多核引领计算机架构质变

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇多核引领计算机架构质变范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

（汪东升）计算机正在从以“计算”为核心向以“存储”为核心转变。多核处理器适应并引领了这一趋势的发展。

广义上讲，IT一般包含计算、通信和存储三个主要领域。从近20年来处理器技术发展历程可以看出，推动其性能不断提高的因素主要有两个: 半导体工艺技术的飞速进步和体系结构的不断发展。半导体工艺技术的每一次进步都为微处理器体系结构的研究提出了新的问题，也开辟了新的领域; 体系结构的进展又在半导体工艺技术发展的基础上进一步提高了微处理器的性能。这两个因素是相互影响，相互促进的。但是随着摩尔定律的不断延伸，受到能耗、存储性能和指令集并行度诸多因素的限制，对计算机系统结构提出了新的挑战。

多核是处理器发展的

必然趋势

经过多年的发展，目前通用微处理器的主频已经突破了4GHz，数据宽度也达到甚至超过64位。在制造工艺方面也同样以惊人的速度在发展英特尔已经推出了具有革命性技术的45nm工艺系列产品Penryn。到2

0年左右，芯片上集成的晶体管数目将超过10亿个。如何有效地利用数目众多的晶体管开发出效能更高的处理器是目前国际上的研究热点。

多核通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核充分利用这些晶体管资源，发挥其最大的能效。这主要因为: （1）当芯片的制造工艺达到0.18微米甚至更小时，线延迟已经超过门延迟，成为限制电路性能提高的主要因素; 在这种情况下，由于多核处理器的分布式结构中全局信号较少，与集中式结构的超标量处理器结构相比，在克服线延迟影响方面更具优势; （2）按照Pollack规则，处理器性能的提升与其复杂性的平方根成正比，如果一个处理器的硬件逻辑提高一倍，至多能提高性能40％，而如果采用两个简单的处理器构成一个相同硬件规模的双核处理器，则可以获得70％～80％的性能提升，同时在面积上也同比缩小; （3）多核处理器通过关闭（或降频）一些处理器核等多层次低功耗调度技术，可以有效地降低能耗; （4）多核处理器通过处理器IP等的复用，可以极大降低设计的成本。同时模块的验证成本也显著下降。

同时，多核处理器还能充分利用不同应用的指令级并行和线程级并行。具有较高线程级并行性的应用如数据库等商业应用可以很好地利用这种结构来提高性能。多核处理器已经成为处理器体系结构发展的必然。

软件与系统带宽是发展瓶颈

多核处理器的概念其实不难理解，但是多核处理器的研究还是一个崭新的课题。比如多核处理器的体系结构、核的粒度选择与核间互连通信技术、存储层次与优化技术、Cache一致性协议、OS的支持与编译技术、并行编程模型、多核的设计、验证与调试技术等等。

总的来说，多核处理器的硬件结构不是十分复杂，多核的研究焦点还在于多核的软件支持和多核处理器的带宽问题。随着构成多核处理器核心数目的不断扩大，为了多核计算机系统性能的提高和可靠性的增长需求，研究开发新型软件编程模型的工作显得格外重要。在目前情况下，多核应用开发工具和平台的研发尤为迫切。这主要包括: 智能的优化编译器、程序调试工具、性能监测和调协工具、并行编程环境、能耗调度问题等等。

不难看出，多核处理器是处理器发展的必然趋势。无论是移动/嵌入式应用、桌面应用还是服务器应用，都将采用多核的架构。但从目前来看，一些桌面应用尚不支持多线程，编程模型的限制和应用开发工具的不成熟，还在一定程度上限制着多核处理器效能的充分发挥。

“以人为本”的计算需求，建立和谐的人机交互环境是现代社会应用需求的显著特点。尽管多核处理器在媒体计算、人机交互等应用中发挥了其性能的优势，但在IO带宽等方面依然存在瓶颈。

网络时代的

计算机系统结构

历史上，通常将“计算机系统结构”课程当成硬件课程。搞系统结构的人自然就归类为搞“硬件”的人。今天看这种说法是错误的。其实“计算机系统结构”是一门研究“系统”的课程。传统上的硬件如处理器芯片也属于系统，更不用说SoC芯片了。未来的“计算机系统结构”除了包含硬件，还包括软件、系统应用和算法等等。按图灵奖获得者Michael J. Flynn的说法，“计算机系统结构”是将可能的现有技术与机器实现结合起来，以实现给定成本下的最优化系统的一门艺术。其实，多核时代的“计算机系统结构”最关注的不是硬件，而是软件，准确地说，是系统的完整解决方案。

经典的所谓“冯.诺伊曼”计算机是以运算器为核心的，而目前所谓的“冯.诺伊曼”计算机则是以存储器为中心。随着网络技术的不断发展和虚拟化技术的进步，Sun公司早期提出的“网络就是计算机”的口号逐渐得到认可。在此前提下，所谓的计算机系统就是Internet系统。与传统的单计算机系统相比，目前研究的重点也从传统的注重“计算”，逐渐转移到以“数据（存储）”为中心。其实对数据的重视就是“以人为本”的重要体现。如此说来，Internet上的计算机终端就变成了今天的“外设”了。

网络时代的计算机系统将采用移动通信领域的“运营”思想，“漫游”技术，提供按需定制的计算服务、存储服务和软件服务（SaaS）。人们利用笔记本电脑、桌面电脑、掌上电脑甚至手机等终端将可以通过网络按需享受同样的服务。

展望2008年，4核和8核应用将逐步得以普及，单核处理器即将退出历史舞台。虚拟化、网格、P2P和存储等技术的发展和应用将会使人们对“计算机系统结构”概念有更新和更深入的理解。

作者介绍

汪东升博士，清华大学计算机系教授，博士生导师。清华大学CPU与SoC中心主任。CCF高级会员，YOCSEF AC委员。国际学术期刊《international journal on embedded systems(EURASIP JES)》副主编。

核心观点:经典的所谓“冯•诺伊曼”计算机是以运算器为核心的，而目前所谓的“冯•诺伊曼”计算机则是以存储器为中心。