0 多核程序设计课程介绍.ppt

多核程序设计 吉林大学计算机科学与技术学院 包铁 邮箱：baotie@jlu.edu.cn 课程介绍 一、课程安排 通用微处理器的主频已经突破了3GHz 数据宽度也达到64位 65nm工艺的微处理器已经批量生产 45nm工艺以下的微处理器也已比较普及 芯片上集成的晶体管数目已经超过10亿个 通常所说的纳米制作工艺并非是加工生产线，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在一块硅晶圆片上集成所数以万计的晶体管之间的连线宽度。按技术语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。 CPU功耗发展图 四、课程内容简介 * * 一、课程安排 四、课程内容简介 二、多核发展的必然性 三、多核挑战软件开发 课程性质：专业选修课 课时：33学时 成绩评定: 期末笔试考试 平时成绩 二、多核技术是处理器发展的必然 处理器性能提高的途径： 工艺和电路技术的发展使得处理器性能提高； 体系结构的发展使得处理器性能提高； 编译技术的发展使得处理器性能提高。 因此推动处理器性能不断提高的主要因素： 半导体工艺技术的飞速进步； 体系结构的不断发展。 多核的概念: 在一个单芯片上面集成两个甚至更多个处理器内核，其中每个处理器都有自己的逻辑单元、控制单元、中断控制器、运算单元、一级缓存，二级缓存共享或独有，其部件的完整性和单核处理器内核完全一致。 多核与多处理器（多CPU）的区别： 多核是指一个处理器芯片有多个处理器核心，他们之间通过CPU内部总线进行通讯。 多处理器是指简单的多个处理器芯片工作在同一个系统上，多个处理器之间的通讯是通过主板上的总线进行的。 下面我们从以下多个方面分析多核技术是处理器发展的必然趋势。 1 半导体工艺技术的飞速进步 2 Pollack规则 3 能耗 4 设计成本 1 半导体工艺技术的飞速进步： 如何有效地利用数目众多的晶体管？ 多核技术 通过在一个芯片上集成多个简单的处理器核，利用这些晶体管资源，发挥其最大的能效。 1 半导体工艺技术的飞速进步： 早期的微处理器都是使用0.5微米工艺制造出来的，随着CPU频率的增加，原有的工艺已无法满足产品的要求，这样便出现了0.35微米以及0.25微米工艺，不久以后，0.18微米、0.13微米、90纳米、65纳米以及45纳米制造的处理器产品也相继面世。 2 Pollack规则： 如一个处理器的硬件逻辑提高一倍，至多能提高性能40％。 采用两个简单处理器构成一个相同硬件规模的双核处理器，可获得70％～80％的性能提升。 多核技术符合Pollack规则 英特尔微处理器实验室主任Fred Pollack ：从386起，英特尔每一新架构需要两到三倍的晶片面积，而性能只提升1.4到1.7倍。 两代处理器，性能每提升一倍，复杂性便增加4倍；速度提升4倍，电晶体就要多用16倍。 简言之，性能的提升与复杂性的平方根成比例。 3 能耗： （1）工艺技术的发展和芯片复杂性的增加，芯片的发热现象日益突出。 （2）单核高频率的处理器功耗太大，发热量太大。 （3）多核可以提高性能，且能较好解决功耗问题。 （4）多核处理器可以采用降低功耗的技术：如可以关闭一些处理器。 4 设计成本： （1）处理器结构复杂性的不断提高，人力成本的不断攀升，设计成本随时间呈线性甚至超线性的增长。 （2）研发高频率处理器的成本越来越高。 多核处理器可有效控制成本： 处理器IP核重用，设计成本极大降低； 模块的验证成本也显著下降。 （3）Intel发布3.8GHz的产品，宣布停止4GHz的产品计划。 AMD频率超过2GHz以后无法大幅度提升。 三、多核挑战软件开发 中科院软件所并行计算实验室副主任张云泉：“从某种程度上说，对于软件开发者而言，CPU主频提升就像是免费的午餐，此前所有的程序很自然地会从主频的提升中受益，而如今多核出现了，这种免费的午餐没有了。我们必须针对多核重新进行软件设计” 。 要发挥多核处理器的优势,必须进行并行程序的设计与开发。 未来多核芯片将无处不在，针对多核的软件开发将是摆在软件产业界面前的一大挑战。 传统的科学计算 原有软件大都是并行的 多核提供了更高性能的执行平台 需要做的是针对多核进行优化,多核应用不存在困难 服务器软件 业务特征是并发的,应用具有天然的并发性 多核提供了一个高性能计算平台, 面临挑战不大 原有大部分程序是串行的 需要很好的并行编程模型和开发环境,挑战很大 桌面软件 多核对不同领域