前言：現(xiàn)在的CPU或SoC基本都是在單芯片中集成多個CPU核心,，形成通常所說的4核,、8核或更多核的CPU或SoC芯片。為什么要采用這種方式,？多個CPU 核心在一起是如何工作的,？CPU核心越多就一定越好嗎？帶著這些問題,，筆者查閱了一些資料,，學(xué)習(xí)了相關(guān)概念和要點并編輯成此文，試以通俗的語言來回答這些專業(yè)問題,。文章一方面可作為自己的一個學(xué)習(xí)記錄,，另一方面也希望對讀者有參考作用，不準(zhǔn)確的地方歡迎討論和指正,。

　　要說明什么是多核心CPU或SoC芯片,，首先要從CPU核心（Core）說起。我們知道,，CPU是中央處理器（Central Processing Unit）的英文簡稱,，它具有控制和信息處理的能力，是電腦和智能設(shè)備的控制中樞,。如果把傳統(tǒng)CPU芯片中的封裝和輔助電路（例如引腳的接口電路,、電源電路和時鐘電路等）排除在外，只保留完成控制和信息處理功能的核心電路,，這部分電路就是CPU核心,，也簡稱CPU核。一個CPU核心基本上是一個完全獨立的處理器,，它可以從內(nèi)部存儲器中讀取指令,，并執(zhí)行指令指定的控制和計算任務(wù)。

　　如果把一個CPU核心和相關(guān)輔助電路封裝在一個芯片中,，這個芯片就是傳統(tǒng)的單核心CPU芯片,，簡稱單核CPU。如果把多個CPU核心和相關(guān)輔助電路封裝在一個芯片中,，這個芯片就是多核心CPU芯片,，簡稱多核CPU。當(dāng)然,，多核心CPU芯片會包含更多的輔助電路,，以解決多個CPU核心之間的通信和協(xié)調(diào)問題,。

　　如果在多核心CPU芯片中再集成一些其它功能部件和接口電路，就形成了完整的系統(tǒng),，那么這個芯片就變成了多核心SoC芯片了,，簡稱多核SoC。在不嚴(yán)格區(qū)分的情況下,，SoC也可以稱為CPU,。

　　圖1用ARM的單核心CPU和多核心CPU進(jìn)行舉例。圖中紅色虛線框標(biāo)出的部分就是一個個的CPU核心,，圖1a是ARM Cortex-A8基于ARMv7微架構(gòu)的單核心CPU芯片的示意圖,。圖1b和圖1c分別是ARM Cortex-A9 MPCore用2個和4個Cortex-A9構(gòu)成的2核心和4核心CPU芯片的示意圖。

　　圖1. ARM單核心與多核心CPU芯片示意圖

　　ARM Cortex-A8 CPU是第一款基于新一代ARM v7架構(gòu)的應(yīng)用處理器,，它使用了性能,、功耗效率和代碼密度更高的Thumb-2技術(shù),，它只有單核心架構(gòu),。第一家獲得Cortex-A8 CPU授權(quán)的公司是德州儀器，隨后還有飛思卡爾,、Matsushita和三星等公司[3],。Cortex-A8的應(yīng)用案例有MYS-S5PV210開發(fā)板、TI OMAP3系列,、蘋果A4處理器（iPhone4）,、三星S5PC110（三星I9000）、瑞芯微RK2918,、聯(lián)發(fā)科MT6575等,。另外，高通的MSM8255,、MSM7230等也可看作是其衍生產(chǎn)品,。

　　ARM Cortex-A9 MPCore CPU屬于Cortex-A系列，也是基于ARM v7-A微架構(gòu),，它提供了1～4個CPU核心的可選架構(gòu),。目前我們能見到的4核心CPU大多都是屬于Cortex-A9系列。ARM Cortex-A9的應(yīng)用案例有德州儀器OMAP 4430/4460,、Tegra 2,、Tegra 3、新岸線NS115,、瑞芯微RK3066,、聯(lián)發(fā)科MT6577、三星Exynos 4210,、4412,、華為K3V2等,。另外高通APQ8064、MSM8960,、蘋果A6,、A6X等都可以看作是在A9架構(gòu)基礎(chǔ)上的改良版本。

　　一,、多核心CPU的發(fā)展歷程

　　發(fā)展多核心CPU的初心源于“人多力量大”的簡單道理,。從這個意義上來看，當(dāng)初芯片集成度不高的時候,，Inteli8086 CPU和i8087協(xié)處理器應(yīng)該算是多核心CPU的雛形,，是多芯片協(xié)作形成了一個處理核心，需要采取許多技術(shù)來解決CPU和協(xié)處理器之間的合作,、協(xié)作問題,。

　　今天芯片的集成度很高，單芯片中集成幾個甚至幾十個CPU核心已不在話下,，但還是不能滿足超級計算的需要,，需要在超級計算機中使用成千上萬塊高性能CPU芯片一起合作、協(xié)作,，這可以看作芯片內(nèi)多核心,、芯片外多芯片的多核心CPU集群。

