为什么微处理器要从单核转向多核？

作者 赵军

 

自从英特尔在2005年推出了第一代双核处理器之后，我们经常会被用户问到这个问题，为什么微处理要从单核转向多核？计算机上不断涌现的新兴使用模式让最终用户对处理器的处理能力——即性能——提出了更高的要求，并且对性能每年提高的幅度还在不断加速，而多核技术是目前行之有效的方法。

图注：如何将处理器性能提高10倍——采用多核技术

为什么不能用单核的设计达到用户对处理器性能不断提高的要求呢？答案是功耗问题限制了单核处理器不断提高性能的发展途径。

作为计算机核心的处理器就是将输入的数字化的数据和信息，进行加工和处理，然后将结果输出。假定计算机的其他子系统不存在瓶颈的话，那么影响计算机性能高低的核心部件就是处理器。反映在指令上就是处理器执行指令的效率。

处理器性能 = 主频 x IPC

从上面的公式可以看出，衡量处理器性能的主要指标是每个时钟周期内可以执行的指令数(IPC: Instruction Per Clock)和处理器的主频。其实频率就是每秒钟做周期性变化的次数，1秒钟只有1次时钟周期的改变叫1Hz(赫兹)。主频为1GHz 就是1秒钟有10亿个时钟周期。

因此，提高处理器性能就是两个途径：提高主频和提高每个时钟周期内执行的指令数(IPC)。处理器微架构的变化可以改变IPC，效率更高的微架构可以提高IPC从而提高处理器的性能。但是，对于同一代的架构，改良架构来提高IPC的幅度是非常有限的，所以在单核处理器时代通过提高处理器的主频来提高性能就成了唯一的手段。

不幸的是，给处理器提高主频不是没有止境的，从下面的推导中可以看出，处理器的功耗和处理器内部的电流、电压的平方和主频成正比，而主频和电压成正比。

因为： “处理器功耗 正比于 电流x 电压 x 电压 x 主频”，“主频 正比于 电压”

所以：“处理器功耗 正比于 主频的三次方”

如果通过提高主频来提高处理器的性能，就会使处理器的功耗以指数(三次方)而非线性(一次方)的速度急剧上升，很快就会触及所谓的“频率的墙”(frequency wall)。过快的能耗上升，使得业界的多数厂商寻找另外一个提高处理器性能的因子，提高IPC。

提高IPC可以通过提高指令执行的并行度来实现，而提高并行度有两种途径：一是提高处理器微架构的并行度；二是采用多核架构。

在采用同样的微架构的情况下，为了达到处理器IPC的目的，我们可以采用多核的方法，同时有效地控制功耗的急剧上升。为什么？看看下面的推导。

因为：“处理器功耗 正比于 电流x 电压 x 电压 x 主频”，“IPC 正比于 电流”

所以：“处理器功耗 正比于 IPC”

由单核处理器增加到双核处理器，如果主频不变的话，IPC理论上可以提高一倍，功耗理论上也就最多提高一倍，因为功耗的增加是线性的。而实际情况是，双核处理器性能达到单核处理器同等性能的时候，前者的主频可以更低，因此功耗的下降也是指数方(三次方)下降的。反映到产品中就是双核处理器的起跳主频可以比单核处理器更低，性能更好。

由此可见，将来处理器发展的趋势是：为了达到更高的性能，在采用相同微架构的情况下，可以增加处理器的内核数量同时维持较低的主频。这样设计的效果是，更多的并行提高IPC，较低的主频有效地控制了功耗的上升。

除了多核技术的运用，采用更先进的高能效微架构可以进一步提高IPC和降低功耗——即提高能效。基于英特尔®酷睿™ 架构的英特尔® 酷睿™ 2 双核处理器和至强处理器就是现实中的例子。相比英特尔前一代的NetBurst 微架构(Intel® Pentium® 4 和Pentium® D)，酷睿微架构采用的英特尔® 宽区动态执行引擎和英特尔® 高级数字媒体增强技术，就是提高IPC的创新技术；英特尔® 智能功率特性则是降低微架构功耗的技术。