46、多核计算：硬件与软件架构解析

多核计算：硬件与软件架构解析

1. 多核架构分类

1.1 架构分类概述

在详细研究处理器架构之前，我们先对架构类别进行高层次的分类。这种通用分类聚焦于处理器核心、缓存层级的组织方式，以及加速器等主要组件，同时简化了互连结构和 I/O 等其他组件和机制。

1.2 具体架构类型

• 同质架构（Homogeneous） ：同质 CPU 架构是最简单的多处理器架构，所有 CPU 核心完全相同。每个核心都有私有的一级（L1）指令和数据缓存，通常还有二级（L2）缓存。这些核心通过互连结构连接到共享的末级缓存（LLC 或 L3），再通过它连接到外部主内存。互连网络可以是简单的总线或环形结构，也可以是基于网格的片上网络。
• 异质架构（Heterogeneous）
  • 复杂度不同的异质架构 ：多处理器系统包含不同复杂度的 CPU 核心，允许运行时系统进行性能/功耗权衡。
  • 多指令集架构（ISA）的异质架构 ：不同 ISA 的处理器核心存在于同一多处理器系统中，以满足大型系统中不同软件组件的不同功能需求。
• GPU 增强架构 ：GPU 近年来成为多核处理器异质性的重要组成部分。尽管最初是为特定图形渲染任务设计的，但它在程序员能明确识别并行性的各种通用应用中受到青睐。
• 加速器架构 ：加速器是现