| 出版日期：2005-06-06 总期号：1417 本年期号：40 |
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双核,“落地”其声几何？
志当存高远 从单核到双核再到多核，是趋势所在 千里之行始于足下 产业链重组和用户的广泛认同， 是双核“落地”的根本 编者按： 64位运算的日益普及，双核的争相发布，预示着频率主导的微处理器时代的结束，宣告了双核乃至多核时代的到来。我们亢奋于Intel与AMD等厂商的技术创新，以及围绕这一创新的产业链重组，但是不能忽视—双核能否铮然有声，关键在于双核产品性能是否达到预期？用户是否认同和接受？ 《中国计算机报》本期专题避开企业间的竞争与角逐，姑且不论产业链的喧嚣与重组，而是选择技术发展、产品评测、用户认知等侧面，沿着技术—产品—应用的思维逻辑，管窥双核技术演进的历程、运算能力的变革以及来自用户端的反应，进而品评双核“落地”的回声，洞悉双核替代单核的节律。 专题策划、约稿：李京红 王雅慧 推出双核处理器架构是2005年x86处理器市场的一件大事。包括AMD、Intel在内的处理器厂商，都希望通过双核设计增加处理器的性能及功能。 双核是大势所趋 事实上，在上个世纪末期，高端多处理机服务器开发商（例如HP、IBM）就已经提出过类似的可行性设计，并成功推出了双核UNIX服务器HP PA8800和IBM Power4。迄今为止，双核UNIX处理器已经成功应用于不同领域，在IBM eServer pSeries 690或HP 9000此类服务器上可以看到它们的身影。由于x86服务器已经形成了巨大的市场规模，而且拥有更加广阔的巨大市场规模，因此，x86双核处理器的出现，自然引起了广泛关注，它所产生的影响力将更加巨大。 与单核处理器相比，双核处理器能在一些应用领域带来更为强大的动力，比如海量数据处理、大规模网络应用、复杂科学计算及大型图形建模为特征的企业级或行业关键应用领域。在性能之外，双核处理器将极大地加强虚拟功能和安全性。 已经有越来越多的国外权威研究机构和重要的服务器厂商得出同样的结论：双核处理器是2005年服务器发展的重要趋势之一，到2006年底，采用双核处理器的服务器有望成为市场主流，从而把服务器性能提升到一个全新水平。更有专家预计，到2006年底，占市场价值60%的服务器将采用双核处理器。 产业链重组迫在眉睫 在双核发展之路上，AMD、Intel争相发布双核处理器只是刚刚迈出新征程的第一步，接下来更重要的是，要尽快完善新的产业价值链。一个完善的产业价值链不仅仅包括CPU、芯片组提供商，还包括系统软件提供商、应用软件提供商、整机制造商、系统集成商。在基于32位的“主频大战”时代，这个产业链是完善的。但由于软件的支持至关重要，双核及64位CPU产品不可能直接嫁接到原有的32位产品的产业链上，新的CPU不可能脱离相应的配套软件而独立发挥其优势。 业内观察家认为，英特尔和AMD之间的竞争只是一个表象，最终会转到分别以英特尔和AMD为龙头的两个产业链之间的竞争上。在产品发布结束之后，摆在英特尔和AMD面前的挑战就是联合自己的软硬件战略合作伙伴，建立战略联盟，迅速完善各自的产业价值链，这才是“后主频竞争时代”真正的较量。 （王雅慧） CPU性能提升之路 技术 发展篇 文 孙凝晖 方志斌 三十多年来微处理器的发展与应用密不可分，从一开始满足科学计算的需求，逐步到满足越来越多的应用，处理器的性能也需要不断地提升。性能的提升主要围绕着体系结构和工艺这两大因素。 优化设计 在处理器的设计中，性能决定于三个因素：指令数目、主频时钟、平均每周期完成的指令数（IPC），优化这三个因素是设计的重点。在指令集确定的前提下，指令数目只能通过编译器来优化，和处理器的设计关系很小。主频时钟取决于每一级流水线实现所需的时间，因此可以通过增加流水线深度，减少每一级流水线实现所需的时间进而提高主频。 如何平衡各种优化方法以达到结构平衡点，成为处理器厂家的研究重点。不同厂家采取不同的策略，比如Intel的Pentium处理器增加流水线深度，从10级提高到20级超流水，采用trace cache以减小预测失效率；DEC的Alpha处理器能将转移猜测命中率提高到90%以上；Sun的UltraSparc和AMD的Athlon处理器将内存控制器集成进处理器以提高对内存的访问带宽和速度。 提高工艺水平 工艺对处理器的影响很大，工艺包括制造材料和晶体管特征尺寸。制造材料经历了PMOS到NMOS再到CMOS的变革。Intel的8080由于采用转换速度比PMOS快的NMOS工艺技术，将频率从8008的200KHz提高到了2MHz；80386采用先进的高速CMOS工艺，集成度从80286的10万管/片提高到50万管/片，频率从80286的10MHz提高到了16～33MHz。