　　CPU芯片從外觀上看是一塊芯片,，但打開封裝來看,，內(nèi)部可能只有一塊裸片（die），也可能是多塊裸片封裝在一起,，稱為多芯片模組（Multichip Module,，簡稱MCM），如圖2b所示,。但從軟件角度來看,，封裝形式無關(guān)緊要，無論是芯片內(nèi)還是芯片外,，CPU核心多少才是最重要的,，它們決定著系統(tǒng)的并行運算和處理能力，它們的主頻頻率和核心之間通信方式?jīng)Q定了系統(tǒng)的處理速度,。

　　圖2. 單裸片封裝,、多裸片MCM封裝及多芯片系統(tǒng)的示意圖

　　另外，今天的桌面計算機CPU,、手機SoC中還集成了許多圖形處理器（GPU）核心,、人工智能處理器（APU）核心等，這些是否也應(yīng)該算作多核心CPU和SoC中的“核心”呢,？我覺得從廣義角度上應(yīng)該算吧,。

　　因此,，要回顧多核心CPU的發(fā)展，大致可以分為1.雛形期,；2. 單芯片單核心,；3.單芯片多核心；4.單核心多芯片,；5.多核心多芯片幾種情形,。這些發(fā)展階段不一定按照這個前后順序，可能有交叉時期,，也可能有前后顛倒的情形,。第2和第3種情形一般是應(yīng)用在桌面計算機、智能手機等移動終端上的CPU芯片,，第4和第5種是應(yīng)用在服務(wù)器和超級計算機上的CPU芯片,。本文限于篇幅和主題集中的需要，主要探討第3種單芯片多核心的情況,，這種情況下的CPU是單芯片多處理器（Chip Multi Processors,，簡稱CMP）模式。

　　1971～2004年,，單核心CPU一路獨行,。Intel公司1971年推出全球首款CPU芯片i4004,，直到2004年推出超線程的Pentium 4 CPU系列,，期間共33年時間。在這期間,，CPU芯片很好地沿著摩爾定律預(yù)示的規(guī)律發(fā)展,，沿著集成度不斷翻倍、主頻不斷提升,、晶體管數(shù)量快速增加的道路前進(jìn),，這是一條單核心CPU不斷迭代升級的發(fā)展之路。

　　但是,，當(dāng)晶體管數(shù)量大幅增加導(dǎo)致功耗急劇增長,，CPU芯片發(fā)熱讓人難以接受，CPU芯片可靠性也受到很大影響的時候,，單核心CPU發(fā)展似乎到了窮途末路,。摩爾定律的提出者戈登。摩爾也依稀覺得“尺寸不斷縮小”,、“主頻為王”這條路子即將走到盡頭,。2005年4月他曾公開表示，引領(lǐng)芯片行業(yè)接近40年的摩爾定律將在10～20年內(nèi)失效,。

　　其實,，早在上世紀(jì)90年代末,，就有許多業(yè)界人士呼吁用CMP技術(shù)實現(xiàn)的多核心CPU替代單線程單核心CPU。IBM,、惠普,、Sun等高端服務(wù)器廠商，更是相繼推出了多核心服務(wù)器CPU,。但是,，由于服務(wù)器CPU芯片價格太高、應(yīng)用面較窄,，并未引起大眾廣泛關(guān)注,。

　　2005年初AMD搶先推出了64位CPU芯片，并率先Intel發(fā)表聲明保證其64位CPU的穩(wěn)定性和兼容性,，Intel才想起了利用“多核心”這一武器進(jìn)行“帝國反擊戰(zhàn)”,。2005年4月，Intel倉促推出簡單封裝的2核心Pentium D和Pentium4至尊版840,。之后不久,，AMD也發(fā)布了雙核心皓龍（Opteron）和速龍（Athlon）CPU芯片[9]。

　　2006年被認(rèn)為是多核心CPU的元年,。這年7月23日,，Intel基于酷睿（Core）架構(gòu)的CPU發(fā)布。11月,，Intel又推出了面向服務(wù)器,、工作站和高端PC機的至強（Xeon）5300和酷睿2雙核心和4核心至尊版系列CPU。與上一代臺式機CPU相比,，酷睿2雙核心CPU在性能方面提高40%,，功耗反而降低40%。

　　作為對Intel的回應(yīng),，7月24日,，AMD宣布對雙核Athlon64 X2處理器進(jìn)行大降價。兩大CPU巨頭在宣傳多核心CPU時,，都會強調(diào)其節(jié)能效果,。Intel發(fā)布的低電壓版4核心至強CPU功耗僅為50瓦。而AMD的“Barcelona”4核心CPU的功耗也沒超過95瓦,。在Intel高級副總裁Pat Gelsinger看來,，摩爾定律還是有生命力的，因為“CPU從單核心到雙核心,，再到多核心的發(fā)展,，可能是摩爾定律問世以來，CPU芯片性能提升最快的時期” [9]。

