处理器史话 | 多核MCU的出路在哪里？

早在 2009 年初，IDC 发布的预测：到 2009 年，几乎所有服务器、PC 和笔记本电脑产品将全面实现多核化。虽然事实的发展再次验证了预测的准确性，但是实际情况有了新的变化。随着这些硬件产品在多核技术上的逐渐就绪，整个 IT 业界面临的最大挑战：如何将原先仅用于高端应用开发的并行编程方式推广到所有软件开发的过程中，以打造出更多支持多线程并行化运行的应用软件——尤其是处于关键地位的中间件，全面释放多核处理器的性能潜力。

为什么会是这样的结果呢？

原因是这样的：当时的中间件产品，尽管大部分都是基于多线程或者多进程的，但是由于传统单线程编程的思维定势以及开发语言和工具的限制，使得软件应用限制了多核处理器性能的发挥。对此，前微软首席研究官 Craig Mundie 称：“软件行业所面临的核心挑战就是对多核处理器的编程”。

前微软首席研究官 Craig Mundie

相比 C/C++ 程序员而言，利用 Java 编写多线程应用已经简单了很多。然而，多线程程序想要达到高性能仍然不是一件容易的事情。当 CPU 进入多核时代之后，软件的性能调优，已经不再是一件简单的事情，没有并行化的程序在新的硬件上可能会运行得比从前更慢。

为此，支持多核技术的操作系统应运而生，专门为充分利用多个处理器而设计，并且无需修改就可运行。为了充分利用多核技术，应用开发人员需要在程序设计中融入更多思路，但设计流程与目前对称多处理 (SMP，Symmetrical Multi-Processing) 系统的设计流程相同，并且现有的单线程应用也将继续运行。得益于线程技术的应用在多核处理器上运行时将显示出卓越的性能可扩充性，此类软件包括多媒体应用(内容创建、编辑，以及本地和数据流回放)、工程和其他技术计算应用以及诸如应用服务器和数据库等中间层与后层服务器应用。

1. 多核处理器的主要优点
多核处理器主要具有以下几个显著的优点：

(1)控制逻辑简单
相对超标量微处理器结构和超长指令字结构而言，单芯片多处理器结构的控制逻辑复杂性要明显低很多。相应的单芯片多处理器的硬件实现必然要简单得多。

(2)高主频
由于单芯片多处理器结构的控制逻辑相对简单，包含极少的全局信号，因此线延迟对其影响比较小，因此，在同等工艺条件下，单芯片多处理器的硬件实现要获得比超标量微处理器和超长指令字微处理器更高的工作频率。

(3)低通信延迟
由于多个处理器集成在一块芯片上，且采用共享 Cache 或者内存的方式，多线程的通信延迟会明显降低，这样也对存储系统提出了更高的要求。
(4)低功耗
通过动态调节电压 / 频率、负载优化分布等，可有效降低 CMP 功耗。

(5)设计和验证周期短
微处理器厂商一般采用现有的成熟单核处理器作为处理器核心，从而可缩短设计和验证周期，节省研发成本。

2. 多核处理已成为主流
不管是通用的微处理器，还是专用微处理器，乃至异构微处理器，都已经进入多核时代，通过多核技术提高处理能力，同时降低电能消耗已成为微处理器的必然选择。

随着半导体细微化进程，提高芯片性能和减少电能消耗成为一对矛盾。之前的单核处理器主要通过提高指令的并行运算速度来提高器件性能，这些复杂的计算处理耗用大量晶体管资源，使得微处理器在电能的消耗上一直无法降低，而多核结构的设计思路是通过减少并行处理，适当地降低每个核的工作强度来降低整个处理器的耗电。

