如何將處理器性能提高10倍――采用多核技術(shù)
為什么不能用單核的設(shè)計(jì)達(dá)到用戶對(duì)處理器性能不斷提高的要求呢？答案是功耗問(wèn)題限制了單核處理器不斷提高性能的發(fā)展途徑。
作為計(jì)算機(jī)核心的處理器就是將輸入的數(shù)字化的數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行加工和處理，然后將結(jié)果輸出。假定計(jì)算機(jī)的其他子系統(tǒng)不存在瓶頸的話，那么影響計(jì)算機(jī)性能高低的核心部件就是處理器。反映在指令上就是處理器執(zhí)行指令的效率。
處理器性能 = 主頻 x IPC
從上面的公式可以看出，衡量處理器性能的主要指標(biāo)是每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù)(IPC: Instruction Per Clock)和處理器的主頻。其實(shí)頻率就是每秒鐘做周期性變化的次數(shù)，1秒鐘只有1次時(shí)鐘周期的改變叫1Hz(赫茲)。主頻為1GHz 就是1秒鐘有10億個(gè)時(shí)鐘周期。
因此，提高處理器性能就是兩個(gè)途徑：提高主頻和提高每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)(IPC)。處理器微架構(gòu)的變化可以改變IPC，效率更高的微架構(gòu)可以提高IPC從而提高處理器的性能。但是，對(duì)于同一代的架構(gòu)，改良架構(gòu)來(lái)提高IPC的幅度是非常有限的，所以在單核處理器時(shí)代通過(guò)提高處理器的主頻來(lái)提高性能就成了唯一的手段。
不幸的是，給處理器提高主頻不是沒(méi)有止境的，從下面的推導(dǎo)中可以看出，處理器的功耗和處理器內(nèi)部的電流、電壓的平方和主頻成正比，而主頻和電壓成正比。
因?yàn)椋骸疤幚砥鞴?正比于 電流x 電壓x 電壓x 主頻”，“主頻 正比于 電壓”
所以：“處理器功耗 正比于 主頻的三次方”

如果通過(guò)提高主頻來(lái)提高處理器的性能，就會(huì)使處理器的功耗以指數(shù)(三次方)而非線性(一次方)的速度急劇上升，很快就會(huì)觸及所謂的“頻率的墻”(frequency wall)。過(guò)快的能耗上升，使得業(yè)界的多數(shù)廠商尋找另外一個(gè)提高處理器性能的因子，提高IPC。
提高IPC可以通過(guò)提高指令執(zhí)行的并行度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而提高并行度有兩種途徑：一是提高處理器微架構(gòu)的并行度；二是采用多核架構(gòu)。
在采用同樣的微架構(gòu)的情況下，為了達(dá)到處理器IPC的目的，我們可以采用多核的方法，同時(shí)有效地控制功耗的急劇上升。為什么？看看下面的推導(dǎo)。
因?yàn)椋骸疤幚砥鞴?正比于 電流x 電壓 x 電壓 x 主頻”，“IPC 正比于 電流”
所以：“處理器功耗 正比于 IPC”
由單核處理器增加到雙核處理器，如果主頻不變的話，IPC理論上可以提高一倍，功耗理論上也就最多提高一倍，因?yàn)楣牡脑黾邮蔷€性的。而實(shí)際情況是，雙核處理器性能達(dá)到單核處理器同等性能的時(shí)候，前者的主頻可以更低，因此功耗的下降也是指數(shù)方(三次方)下降的。反映到產(chǎn)品中就是雙核處理器的起跳主頻可以比單核處理器更低，性能更好。
由此可見(jiàn)，將來(lái)處理器發(fā)展的趨勢(shì)是：為了達(dá)到更高的性能，在采用相同微架構(gòu)的情況下，可以增加處理器的內(nèi)核數(shù)量同時(shí)維持較低的主頻。這樣設(shè)計(jì)的效果是，更多的并行提高IPC，較低的主頻有效地控制了功耗的上升。