　　CPU技術(shù)發(fā)展要比軟件技術(shù)發(fā)展更快,，軟件對多核心CPU的支持相對滯后,。如果沒有操作系統(tǒng)的支持，多核心CPU的性能提升優(yōu)勢不能發(fā)揮出來,。同樣運行Win7的情況下,，4核心CPU和8核心CPU所帶來的差異化體驗并不明顯，導(dǎo)致這種情況的原因是Win7根本沒有對8核心CPU進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化,。而在Win10出來后,，8核心CPU所帶來的體驗速度就明顯要比4核心處理器快很多，這源于微軟在Win10上對多核心CPU的支持做了優(yōu)化,。而且微軟還將在Win10上針對多核心CPU做進(jìn)一步適配優(yōu)化,。

　　目前核心最多的服務(wù)器CPU有Intel至強鉑金9282，56核心112線程,，引線焊球多達(dá)5903個,，估計售價約4萬美元；AMD霄龍 7H12,，64核心128線程,，散熱設(shè)計功耗280W。這兩款CPU都需要采用液冷散熱,。核心最多的臺式機CPU有Intel酷睿i97980XE至尊版,，18核心36線程，散熱設(shè)計功耗165W,，售價1999美元,；AMD的Ryzen9 5950X，16核心32線程,，散熱設(shè)計功耗105W,，售價6049元,。核心最多的手機SoC有Apple M1,、麒麟9000、高通驍龍 888等,。多核心CPU或者多核心SoC似乎成為一種潮流,，但是不是核心越多CPU就越好呢？在不考慮其它因素影響,，單從技術(shù)和集成度考慮的話,，有人甚至預(yù)測到2050年，人們可能會用上1024個核心的CPU芯片,。

　　二,、多核心CPU和SoC芯片舉例

　　舉例的芯片包括：1.服務(wù)器用的多核心CPU芯片：Intel Xeon W-3175X；2.桌面PC應(yīng)用的多核心CPU芯片：Intel Corei7-980X,；3.智能手機應(yīng)用的多核心SoC芯片：海思麒麟9000/E,；4.ARM架構(gòu)PC應(yīng)用的多核心CPU芯片：AppleM1,；5.兼容x86架構(gòu)的多核心AI CPU芯片：威盛CHA；6.多核心國產(chǎn)服務(wù)器CPU芯片：騰云S2500,。

　　1.Intel至強W-317X: Intel 2018年推出的服務(wù)器CPU芯片Xeon W-3175X,，采用14nm工藝制造，28核心56線程,，主頻3.1～4.3GHz,，三級緩存38.5MB，內(nèi)存支持六通道DDR4-2666 ECC/512GB,，封裝接口LGA3647,，搭配芯片組C621。它的售價高達(dá)2999美元,，約合人民幣2萬多元,。

　　該芯片采用了全新的6x6網(wǎng)格（Mesh）架構(gòu)，I/O位于頂部,，內(nèi)存通道在兩側(cè)居中的位置,，最多28個CPU核心，四倍L2Cache（每個核心的緩存由256KB升級到1MB）,，減小了共享L3Cache但提高了利用率,。

　　圖3. Intel Xeon W-3175X的28核心架構(gòu)圖

　　Xeon W-3175X是該架構(gòu)的最頂級28個CPU核心配置。但代價是超高功耗和發(fā)熱,，標(biāo)稱熱設(shè)計功耗就有255W,，默認(rèn)主頻實測跑分就能輕松達(dá)到380W，超頻的話甚至?xí)黄?00W,。它在日常使用中,，高端水冷是必須配備的。Intel在發(fā)布Xeon W-3175X的時候就特別推薦了Asetek 690LX-PN一體化水冷散熱器,，這也是目前唯一針對W-3175X設(shè)計的散熱方案,。Asetek宣稱該水冷的最大散熱能力達(dá)500W，因此只要不進(jìn)行極限超頻,，該方案為W-3175X散熱問題不大[13],。價格399.99美元，約合人民幣2680元,。

　　圖4. Asetek 690LX-PN水冷散熱器（來源：參考資料13）

　　2.Intel酷睿i7-980X：Intel Core i7-980X采用32nm工藝制程和Gulftown核心,，是Intel面向桌面PC市場推出的第一顆6核心CPU，相對之前的Bloomfield核心CPU,，工藝更先進(jìn),、核心更多、緩存更大，還保持了很好地向下兼容性,，嚴(yán)格來說同屬Nehalem微架構(gòu)衍生產(chǎn)品,。尤其是CPU依然采用LGA 1366接口，用戶之前購買的X58主板只要升級Bios便可繼續(xù)支持新版32nm 6核心CPU,，體驗6核心12線程帶來的至尊體驗,。它擁有目前Intel桌面PC高端CPU的所有特性，具備超線程技術(shù),、睿頻加速技術(shù),、三通道DDR3內(nèi)存控制器和三級緩存配備等，尤其是酷睿i7-980X還沒有鎖定倍頻,，讓超頻用戶能夠以更簡便的方式挑戰(zhàn)極限[5],。