由于CMOS功耗比NMOS低，虽然80386频率比80286高，但其功耗却低于80286。 特征尺寸则从微米到亚微米再到深亚微米技术。特征尺寸的减少使晶体管集成度增加，芯片所集成的晶体管数量每18个月就将翻一番，这就是摩尔定律。 在微处理器发展的过程中，工艺不断提高，晶体管集成度增加，提高微处理器主频进而提高性能成为一些厂商的策略。但目前这种技术路线受到了挑战，频率的提升受到了限制，这是因为高频率所带来的高发热量会导致芯片运行不稳。同时对IPC的优化也受到指令执行中固有的各种相关性限制，性能很难继续得到有效优化。 线程级并行计算 超线程技术（Hyper Threading）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，减少了CPU的闲置时间，提高CPU的运行效率。Intel公司就采取了这种技术路线，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。 双核技术 双核处理器可以在减少处理器工作频率的情况下降低每个核心的功耗，整体处理器功耗不会很大，比如同样大小的体积下双核Opteron的放热量与现有的单核芯片相差无几。 从相关的测试数据来看，双核心处理器的工作频率比单核处理器低了600MHz～1000MHz，但它们在支持多线程应用程序中的性能相当抢眼，如在SPECint2000基准测试中，尽管单核处理器的工作频率比双核处理器高了1GHz，基于双核处理器系统的性能比基于单核处理器的系统快了45%。如果频率差距缩小到600MHz，那么在双核处理器系统将比单核处理器快55%～60%。 
微处理器摩尔定律 
微处理器功率的发展过程 
微处理器频率的发展过程 
双核和单核的AMD处理器性能比较 
基于超线程和双核的Intel Xeon处理器性能比较（摘Intel) 双核处理器的研发历史 在芯片的多核发展历程中，IBM第一个发布了双核RISC处理器，在2001年发布的POWER4芯片第一次采取了双核的架构。2004年POWER5也随之出现，它除了继承双核的架构外，还加入了多线程的技术。 HP和Sun相继在2004年的2月和3月发表了名为PA-RISC8800和UltraSPARC Ⅳ的双内核处理器。 2005年4月21日，AMD按照原计划发布6款用于支持x86指令集服务器的双核心Opteron处理器。针对8路应用，AMD发布了Opteron 875/870/865三款处理器，主频依次为2.2/2.0/1.8GHz。另外三款针对双路应用的处理器相继正式出货，分别是Opteron 275/270/265，频率同样是2.2/2.0/1.8GHz。这些双核产品可同时适用于工作站和服务器市场，Sun、惠普、IBM和曙光等服务器厂商均表示将推出相关产品。 Intel在2005年4月18日发布了其用于桌面PC的双内核处理器——Pentium D及Pentium Extreme Edition。Pentium D和Pentium Extreme Edition两者之间的唯一差别主要体现在是否支持超线程技术上： Pentium D将不支持 HT 技术，而Pentium Extreme Edition则支持。由于支持 HT 技术， Pentium Extreme Edition将可以并行处理4条线程的任务，而Pentium D则只能同时处理两线程的任务 。 专家看双核 孙凝晖 1989年毕业于北京大学计算机系，现任国家智能计算机研究开发中心主任，研究员，博士生导师。 研究领域包括高性能计算机的设计、实现及性能评价，主持设计了曙光2000、3000超级服务器和曙光4000A及4000L高性能计算机系统。1999年获中国科学院青年科学家奖一等奖，2004年当选中国十大科技新闻人物。 计算机从大型机到小型机，再发展到服务器，系统的物理规模在不断减小，性能和集成度在不断提高，按照这种趋势可以预测片上多核是未来处理器的发展方向。 从物理器件的角度来看，目前晶体管的集成度已超过上亿个。继续利用富裕的晶体管提高主频面临散热等一系列难题，因此需要找到更好的解决方案。从应用的角度来看，现在面临的应用越发复杂，解决网络、多媒体和科学计算等领域的问题都迫切需要更大规模的并行处理能力。在这种背景下，双核及多核处理器的推出是大势所趋。 但是，双核及多核技术能提高吞吐率密集和计算密集型应用的性能，却不能加速并行程度不高的应用，这种技术也没有解决处理器与内存速度不匹配所产生的性能瓶颈。在发展双核和多核技术的同时我们需要解决好这些问题。 |
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