下面的两个表格，分别为各芯片厂商已经推出的具有代表性的多核处理器。

史上具有代表性的通用多核处理器芯片信息汇总表

序号	芯片厂家	型号	特点
	IBM	Power X Cell 8i	新一代的 Cell 多核处理器。目前世界上运算速度最快的超级计算机 Roadrunner 就采用了这款处理器。
	Sun 公司	16 核 /Rock 处理器	拥有尖兵线程(Scout Thread)和事务型内存。 Rock 处理器采用的是一种指令型的并行处理，是由软件来实现的。它可节约收集数据的时间。处理器加强了乱序执行能力，提高了单线程的功能。
	富士通	4 核 /SPARC64 VII	每个核的一级缓存 64KB、二级缓存 6MB。该芯片的速度最高为 40GFlops，采用 65 纳米工艺生产。
	Intel	Dunnington 6 核 / Xeon7400 处理器	使用 1.07GHz 前端总线，单核 1 级缓存为 96KB，每一对核的 2 级缓存为 3MB。在单芯片上的 3 级缓存为 16MB，由 19 亿个晶体管组成，工作频率 2.66GHz 时功耗为 130 瓦；工作频率 2.13GHz 时，拥有 12MB 的 3 级缓存的 Xeon7400 处理器功耗为 65 瓦。
	AMD	4 核 /Shanghai 处理器	内部 3 级缓存容量达 6MB，二次缓存为 2MB。工作频率达到 3.0GHz，并且支持新的 HyperTransport 3.0 高速互连技术，各核之间带宽可达 17.6GB/s。内存支持 DDR2-800 规格，通过与以前的“Barcelona”内核产品实现引脚兼容，因此可以继续使用原来的设计资源，性能与原产品相比提高了约 10%。
	中国中科院计算所等单位	4 核 / 龙芯 -3	采用 65 纳米工艺，4 核的时钟速度为 1 GHz。采用分布式可扩展的架构，具有可重构的 CPU 核及 2 级缓存。主要针对低功耗类电子产品。4 核的功耗为 10w，而 8 核为 30w。

以上专用多核处理器，通常具有 4 至 9 个核。而 2016 年最新发布的全新第七代智能 Intel® 酷睿™处理器，将是 4 和 8 线程，默认主频高达 4.0GHz。

专用多核处理器芯片信息汇总表

序号	芯片厂家	型号	特点
	思科	40 核 / ASR1000 数据包处理器	由 3.7 亿个晶体管组成，集成有接收消息的协处理器、密码处理电路和数据包检测电路等。由于数据包的管理和防火墙处理都通过硬件来实现，从而提高了其工作的可靠性。每个核有 16KB 的 8 路一次指令缓存和 4KB 的 8 路一次数据缓存，还有二级指令缓存。
	NVIDI	240 核 /GTX200 线程处理器
	Intel	双核 / 凌动 Atom 330	前端总线频率 FSB 533MHz，处理器拥有 1MB 缓存，每个核各 512K，处理器外表与单核 Atom 相同。 Atom 330 支持四个线程，其设计功率为 8W，支持 64 位计算; 可支持 Intel 的 945GC Express 芯片集(其中包括内置显卡)或者 Little Falls2 芯片集。该处理器已大量用于手机和上网笔记本中，是 2008 年 Intel 销售最好的处理器之一。
	Tilera	64 核 / 嵌入式微处理器	工作频率分别为 700MHz 和 866MHz。其中 866MHz 的产品处理能力为每秒 221b 次运算(1b 为 1 万亿，即 10 的 12 次方)，为前一代产品的两倍。其性能是美国 Intel 公司 3GHz 的“Xeon 处理器 7350”的 35 倍，可用于网络安全、数字视频、网络基础设施及无线通信基站和无线网络基础设施。
	日本瑞萨科技	双核 / 处理器 SH7786 Group	时钟频率最高 533MHz，指令执行速度达到 1920MIPS。两个内核配备有可在最大时钟频率 533MHz 下工作的浮点运算器。浮点运算性能最大为 7.46GFLOPS. 主要用于需要高级多媒体处理的车载信息设备等。