多核處理器設(shè)計的九大關(guān)鍵問題

雖然多核能利用集成度提高帶來的諸多好處，讓芯片的性能成倍地增加，但很明顯的是原來系統(tǒng)級的一些問題便引入到了處理器內(nèi)部。

1 核結(jié)構(gòu)研究: 同構(gòu)還是異構(gòu)

CMP的構(gòu)成分成同構(gòu)和異構(gòu)兩類，同構(gòu)是指內(nèi)部核的結(jié)構(gòu)是相同的，而異構(gòu)是指內(nèi)部的核結(jié)構(gòu)是不同的。為此，面對不同的應(yīng)用研究核結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)對未來微處理器的性能至關(guān)重要。核本身的結(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)處理器的成果，直接影響多核的性能和實現(xiàn)周期。同時，根據(jù)Amdahl定理，程序的加速比決定于串行部分的性能，所以，從理論上來看似乎異構(gòu)微處理器的結(jié)構(gòu)具有更好的性能。

核所用的指令系統(tǒng)對系統(tǒng)的實現(xiàn)也是很重要的，采用多核之間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，也將是研究的內(nèi)容之一。

2 程序c

多核處理器設(shè)計的首要問題是選擇程序執(zhí)行模型。程序執(zhí)行模型的適用性決定多核處理器能否以最低的代價提供最高的性能。程序執(zhí)行模型是編譯器設(shè)計人員與系統(tǒng)實現(xiàn)人員之間的接口。編譯器設(shè)計人員決定如何將一種高級語言程序按一種程序執(zhí)行模型轉(zhuǎn)換成一種目標(biāo)機器語言程序; 系統(tǒng)實現(xiàn)人員則決定該程序執(zhí)行模型在具體目標(biāo)機器上的有效實現(xiàn)。當(dāng)目標(biāo)機器是多核體系結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生的問題是: 多核體系結(jié)構(gòu)如何支持重要的程序執(zhí)行模型？是否有其他的程序執(zhí)行模型更適于多核的體系結(jié)構(gòu)？這些程序執(zhí)行模型能多大程度上滿足應(yīng)用的需要并為用戶所接受？

3 Cache設(shè)計: 多級Cache設(shè)計與一致性問題

處理器和主存間的速度差距對CMP來說是個突出的矛盾，因此必須使用多級Cache來緩解。目前有共享一級Cache的CMP、共享二級Cache的CMP以及共享主存的CMP。通常，CMP采用共享二級Cache的CMP結(jié)構(gòu)，即每個處理器核心擁有私有的一級Cache，且所有處理器核心共享二級Cache。

Cache自身的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計也直接關(guān)系到系統(tǒng)整體性能。但是在CMP結(jié)構(gòu)中，共享Cache或獨有Cache孰優(yōu)孰劣、需不需要在一塊芯片上建立多級Cache，以及建立幾級Cache等等，由于對整個芯片的尺寸、功耗、布局、性能以及運行效率等都有很大的影響，因而這些都是需要認(rèn)真研究和探討的問題。

另一方面，多級Cache又引發(fā)一致性問題。采用何種Cache一致性模型和機制都將對CMP整體性能產(chǎn)生重要影響。在傳統(tǒng)多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中廣泛采用的Cache一致性模型有: 順序一致性模型、弱一致性模型、釋放一致性模型等。與之相關(guān)的Cache一致性機制主要有總線的偵聽協(xié)議和基于目錄的目錄協(xié)議。目前的CMP系統(tǒng)大多采用基于總線的偵聽協(xié)議。

4 核間通信技術(shù)

CMP處理器的各CPU核心執(zhí)行的程序之間有時需要進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與同步，因此其硬件結(jié)構(gòu)必須支持核間通信。高效的通信機制是CMP處理器高性能的重要保障，目前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)，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內(nèi)核擁有共享的二級或三級Cache，用于保存比較常用的數(shù)據(jù)，并通過連接核心的總線進(jìn)行通信。這種系統(tǒng)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。