　　圖5. Intel Core i7-980X的6核心架構(gòu)圖（來源：參考資料5）

　　3.華為麒麟9000：華為Mate40手機搭載了華為海思自研的麒麟9000芯片，它是目前功能和性能最強5G多核心SoC芯片,。參見下圖,，該芯片上集成了8個CPU核心、3個NPU核心和24個核心的GPU,，采用了5nm的制造工藝,，其上集成了153億個晶體管。它與聯(lián)發(fā)科最強的5G手機芯片天璣2000相比,，性能測試的跑分明顯占優(yōu),。可惜美國無理封堵了華為高端智能手機芯片的生產(chǎn)渠道,，使華為旗艦手機Mate40系列可能成為絕版,。

　　圖6.華為最強5G手機芯片麒麟9000的多核心架構(gòu)示意圖

　　4.AppleM1:下圖是蘋果首款自研的Mac電腦8核心SoC芯片布圖。它具有4個高效能的冰風(fēng)暴小核心（Icestorm）,、4個高性能火風(fēng)暴大核心（Firestorm）和8核心的GPU,。可謂冰火四重天,，處理能力十分強勁,。該芯片以5nm工藝制造，其上集成了160億個晶體管,。蘋果公司為新處理器系列啟動新的SoC命名方案,，稱為Apple M1。

　　圖7.蘋果自研的Mac電腦SoC芯片Apple M1的布圖（來源：參考資料19）

　　5.VIACHA:威盛（VIA）最新基于x86的AI處理器是一個8核心SoC,，它采用臺積電16nm工藝制造，芯片面積不超過195平方毫米,，內(nèi)部采用環(huán)形總線設(shè)計,，串聯(lián)集成了八個x86 CPU核心、16MB共享三級緩存、四通道DDR4-3200內(nèi)存控制器,、PCIe 3.0控制器（44條）,、南橋和IO功能，是一顆完整的SoC,。據(jù)報道該芯片暫時命名為CHA,。

　　圖8.威盛的8核心AI處理器的芯片布局（左）和布圖（右）（來源：參考資料15）

　　6.騰云S2500:據(jù)報道[21]，國產(chǎn)CPU廠商飛騰公司7月發(fā)布了一款面向服務(wù)器應(yīng)用的多核心CPU芯片——騰云S2500,，該芯片采用16nm工藝制造,，芯片面積達(dá)400mm2，最多可配置64個FTC663架構(gòu)的CPU核心,，主頻2.0～2.2GHz,，三級緩存64MB，支持八通道DDR4內(nèi)存,，可提供800Gbps帶寬的四個直連接口,，支持2～8路并行，單系統(tǒng)可提供128～512個CPU核心的配置,，熱設(shè)計功耗為150W,。在飛騰2020生態(tài)合作伙伴大會上，長城,、浪潮,、同方、曙光,、中興通訊等15家國內(nèi)廠商也同時發(fā)布了各自基于騰云S2500的多路服務(wù)器產(chǎn)品,，軟件生態(tài)建設(shè)取得了可喜突破。

　　圖9.飛騰公司64核心CPU芯片騰云S2500 （來源：網(wǎng)絡(luò)圖片）

　　三,、為什么要采用多個核心,？

　　我們先從任務(wù)處理的角度來看這個問題。如果把CPU處理的事情叫做任務(wù)的話,，以前的CPU只有一個核心,，CPU只會“一心一用”地處理一個任務(wù)，干完一件事再接著干下一件事,。專業(yè)上稱之為串行單任務(wù)處理,。這在DOS操作系統(tǒng)的時代是合適的，這個時期對CPU的追求只有一條,，那就是處理速度要盡可能地快,。在Windows操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，出現(xiàn)了多任務(wù)的處理需求,，要求CPU可以“一心多用”,，同時干多件事情,。專業(yè)上稱之為分時多任務(wù)處理。這個時期對CPU的追求一是處理速度要盡可能地快,，二是同時可處理的任務(wù)盡可能地多,。其實這種“一心多用”的處理方法是把時間分配給了多個任務(wù)，從宏觀上看CPU處理的任務(wù)多了,，但從某項任務(wù)來看CPU對該項任務(wù)的處理速度變慢了,。

　　要實現(xiàn)CPU處理的任務(wù)更多、處理速度更快,，人們自然想到了在芯片中集成多個CPU核心,，采用“多心多用”的方式處理事務(wù)，因而就出現(xiàn)了多核心CPU的需求,，而這種需求在服務(wù)器CPU應(yīng)用方面顯得尤為迫切,。

　　我們再從提高CPU時鐘頻率，加快處理速度的角度來看這個問題,。無論是“一心一用”,、“一心多用”、還是“多心多用”,，只要提高了CPU的時鐘頻率,，CPU的處理速度都會加快。如論是單任務(wù)還是多任務(wù),，就會在更短時間完成任務(wù),。因此，CPU發(fā)展的歷史就是隨著芯片技術(shù)的進(jìn)步,，CPU的時鐘頻率不斷提升的歷史,，從早期的MHz級別不斷提升到目前的GHz級別，大約提升了1000倍左右,。無論是單核心還是多核心,，CPU時鐘頻率是人們選用CPU芯片的重要指標(biāo)。