除了多核技術(shù)的運(yùn)用，采用更先進(jìn)的高能效微架構(gòu)可以進(jìn)一步提高IPC和降低功耗――即提高能效?；谟⑻貭?reg;酷睿™ 架構(gòu)的英特爾® 酷睿™ 2 雙核處理器和至強(qiáng)處理器就是現(xiàn)實(shí)中的例子。相比英特爾前一代的NetBurst 微架構(gòu)(Intel® Pentium® 4 和Pentium® D)，酷睿微架構(gòu)采用的英特爾® 寬區(qū)動(dòng)態(tài)執(zhí)行引擎和英特爾® 高級(jí)數(shù)字媒體增強(qiáng)技術(shù)，就是提高IPC的創(chuàng)新技術(shù)；英特爾® 智能功率特性則是降低微架構(gòu)功耗的技術(shù)。
● 多核出現(xiàn)的必然性
摩爾定律：
摩爾老先生最初是1965年為《電子學(xué)》寫(xiě)行業(yè)展望的時(shí)候，第一次寫(xiě)下了這個(gè)有名的預(yù)言，是說(shuō)集成電路上的晶體管數(shù)目會(huì)以每年翻一番的速度增長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)市面上的集成電路有30來(lái)個(gè)元件，在研發(fā)中的集成電路是60幾個(gè)。摩爾預(yù)言10年后會(huì)達(dá)到6萬(wàn)個(gè)（事實(shí)上9年后就達(dá)到了這個(gè)數(shù)字）。這實(shí)在是驚人的準(zhǔn)確了！雖然這只是一個(gè)行業(yè)發(fā)展估計(jì)，摩爾做這個(gè)預(yù)測(cè)還是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。?975年，考慮到電路板上空間的限制，摩爾認(rèn)為不可能繼續(xù)保持這樣的增長(zhǎng)速度，所以修正了他的預(yù)言，預(yù)測(cè)集成電路上的晶體管數(shù)目將以每?jī)赡攴环乃俣仍鲩L(zhǎng)。據(jù)說(shuō)后來(lái)實(shí)際速度是每21個(gè)月翻一番。從1965年至今，四十多年了，摩爾的預(yù)測(cè)一直非常準(zhǔn)確，被稱為“摩爾定律”真是當(dāng)之無(wú)愧。

Intel估計(jì)在到了2017年制程更精細(xì)至3nm
那么，集成電路上的晶體管數(shù)目會(huì)以大約每?jī)赡攴环乃俣仍鲩L(zhǎng)。這越來(lái)越多的晶體管究竟對(duì)廣大用戶有什么意義？
我們都知道現(xiàn)在的電腦比多年以前的功能強(qiáng)大多了，差不多二十多來(lái)年電腦的性能一直是跟主頻掛鉤的，主頻越高，性能越高。原因是芯片上的晶體管一代比一代多，就能做得更精細(xì)，執(zhí)行指令的節(jié)拍（也就是主頻）更快。但電路越復(fù)雜，消耗的電能就越多，所以散熱問(wèn)題就很突出了，終于成為制約性能提升的瓶頸。記得前兩年看到網(wǎng)上一個(gè)搞笑圖片，在電腦的主板上煎雞蛋，我可笑不起來(lái)。
從另一個(gè)角度來(lái)看這個(gè)問(wèn)題：芯片上有大量的晶體管，能組成一個(gè)巨大的復(fù)雜電路，也可以組成很多個(gè)小的比較簡(jiǎn)單的電路。但前者與后者相比，能耗就相差很大了，與之相關(guān)的發(fā)熱也相應(yīng)有很大差距。多核的道路就是這樣出現(xiàn)在我們面前：在一個(gè)芯片上建造多個(gè)CPU內(nèi)核，而不是建造單個(gè)巨大的CPU。這樣就可以在較小的能耗下，讓多個(gè)CPU共同工作，提高整體性能。摩爾定律告訴我們芯片上的晶體管會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)，我們就能在一個(gè)芯片上建造越來(lái)越多的功能強(qiáng)大的CPU內(nèi)核，從而繼續(xù)提高電腦的性能。今年二月我們?cè)诿绹?guó)發(fā)布的“萬(wàn)億級(jí)”80核的研究用芯片，只有指甲蓋大小，功耗只有62瓦。在十年前，同樣性能的計(jì)算機(jī)是用大約1萬(wàn)個(gè)奔騰Pro芯片組成的超級(jí)計(jì)算機(jī)（1996年，ASCI Red），需要電力500千瓦。
因此，走上了多核道路，電腦就會(huì)繼續(xù)大幅度提高性能，同時(shí)成為我們的好幫手。我們有理由相信不會(huì)再出現(xiàn)在CPU上攤雞蛋的現(xiàn)象。