻辑运算（和、或、异或、大于小于等），在进行具体计算任务时，需要受到控制器的调控，以确保其高效工作，各种运算互不干扰；存储单元由CPU的寄存器和缓存组成，CPU在进行各种运算的过程中必不可少地需要暂时存储一些数据，而存储单元则提供了快速存取的功能。其结构和工作原理可由图1简单说明。

结合CPU的结构和工作原理，可知其在计算机运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执行顺序。程序是指令的有序集合，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定的顺序执行。保证计算机按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。

1.2.2 操作控制

操作控制就是控制指令进行操作。一条指令的功能往往由若干个操作信号的组合来实现。因此，CPU管理并产生每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行操作。

1.2.3 时间控制

时间控制就是对各种操作实施定时控制。在计算机中，各种指令的操作信号和一条指令的整个执行过程都受到严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地工作。

1.2.4 数据加工

数据加工就是对数据进行算术、逻辑运算。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务。

2 计算机处理器多核化技术

2.1 单核处理器的局限性

多核处理器由单核处理器发展而来，在21世纪之前，几乎所有的计算机处理器都由单核处理器垄断，一是因为当时的数据量和运算任务比较简单，单核的性能已经足以应对各种运算，二是多核技术还不成熟，不成熟的多核处理器往往会导致运算混亂，从而导致系统错误，性能不升反降，多核处理器在当时大多只是芯片厂商的噱头。在多核CPU应用之前，大多数芯片厂家只能通过提高单核处理器的主频来提高处理器的性能，然而，随着计算机移动化运行的趋势不断加深，芯片越来越朝着小型化方向发展，这导致了处理器上电路的集成度达到上限，单一提高频率的方法已经没有了进步的余地。另外，随着电子信息领域的信息处理量成倍增长，单核处理器已经很难应对同时处理多个大型复杂程序的情况。同时，单核处理器还存在处理带宽受限、信号集成度不足、信号延迟较大和线程不同步等缺陷。随着计算需求的增多和复杂化，单核处理器的这些弊病已经不再适应计算机整体发展的需要。

2.2 多核处理器

将多个处理器封装在一块芯片上就构成了多核处理器（CMP，Chip of Multi-processor）。多核处理器最早在1996年被提出，美国计算机科学家首次提出多核这一架构和实现方式，由于这一思想太多超前，所以没有受到足够的重视。在21世纪初，美国公司IBM基于这一理论开发出世界上第一款多核处理器，代号POWER4，开启了多核处理器的新纪元。2000年之后，全球芯片厂商都开始研究和制造多核处理器，这其中最著名的包括Intel和AMD公司。由于其优秀的性能和低廉的价格，多核处理器也逐渐取代单核处理器应用到个人电脑、工业计算机和各种嵌入式移动设备中。

在多核处理器研究领域中，目前主要有两大分支。除了单芯片多核处理器（CMP）之外，还有比较通用的同步多线程处理器（SMT）技术。CMP技术将一块芯片作为载体，同时将多个单核处理器搭建在其中，对单个程序或多个程序分布式处理，从而提高计算速度；而SMT则是将一个程序的多个线程并行在一个核心上运行。不论是哪种模式，处理器的各个核心都是通过控制器外存储器中的高级缓存进行通信交流，以便达到完美的配合。

2.3 多核处理器关键技术

2.3.1 核心结构

根据多核处理器中多个微处理器是否相同，多核處理器可以分为同构多核处理器和异构多核处理器，前者的多个核心相同，处理架构和性能相同，同时其多个处理器之间的地位平等，属于同级关系。而后者则是层级不同，在若干核心间存在主核。多核处理器是对单核处理器的继承和发扬，所以单核的性能和核心间通信直接影响到多核处理器性能的发挥，并且多核的加速比也受到单核串行部分性能的影响。

2.3.2 软件执行模式

处理器核心数只是多核处理器的硬件基础，一个好的处理器必须设计出完备的片上软件系统，“好马配好鞍”，只有良好软件系统才能使处理器发挥出最大的性能。同时，系统软件提供了多核处理器与软件开发人员之间的接口，便于开发人员基于多核处理器开发各种功能。

2.3.3 缓存层次

和单核处理器类似，为了快速地存储各种数据，多核处理器同样也对缓存有着极高的要求。为此，多核处理器开辟了多层缓存的结构，目前主流的多核处理器大多采用三层缓存的结构：L1缓存、L2缓存和L3缓存。L1缓存充当内存和CPU之间沟通的桥梁，但是由于芯片的大小限制，L1缓存一般很小。L2缓存是为了协调内存和一级缓存之间的数据关系，其速度比一级缓存大得多。L3缓存则是为了增加L2缓存中数据读取的命中率而增加的部分，其速度最快，其容量同时也是衡量多核处理器性能的关键指标。

2.3.4 操作系统

操作系统是电脑的底层软件程序，其功能主要是对计算机所需计算任务进行流程规划、调度、中断。单核处理器由于进程的限制，对于操作系统中断的要求不是很高，但是多核处理器的多重运行机制则与单核处理器截然不同，同时对于同步与互斥问题也需要考虑。

2.3.5 低功耗

多核处理器核心的增加必然会带来功耗和热量的成倍增加，一方面，功耗过大会导致移动设备的工作时间降低，另外，热量过多也会导致运算能力下降，这都会影响用户体验，解决这些问题，这需要半导体工艺不断进步。

3 结语

处理器是计算机的核心，进入到21世纪这个信息大爆炸的年代，计算机需要处理的信息量呈指数增加，原有的单核处理器逐渐被多核处理器所取代。多核处理器的性能具有无线的想象力，在今后，其核心数还会继续增加，在2020年，桌面级处理器的核心数将达到24或32核心，计算机能力将会比现在提升一个数量级。然而，多核处理器的进步也需要计算机操作系统、软件、制程工艺、计算机其它硬件设备的配合，这个庞大的体系化任务还有待继续研究。

参考文献

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