　　過去很長一段時間里,，隨著Intel和AMD CPU速度越來越快,，x86操作系統(tǒng)上的軟件的性能和速度自然會不斷提高，系統(tǒng)整機廠家只要對現(xiàn)有軟件作輕微設(shè)置就能坐享電腦系統(tǒng)整體性能提升的好處,。

　　但是隨著芯片工藝沿著摩爾定律發(fā)展,，CPU集成度提高、晶體管密度加大,，時鐘頻率提升,，直接導(dǎo)致CPU芯片的功率不斷增大，散熱問題成為一個無法逾越的障礙,。據(jù)測算,，CPU主頻每增加1GHz,，功耗將上升25瓦,，而在芯片功耗超過150瓦后,，現(xiàn)有的風(fēng)冷散熱將無法滿足要求。2003年前后Intel推出的主頻為3.4GHz的Pentium4至尊版CPU芯片,，最高功耗已達(dá)135瓦,，有人給它送了一個“電爐”的綽號，更有好事者用它來玩煎蛋的游戲?，F(xiàn)在的服務(wù)器CPU芯片Xeon W-3175標(biāo)稱功耗為255W,，默認(rèn)頻率實測能達(dá)到380W，超頻的話甚至?xí)黄?00W,，必須采用高端水冷系統(tǒng)來降溫,。

　　所以，功耗極限制約著CPU頻率的提升,。下圖是CPU功率密度隨時間的變化趨勢圖,，IntelPentium之后的CPU芯片，由于晶體管密度和時鐘頻率提升,，CPU芯片的功率密度陡然上升,，CPU產(chǎn)生的熱量將會超過太陽表面。

　　圖10. CPU功率密度隨時間的變化趨勢圖（來源：魏少軍教授演講）

　　綜上所述,，追求多任務(wù)處理功能,，追求處理速度提升是CPU芯片設(shè)計的兩大目標(biāo)。以提升CPU時鐘頻率而加快處理速度又受到CPU功耗極限的制約,，多核心CPU芯片成為解決上述矛盾的必由之路,。目前，多核心CPU和SoC已成為處理器芯片發(fā)展的主流,。

　　四,、多核心CPU用到哪些技術(shù)？

　　與單核心CPU相比,，多核心CPU在體系結(jié)構(gòu),、軟件、功耗和安全性設(shè)計等方面面臨著巨大的挑戰(zhàn),，但也蘊含著巨大的潛能,。本文參考了后附的參考資料1,對多核心CPU用到的技術(shù)作如下簡單介紹。

　　1.超線程技術(shù)

　　一個傳統(tǒng)CPU核心只有一個運算處理單元（Processing Unit,，簡稱PU）和一個架構(gòu)狀態(tài)單元（Architectual State,，簡稱AS），在同一時間只能處理一個軟件線程（Thread）,。采用了超線程（Hyper-Threading,，簡稱HT）技術(shù)的CPU核心中包含一個PU和兩個AS,，兩個AS共用這個PU。軟件在CPU核心上運行時,，AS與軟件線程對接,，并把線程的任務(wù)分配到PU中的相關(guān)單元中。所以,，兩個AS就可以處理兩個軟件線程,。

　　用生產(chǎn)車間打個比方，PU是生產(chǎn)部門,，有幾臺機床用于生產(chǎn),；AS是跟單員，他同時只能跟一個任務(wù)訂單,；軟件線程好比是任務(wù)訂單,。如果生產(chǎn)車間只有一個AS時，這個車間同時只能處理一個任務(wù)訂單,，PU的有些機床有事干,，有些機床可能無事干而閑置。如果有兩個AS時,，就能處理兩個任務(wù)訂單,，并把任務(wù)分配到不同的機床上去完成。

　　所以,，具有超線程的CPU核心的集成度增加量不大,，但有兩個AS后使它看起來像兩個邏輯的CPU核心，就可以同時處理兩個軟件線程,，大約可以提高40%的處理能力,。所以，我們經(jīng)?？梢钥吹紺PU芯片廣告,，說某多核心CPU芯片是N個核心，2×N個線程,，就是采用了超線程帶來的好處,。否則，如果沒有采用超線程技術(shù)的話,，多核心CPU芯片參數(shù)就只能寫成N個核心,，N個線程。下圖給出了2核心CPU無超線程和有超線程的示意圖,。

　　圖11.多核心CPU的超線程的示意圖（來源：參考資料20）

　　2.核心結(jié)構(gòu)研究

　　多核心CPU的結(jié)構(gòu)分成同構(gòu)（homogeneous）多核和異構(gòu)（heterogeneous）多核兩類,，同構(gòu)多核是指芯片內(nèi)多個CPU核心的結(jié)構(gòu)是相同的，而異構(gòu)多核是指芯片內(nèi)多個CPU核心的結(jié)構(gòu)各不相同,。面對不同的應(yīng)用場景,，研究核心結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式對CPU整體性能至關(guān)重要,。核心本身的結(jié)構(gòu)，關(guān)系到整個芯片的面積,、功耗和性能,。怎樣繼承和發(fā)展傳統(tǒng)CPU的成果，也直接影響多核的性能和實現(xiàn)周期,。同時,，核心所用的指令系統(tǒng)對系統(tǒng)的實現(xiàn)也是很重要的,，多核心采用相同的指令系統(tǒng)還是不同的指令系統(tǒng),，能否運行操作系統(tǒng)等，也是設(shè)計者要研究的重要問題,。

