處理器史話 | 多核MCU的出路在哪里？

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早在 2009 年初，IDC 發(fā)布的預(yù)測(cè)：到 2009 年，幾乎所有服務(wù)器、PC 和筆記本電腦產(chǎn)品將全面實(shí)現(xiàn)多核化。雖然事實(shí)的發(fā)展再次驗(yàn)證了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，但是實(shí)際情況有了新的變化。隨著這些硬件產(chǎn)品在多核技術(shù)上的逐漸就緒，整個(gè) IT 業(yè)界面臨的最大挑戰(zhàn)：如何將原先僅用于高端應(yīng)用開發(fā)的并行編程方式推廣到所有軟件開發(fā)的過(guò)程中，以打造出更多支持多線程并行化運(yùn)行的應(yīng)用軟件——尤其是處于關(guān)鍵地位的中間件，全面釋放多核處理器的性能潛力。

為什么會(huì)是這樣的結(jié)果呢？

原因是這樣的：當(dāng)時(shí)的中間件產(chǎn)品，盡管大部分都是基于多線程或者多進(jìn)程的，但是由于傳統(tǒng)單線程編程的思維定勢(shì)以及開發(fā)語(yǔ)言和工具的限制，使得軟件應(yīng)用限制了多核處理器性能的發(fā)揮。對(duì)此，前微軟首席研究官 Craig Mundie 稱：“軟件行業(yè)所面臨的核心挑戰(zhàn)就是對(duì)多核處理器的編程”。

前微軟首席研究官 Craig Mundie

相比 C/C++ 程序員而言，利用 Java 編寫多線程應(yīng)用已經(jīng)簡(jiǎn)單了很多。然而，多線程程序想要達(dá)到高性能仍然不是一件容易的事情。當(dāng) CPU 進(jìn)入多核時(shí)代之后，軟件的性能調(diào)優(yōu)，已經(jīng)不再是一件簡(jiǎn)單的事情，沒有并行化的程序在新的硬件上可能會(huì)運(yùn)行得比從前更慢。

為此，支持多核技術(shù)的操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，專門為充分利用多個(gè)處理器而設(shè)計(jì)，并且無(wú)需修改就可運(yùn)行。為了充分利用多核技術(shù)，應(yīng)用開發(fā)人員需要在程序設(shè)計(jì)中融入更多思路，但設(shè)計(jì)流程與目前對(duì)稱多處理 (SMP，Symmetrical Multi-Processing) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程相同，并且現(xiàn)有的單線程應(yīng)用也將繼續(xù)運(yùn)行。得益于線程技術(shù)的應(yīng)用在多核處理器上運(yùn)行時(shí)將顯示出卓越的性能可擴(kuò)充性，此類軟件包括多媒體應(yīng)用(內(nèi)容創(chuàng)建、編輯，以及本地和數(shù)據(jù)流回放)、工程和其他技術(shù)計(jì)算應(yīng)用以及諸如應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等中間層與后層服務(wù)器應(yīng)用。

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1. 多核處理器的主要優(yōu)點(diǎn)
多核處理器主要具有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：

(1)控制邏輯簡(jiǎn)單
相對(duì)超標(biāo)量微處理器結(jié)構(gòu)和超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)而言，單芯片多處理器結(jié)構(gòu)的控制邏輯復(fù)雜性要明顯低很多。相應(yīng)的單芯片多處理器的硬件實(shí)現(xiàn)必然要簡(jiǎn)單得多。

(2)高主頻
由于單芯片多處理器結(jié)構(gòu)的控制邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，包含極少的全局信號(hào)，因此線延遲對(duì)其影響比較小，因此，在同等工藝條件下，單芯片多處理器的硬件實(shí)現(xiàn)要獲得比超標(biāo)量微處理器和超長(zhǎng)指令字微處理器更高的工作頻率。

