多核处理器的发展前景和存在问题综述

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1、多核处理器的发展前景和存在问题综述目录1.概述22.处理器的发展趋势22.1　从单核到多核32.2　同构多处理器与异构多处理器32.3　多核处理器发展面临的挑战42.4　多核与多线程技术43.多核处理器的高速缓存一致性问题43.1　增强一致性的基本方案53.2　目录式Proximity-aware协议54.多核加速串行程序的主要方法84.1并行编译器84.2推测多线程94.3基于线程的预执行机制105.总结101.概述在过去的几十年时间里,处理器的性能一直按照莫尔定律在发展。提高处理器性能的基本方法就是不断提升主频。从初期的几十MHz到不久前IBM的Power6达到了4.75GHz，设计人员

2、甚至想过提升到7G～8GHz。不过，进入2002年以来，CPU提升主频的困难越来越大，因为主频的提升带来了散热和功耗的大幅增加等问题。在几年前，英特尔和AMD都调整了研究方向，开始研究在同一CPU中放置多个执行内核。说到底，出现多核处理器的最根本原因是人们对计算能力永无止境的追求。尽管这些年来，处理器从来没有停止过前进的脚步，但每一次性能的突破，换来的只是对更高性能的需求，特别是在油气勘探、气象预报、虚拟现实、人工智能等高度依赖于计算能力的场合，对性能的渴求更加迫切。既然单处理器的发展已经到了瓶颈，而多核将会引领以后处理器发展的潮流，那么我们就看看多核处理器带给我们什么样的性能提升，多核处理

3、器要全面应用到各个领域所需解决的问题。多核的好处非常明显。首先，由于是多个执行内核可以同时进行运算，因此可以显著提升计算能力，而每个内核的主频可以比以前低，因而总体功耗增加不大。其次，与多CPU相比，多核处理器采用与单CPU相同的硬件架构，用户在提升计算能力的同时无需进行任何硬件上的改变，这对用户来说非常方便。然而，多核处理器要发挥它的作用必须要解决许多问题，不像CPU的频率提升，无论如何你都可以从中受益，要从多核处理器中受益，首先在设计多核处理器时，要注意不同核心之间的通信与数据的一致性，另外，在软件层次上也需要对多核进行改进，以充分利用多核的性能。本文结合了几篇最新的多核方面的论文和一些

4、网上评论，从处理器的发展趋势，前景以及存在的挑战几个方面介绍了多核的相关问题。文章第二部分主要介绍处理器的发展趋势，第三部分主要阐述多核的一个关键问题高速缓存一致性已经如何通过预取来提高带宽，第四部分主要阐述多核在提高串行程序性能方面的作用。2.处理器的发展趋势2.1　从单核到多核10年前的Intel推出的Pentium系列处理器的时候，以0.35微米的制程制造出来的100mhz左右的处理器，频率仅为10多瓦，如果按照理想的产品模型来计算，现在高达3G的奔腾D处理器功率也应该在十几瓦，可实际情况是，其功率已经达到了惊人的100瓦，这还只是普通的台式机所使用的CPU。同时，Intel以前也曾承

5、认最近几年每代处理器架构，其晶体管数目以2～3倍的数量在增加，而性能提升不超过一倍，如果照此下去，继续增加晶体管数量来提高CPU的性能，每一代CPU的功率就要提高约50%。从技术上来说，单核心处理器的已经不能满足日益增长的对性能的要求了，多核心处理器也便越来越受到大家的青睐。随着晶体管数量的增加，功率也会同比增加，性能却不能同比增加，可以说是得不偿失，但是如果我们把同样数量的处理器集合在一起，虽然功率仍会同比增加，性能却也能够同比增加，而且事实上，CPU并不都是满载运行的，我们可以通过技术，动态调整电压、频率，控制某一颗核心的开关，一般使用中，可以把功率降低，当工作负荷较大的时候，打开所有的

6、核心，全负荷的投入工作，这种控制方法，能够让多核心处理器智能的“控制功率”[1]。因此，为了在实际工作中能够获得更高性能的处理器，多核心处理器可能是我们唯一的选择，多核心也将取代单核心处理器，成为未来处理器发展的趋势。多核处理器(Multi-coreprocessor)是指在一块处理器芯片中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。多核处理器具有控制逻辑简单、高主频、低通信延迟、低功耗、设计和验证周期短等优点。从单核（Single-core）到多核(Multi-core)，不仅仅是处理器核心的数量的增多，对处理器体系架构，计算机整体架构，I/O到操作系统、应用软件提出巨大的挑战。2.2　同构多处

7、理器与异构多处理器多核处理器的实质是在同一芯片中集成很多同样的处理核。这一方法降低了设计的复杂性，减小了处理节点，并成为多核处理器发展的一种趋势。多核处理器从结构上可以分为同构(homogenous)和异构(Heterogeneous)。在同构多核结构中，每个核都是一样的，所处的地位相同；而在异构多核结构中，每个核不都是一样的，而且每个核完成的功能都不同，例如有主要处理计算的，有负责图形加速的(GPU—Gra