　　3.Cache設(shè)計技術(shù)

　　CPU和主存儲器之間的速度差距對多核心CPU來說是個突出的矛盾,，因此必須使用多級Cache來緩解?？煞譃楣蚕硪患塁ache,、共享二級Cache和共享主存三種方式。多核心CPU一般采用共享二級Cache的結(jié)構(gòu),，即每個CPU核心擁有私有的一級Cache,，并且所有CPU核心共享二級Cache。

　　Cache本身的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能,。但是在多核心CPU中,，共享Cache或獨有Cache孰優(yōu)孰劣、是否在片上建立多級Cache,、以及建立幾級Cache等,，對整個芯片尺寸、功耗,、布局,、性能以及運行效率等都有很大的影響，需要認(rèn)真研究和慎重對待,。同時還要考慮多級Cache引發(fā)的一致性問題,。

　　4.核心間通信技術(shù)

　　多核心CPU的各核心同時執(zhí)行程序，有時需要在核心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與同步,，因此硬件結(jié)構(gòu)必須支持CPU核心間的通信,。高效通信機制是多核心CPU高性能的重要保障，比較主流的片上高效通信機制有兩種,，一種是基于總線共享的Cache結(jié)構(gòu),，另一種是基于片上的互連結(jié)構(gòu)。

　　總線共享Cache結(jié)構(gòu)是指每個CPU核心擁有共享的二級或三級Cache,，用于保存比較常用的數(shù)據(jù),，并通過核心間的連接總線進(jìn)行通信,。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，通信速度高,，缺點是基于總線的結(jié)構(gòu)可擴展性較差,。

　　片上互連的結(jié)構(gòu)是指每個CPU核心具有獨立的處理單元和Cache，各個CPU核心通過交叉開關(guān)電路或片上網(wǎng)絡(luò)等方式連接在一起,。各個CPU核心間通過消息進(jìn)行通信,。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可擴展性好，數(shù)據(jù)帶寬有保證,，缺點是硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，且軟件改動較大。

　　5.總線設(shè)計技術(shù)

　　傳統(tǒng)CPU中,，Cache不命中或訪問存儲器事件都會對CPU的執(zhí)行效率產(chǎn)生負(fù)面影響,，而總線接口單元（BIU）的工作效率會決定此影響的程度。在多核心CPU中,，當(dāng)多個CPU核心同時要求訪問內(nèi)存,，或多個CPU核心內(nèi)私有Cache同時出現(xiàn)Cache不命中事件時，BIU對這些訪問請求的仲裁機制效率,，以及對外存儲訪問的轉(zhuǎn)換機制的效率決定了多核心CPU系統(tǒng)的整體性能,。

　　6.針對多核心的操作系統(tǒng)

　　對于多核心CPU，優(yōu)化操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度是提升執(zhí)行效率的關(guān)鍵,。任務(wù)調(diào)度算法有全局隊列調(diào)度和局部隊列調(diào)度之分,。前者是指操作系統(tǒng)維護(hù)一個全局的任務(wù)等待隊列，當(dāng)系統(tǒng)中有一個CPU核心空閑時,，操作系統(tǒng)就從全局任務(wù)等待隊列中選取就緒任務(wù)開始在此核心上執(zhí)行,。其優(yōu)點是CPU核心利用率較高。后者是指操作系統(tǒng)為每個CPU核心維持一個局部的任務(wù)等待隊列,，當(dāng)系統(tǒng)中有一個CPU核心空閑時,，便從該核心的任務(wù)等待隊列中選取就緒任務(wù)來執(zhí)行。其優(yōu)點是有利于提高CPU核心局部Cache命中率,。大多數(shù)的多核心CPU操作系統(tǒng)采用的是基于全局隊列的任務(wù)調(diào)度算法,。

　　多核心CPU的中斷處理和單核CPU有很大不同。CPU核心之間需要通過中斷方式進(jìn)行通信和協(xié)調(diào),，所以,，CPU核心的本地中斷控制器和仲裁各CPU核心之間中斷的全局中斷控制器需要封裝在芯片內(nèi)部。

　　另外,，多核心CPU操作系統(tǒng)是一個多任務(wù)系統(tǒng),。由于不同任務(wù)會競爭共享資源，因此需要系統(tǒng)提供同步與互斥機制。而傳統(tǒng)的用于單核心CPU的解決機制并不能滿足多核心的情況,，需要利用硬件提供的“讀－修改－寫”的原始操作或其他同步互斥機制來進(jìn)行保證,。

　　7.低功耗設(shè)計技術(shù)

