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什么是多核与超线程?

一、什么是超线程

  超线程是 英特尔所研发的一种技术,于2002年发布。超线程的英文是HT技术,全名为Hyper-Threading,中文又名超线程。超线程技术原先只应用于Xeon处理器中,当时称为Super-Threading。之后陆续应用在Pentium 4中,将技术主流化。早期代号为Jackson。
 


  CPU生产商为了提高CPU的性能,通常做法是提高CPU的时钟频率和增加缓存容量。不过目前CPU的频率越来越快,如果再通过提升CPU频率和增加缓存的方法来提高性能,往往会受到制造工艺上的限制以及成本过高的制约。

 
  尽管提高CPU的时钟频率和增加缓存容量后的确可以改善性能,但这样的CPU性能提高在技术上存在较大的难度。实际上在应用中基于很多原因,CPU的执行单元都没有被充分使用。如果CPU不能正常读取数据(总线/内存的瓶颈),其执行单元利用率会明显下降。另外就是目前大多数执行线程缺乏ILP(Instruction-Level Parallelism,多种指令同时执行)支持。这些都造成了目前CPU的性能没有得到全部的发挥。因此,Intel则采用另一个思路去提高CPU的性能,让CPU可以同时执行多重线程,就能够让CPU发挥更大效率,即所谓“超线程(Hyper-Threading,简称“HT”)”技术。超线程技术就是利用特殊的硬件指令,把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片,让单个处理器都能使用线程级并行计算,进而兼容多线程操作系统和软件,减少了CPU的闲置时间,提高的CPU的运行效率。


  采用超线程及时可在同一时间里,应用程序可以使用芯片的不同部分。虽然单线程芯片每秒钟能够处理成千上万条指令,但是在任一时刻只能够对一条指令进行操作。而超线程技术可以使芯片同时进行多线程处理,使芯片性能得到提升。
 

  超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源,理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程,P4处理器需要多加入一个Logical CPU Pointer(逻辑处理单元)。因此新一代的P4 HT的die的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU(整数运算单元)、FPU(浮点运算单元)、L2 Cache(二级缓存)则保持不变,这些部分是被分享的。
 

  虽然采用超线程技术能同时执行两个线程,但它并不象两个真正的CPU那样,每个CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时,其中一个要暂时停止,并让出资源,直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。
 

  英特尔P4 超线程有两个运行模式,Single Task Mode(单任务模式)及Multi Task Mode(多任务模式),当程序不支持Multi-Processing(多处理器作业)时,系统会停止其中一个逻辑CPU的运行,把资源集中于单个逻辑CPU中,让单线程程序不会因其中一个逻辑CPU闲置而减低性能,但由于被停止运行的逻辑CPU还是会等待工作,占用一定的资源,因此Hyper-Threading CPU运行Single Task Mode程序模式时,有可能达不到不带超线程功能的CPU性能,但性能差距不会太大。也就是说,当运行单线程运用软件时,超线程技术甚至会降低系统性能,尤其在多线程操作系统运行单线程软件时容易出现此问题。


二、多核处理器技术


  多核处理器背后的概念蕴涵着什么意义呢?简而言之,多核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有多个一样功能的处理器核心。换句话说,将多个物理处理器核心整合入一个核中。企业IT管理者们也一直坚持寻求增进性能而不用提高实际硬件覆盖区的方法。多核处理器解决方案针对这些需求,提供更强的性能而不需要增大能量或实际空间。
 

  多核心处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量,因此增加一个内核,处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。在这里我们必须强调一点的是,如果你想让系统达到最大性能,你必须充分利用多个内核中的所有可执行单元:即让所有执行单元都有活可干!
 

  为什么IBM、HP等厂商的多核产品无法实现普及呢,因为它们相当昂贵的,从来没得到广泛应用。比如拥有128MB L3缓存的双核心IBM Power4处理器的尺寸为115x115mm,生产成本相当高。因此,我们不能将IBM Power4和HP PA8800之类双核心处理器称为AMD即将发布的双核心处理器的前辈。
 

  目前,x86多核处理器的应用环境已经颇为成熟,大多数操作系统已经支持并行处理,目前大多数新或即将发布的应用软件都对并行技术提供了支持,因此多核处理器一经上市,其系统性能得到迅速的提升。


  x86多核处理器标志着计算技术的一次重大飞跃。这一重要进步发生之际,正是企业和消费者面对飞速增长的数字资料和互联网的全球化趋势,开始要求处理器提供更多便利和优势之时。多核处理器,较之当前的单核处理器,能带来更多的性能和生产力优势,因而最终将成为一种广泛普及的计算模式。多核处理器还将在推动PC安全性和虚拟技术方面起到关键作用,虚拟技术的发展能够提供更好的保护、更高的资源使用率和更可观的商业计算市场价值。普通消费者也将比以往拥有更多的途径获得更高性能,从而提高他们家用PC和数字媒体计算系统的使用。
 

  在单一处理器上安置两个或更多强大的计算核心的创举开拓了一个全新的充满可能性的世界。多核心处理器可以为战胜今天的处理器设计挑战提供一种立竿见影、经济有效的技术――降低随着单核心处理器的频率(即“时钟速度”)的不断上升而增高的热量和功耗。多核心处理器有助于为将来更加先进的软件提供卓越的性能。现有的操作系统(例如MS Windows、Linux和Solaris)都能够受益于多核心处理器。在将来市场需求进一步提升时,多核心处理器可以为合理地提高性能提供一个理想的平台。因此,下一代软件应用程序将会利用多核处理器进行开发。无论这些应用是否能帮助专业动画制作公司更快更节省地生产出更逼真的电影,或开创出突破性的方式生产出更自然更富灵感的PC机,使用多核处理器的硬件所具有的普遍实用性都将永远地改变这个计算世界。
 


  虽然双核甚至多核芯片有机会成为处理器发展史上最重要的改进之一。需要指出的是,双核处理器面临的最大挑战之一就是处理器能耗的极限!性能增强了,能量消耗却不能增加。根据著名的汤氏硬件网站得到的文件显示,代号Smithfield的CPU热设计功耗高达130瓦,比现在的Prescott处理器再提升13%。由于今天的能耗已经处于一个相当高的水平,我们需要避免将CPU作成一个“小型核电厂”,所以双核甚至多核处理器的能耗问题将是考验 AMD与Intel的重要问题之一。
 


  关于多核处理器,从全球范围内看,AMD在对客户的理解和对输出最符合客户需求的产品方面的理念走在Intel的前面,从上世纪九十年代起就一直计划着这一重大进展,它第一个宣布了在单处理器上安置多个核心的想法。


三、惠普服务器的处理器


目前惠普X86服务器同样采用了多核处理器,低端入门级的服务器ML10采用双核处理器,而中端的部门级服务器如HP DL388G8服务器则采用四核及六核处理器,在最新发布的HP DL380p Gen8服务器中,所采用的INTEL E5处理器高达8核,而HP DL585G7采用AMD芯片高达12核。由此可见多核处理器已经得到非常广泛的应用。多核处理器在服务器的虚拟化中所承担的角色也同样突出和明显,我们有理由相信,随着微处理器技术的革新,将会有更强的多线程、多核处理的出现。


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