(3)低通信延遲
由于多個(gè)處理器集成在一塊芯片上，且采用共享 Cache 或者內(nèi)存的方式，多線程的通信延遲會(huì)明顯降低，這樣也對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)提出了更高的要求。
(4)低功耗
通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓 / 頻率、負(fù)載優(yōu)化分布等，可有效降低 CMP 功耗。

(5)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期短
微處理器廠商一般采用現(xiàn)有的成熟單核處理器作為處理器核心，從而可縮短設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期，節(jié)省研發(fā)成本。

2. 多核處理已成為主流
不管是通用的微處理器，還是專用微處理器，乃至異構(gòu)微處理器，都已經(jīng)進(jìn)入多核時(shí)代，通過(guò)多核技術(shù)提高處理能力，同時(shí)降低電能消耗已成為微處理器的必然選擇。

隨著半導(dǎo)體細(xì)微化進(jìn)程，提高芯片性能和減少電能消耗成為一對(duì)矛盾。之前的單核處理器主要通過(guò)提高指令的并行運(yùn)算速度來(lái)提高器件性能，這些復(fù)雜的計(jì)算處理耗用大量晶體管資源，使得微處理器在電能的消耗上一直無(wú)法降低，而多核結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)減少并行處理，適當(dāng)?shù)亟档兔總€(gè)核的工作強(qiáng)度來(lái)降低整個(gè)處理器的耗電。

下面的兩個(gè)表格，分別為各芯片廠商已經(jīng)推出的具有代表性的多核處理器。

史上具有代表性的通用多核處理器芯片信息匯總表

以上專用多核處理器，通常具有 4 至 9 個(gè)核。而 2016 年最新發(fā)布的全新第七代智能 Intel? 酷睿?處理器，將是 4 和 8 線程，默認(rèn)主頻高達(dá) 4.0GHz。

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專用多核處理器芯片信息匯總表

以上專用式多核處理器都有幾十個(gè)核到上百個(gè)核。

在消費(fèi)市場(chǎng)方面，市場(chǎng)上銷售的個(gè)人電腦或服務(wù)器其處理器大多集成有 2 核、4 核 8 核架構(gòu)。近來(lái)，多核微處理器已開始進(jìn)入通信和家用電器領(lǐng)域，可以說(shuō)，多核微處理器將成為今后的潮流。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代：8 位處理器的恩怨與紛爭(zhēng)（下）

之四：處理器的三國(guó)時(shí)代：蘋果攪動(dòng) MCU 江湖

之五：處理器的三國(guó)時(shí)代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計(jì)：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場(chǎng)的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營(yíng)對(duì)擂，X86 構(gòu)架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構(gòu)架，你知道 SH 構(gòu)架嗎？

之十：SuperH 系列處理器：昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一：MIPS 構(gòu)架：曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

之十二：MIPS 構(gòu)架之：我和龍芯有個(gè)約會(huì)

之十三：ARM 架構(gòu)：有處理器之處，皆有 ARM

之十四：ARM 和英特爾還有一場(chǎng)“硬仗”要打！

之十五：PowerPC 架構(gòu)：IBM 的一座金礦

之十六：PowerPC 和它的“前輩們”：曾經(jīng)那么風(fēng)華絕代

之十七：PowerPC 和它的“前輩們”：一代更比一代強(qiáng)

之十八：當(dāng) Power 架構(gòu)的發(fā)展之路遭遇“滑鐵盧”

之十九：開啟多核時(shí)代的 Yonah：它是英特爾酷睿 core 的開發(fā)代號(hào)

之二十：除了 Core iX 系列，你未曾注意的架構(gòu)還有這些！

之二十一：處理器廠商的絕密武器之工藝之爭(zhēng)

之二十二：CPU 的主頻、倍頻、超頻，不是頻率越高速度就越快

之二十三：這張漫畫告訴你，為什么雙核 CPU 能打敗四核 CPU？

之二十四：核”與“線程”對(duì) CPU 工作效率的貢獻(xiàn)，各有千秋

之二十五：英特爾和 AMD 在“核戰(zhàn)場(chǎng)”上的殊死搏斗