　　每兩三年CPU晶體管密度和功耗密度都會翻倍。低功耗和熱優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)成為多核心CPU設(shè)計的重點,。需要同時在操作系統(tǒng)級,、算法級、結(jié)構(gòu)級,、電路級等多個層次上考慮,。每個層次上實現(xiàn)的效果不同，抽象層次越高,，功耗和溫度降低的效果越明顯,。

　　8.可靠性及安全性設(shè)計技術(shù)

　　在今天的信息社會，CPU的應(yīng)用無處不在,，對CPU的可靠性和安全性提出了更高要求,。一方面多核心CPU復(fù)雜性提高，低電壓,、高主頻、高溫度對維持芯片安全運行帶來挑戰(zhàn),。另一方面,，來自外界惡意攻擊越來越多，手段越來越先進(jìn),，高可靠,、安全性設(shè)計技術(shù)越來越受到重視。

　　五,、多核心CPU是如何工作,？

　　要弄明白多核心CPU是如何工作，要從應(yīng)用程序,、操作系統(tǒng)和CPU核心一起來分析,。Windows操作系統(tǒng)作為任務(wù)調(diào)度者，按照進(jìn)程（Process）和線程（Thread）為應(yīng)用程序（Program）分配程序執(zhí)行的硬件資源——CPU核心,。一個進(jìn)程對應(yīng)一個應(yīng)用程序,，但是一個應(yīng)用程序可以同時對應(yīng)多個進(jìn)程，通過多個進(jìn)程來完成這個程序的執(zhí)行,。

　　應(yīng)用程序未執(zhí)行的時候是“靜態(tài)”的,，程序一旦被用戶啟動執(zhí)行，就被操作系統(tǒng)接管變成“動態(tài)”的了,。操作系統(tǒng)按照一個一個的進(jìn)程管理著一批被用戶啟動了的程序,。所以一個進(jìn)程可以看作是一個“執(zhí)行中的程序”，進(jìn)程中包括了由操作系統(tǒng)分配給這個程序的基本資源。

　　一個進(jìn)程又被細(xì)分為多個線程,，只有線程才能通過操作系統(tǒng)獲得CPU核心的使用權(quán)限來讓自己運行,。只包含一個線程的進(jìn)程可以叫做單線程程序，如果包含多個線程的進(jìn)程,，就可以叫做多線程程序了,。

　　程序的線程要想獲得CPU時間，必須進(jìn)入操作系統(tǒng)的線程隊列排隊,，經(jīng)過操作系統(tǒng)調(diào)度之后,，獲得某個CPU核心的執(zhí)行時間。操作系統(tǒng)對CPU核心的分派是非常復(fù)雜的過程,，誰也無法用簡短的文字說清楚具體詳細(xì)的過程,。以下按單核心CPU和4核心CPU兩種情況來示意說明，程序進(jìn)程的一個個線程,，是如何分派到CPU核心上進(jìn)行執(zhí)行的[7],。

　　如果CPU是單核心的話，而且沒有采取超線程技術(shù),，線程隊列就只有1個,，線程的選擇也只有1個。如果采取了超線程技術(shù),，單核心就擴展成2個邏輯核心,，線程隊列就有2個，線程的選擇就有2個,。如下圖所示,。

　　圖12.應(yīng)用程序在單核心CPU上按線程調(diào)度執(zhí)行的示意圖（無超線程）

　　圖13.應(yīng)用程序在單核心CPU上按線程調(diào)度執(zhí)行的示意圖（有超線程）

　　如果CPU是4核心的話，而且沒有采取超線程技術(shù),，線程隊列就只有4個,，線程的選擇也只有4個。如果采取了超線程技術(shù),，4核心就擴展成8個邏輯核心,，線程隊列就有8個，線程的選擇就有8個,。如下圖所示,。

　　圖14.應(yīng)用程序在4核心CPU上按線程調(diào)度執(zhí)行的示意圖（無超線程）

　　圖15.應(yīng)用程序在4核心CPU上按線程調(diào)度執(zhí)行的示意圖（有超線程）

　　如果站在多核心CPU角度看，每個CPU核心不斷從操作系統(tǒng)收到要執(zhí)行的軟件線程,，按照程序指令去完成規(guī)定任務(wù),，它可能要使用存儲器、運算器,、輸入輸出等部件,，還要與其它CPU核心進(jìn)行通信和傳遞數(shù)據(jù)，完成任務(wù)后還要報告。這些過程可看成一個一個的事件,，都要通過事件中斷處理部件來協(xié)調(diào),。多核心CPU的硬件調(diào)度處理模式大致有三種[8][18]。

　　1.對稱多處理（Symmetric Multi-Processing,，簡稱SMP）是目前使用最多的模式,。在SMP模式下，一個操作系統(tǒng)同等地管理著各個CPU核心,，并為各個核心分配工作負(fù)載,。目前，大多數(shù)的操作系統(tǒng)都支持SMP模式,，例如Linux,，Windows，Vxworks等,。另外,，這種模式通常用在同構(gòu)多核CPU上，因為異構(gòu)多核CPU的結(jié)構(gòu)不同,，實現(xiàn)SMP比較復(fù)雜,。

　　2.非對稱多處理（Asymmetric Multi-Processing，簡稱AMP）是指多個核心相對獨立地運行著不同的任務(wù),，每個核心可能運行不同的操作系統(tǒng)或裸機程序,，或者不同版本的操作系統(tǒng)，但是有一個主導(dǎo)的CPU核心,，用來控制其它從屬的CPU核心以及整個系統(tǒng)。這種模式大多情況是異構(gòu)多核心CPU,。例如MCU + DSP,，MCU +FPGA等。當(dāng)然,，同構(gòu)多核心CPU也可以用,。

　　3.邊界多處理（Bound Multi-processing，簡稱BMP）與SMP基本相同,，唯一區(qū)別是開發(fā)者可以定義某個任務(wù)僅在某個CPU核心上執(zhí)行,。

　　以上只是原理性的簡單介紹，如果要了解多核心CPU的硬件調(diào)度原理和實現(xiàn)細(xì)節(jié),，恐怕只能打進(jìn)Intel或AMD公司內(nèi)部,，才能了解更多技術(shù)詳情。

　　六,、多核心CPU的仁智各見

　　多核心CPU中的核心是否越多越好,，多CPU系統(tǒng)中的CPU芯片是否也越多越好？同樣條件下是否具有超線程就比不具有超線程的好？回答是仁者見仁,，智者見智,。主要是要分清用在哪些場合，不能一概而論,。

　　首先,，多核心CPU或者多CPU之間需要同步和調(diào)度，這是以時間開銷和算力損耗為代價的,。如果CPU核心數(shù)或者CPU芯片數(shù)增加對系統(tǒng)處理能力提升是加分項的話,，同步和調(diào)度帶來的時間開銷和算力損耗就是減分項。如果加分大于減分,，而且成本增加可接受的話,，則方案是可行的，否則就是不值當(dāng)?shù)姆桨?。系統(tǒng)方案的評判除了要考慮CPU核心數(shù)量以外,，還要考慮操作系統(tǒng)的差異、調(diào)度算法的不同,，應(yīng)用和驅(qū)動程序特點等因素,，它們共同影響著系統(tǒng)的處理速度。以下是一些文章的討論觀點,。

　　1. CPU核心越多,，執(zhí)行速度不一定越快。這里說的是“不一定”,，因為一個線程可能要等待其它線程或進(jìn)程完成后,，才能輪到它繼續(xù)執(zhí)行。在它等待別的線程或進(jìn)程的時候,，即便排隊隊列輪到了它,，它也只能放棄運行權(quán)利而繼續(xù)等待，讓隊列后續(xù)線程超過它在CPU上執(zhí)行,。對它這個線程的程序來說是變慢了,，但對系統(tǒng)來說，它起碼它讓開了位置讓其它線程繼續(xù)運行,。多核心CPU肯定可以加速批量進(jìn)程的執(zhí)行,，但對某個進(jìn)程或者某類型的程序來說，未必是最快的,。

　　2.智能手機要向用戶提供優(yōu)秀的使用體驗,，不僅僅是靠CPU性能一個方面。除了CPU核心數(shù)這個因素以外,，還應(yīng)包括決定通信質(zhì)量的基帶芯片的性能,，再加上GPU的性能,、游戲和VR應(yīng)用性能等。系統(tǒng)綜合性能好才是真的好,。

　　3.聯(lián)發(fā)科2015年推出10核心,、3重架構(gòu)等手機SoC芯片技術(shù)，后來又開發(fā)了10核心,、4重架構(gòu)helio X30,，通過多重架構(gòu)的方式來降低功耗。雖然聯(lián)發(fā)科在多核心SoC方面的技術(shù)優(yōu)勢是毋庸置疑,，但是高通在2015年底推出了僅有四個核心的驍龍820芯片,，蘋果手機較早使用的SoC芯片也不過是雙核心而已。這些都表明,，對于智能手機而言,，多核心CPU或SoC的意義到底大不大，不可絕對斷言,，需要從系統(tǒng)角度分析才能得出正確結(jié)論,。

　　結(jié)語：多核心CPU和SoC是為了滿足整機系統(tǒng)對處理能力和處理速度不斷提升的需求，在單核心CPU沿著摩爾定律向前發(fā)展,，受到了芯片功率極限阻礙時,，人們不得不選擇的一種突破路線。多核心CPU推動著操作系統(tǒng)的更新和升級,，操作系統(tǒng)又決定了多核心CPU效能的發(fā)揮,。多核心CPU技術(shù)的難點是多核心之間的信息傳遞、數(shù)據(jù)同步和任務(wù)調(diào)度等,。系統(tǒng)性能優(yōu)劣不能只考慮CPU核心數(shù)量,，還要考慮操作系統(tǒng)、調(diào)度算法,、應(yīng)用和驅(qū)動程序等,。多核心CPU技術(shù)和FinFET等3D芯片技術(shù)可以看作是延續(xù)摩爾定律生命的兩大關(guān)鍵技術(shù)。