單個(gè)花生超產(chǎn)（打一芯片技術(shù)）

謎底：多核

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一個(gè)花生要是超產(chǎn)了，必定有多個(gè)果仁兒，對吧？果仁兒又叫做“核兒”，所以這個(gè)謎底就是“多核”下面介紹一些有趣的多核知識(shí)。

多內(nèi)核是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核)。多核技術(shù)的開發(fā)源于工程師們認(rèn)識(shí)到，僅僅提高單核芯片的速度會(huì)產(chǎn)生過多熱量且無法帶來相應(yīng)的性能改善，先前的處理器產(chǎn)品就是如此。他們認(rèn)識(shí)到，在先前產(chǎn)品中以那種速率，處理器產(chǎn)生的熱量很快會(huì)超過太陽表面。即便是沒有熱量問題，其性價(jià)比也令人難以接受，速度稍快的處理器價(jià)格要高很多。

英特爾工程師們開發(fā)了多核芯片，使之滿足“橫向擴(kuò)展”（而非“縱向擴(kuò)充”）方法，從而提高性能。該架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了“分治法”戰(zhàn)略。通過劃分任務(wù)，線程應(yīng)用能夠充分利用多個(gè)執(zhí)行內(nèi)核，并可在特定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行更多任務(wù)。多核處理器是單枚芯片（也稱為“硅核”），能夠直接插入單一的處理器插槽中，但操作系統(tǒng)會(huì)利用所有相關(guān)的資源，將它的每個(gè)執(zhí)行內(nèi)核作為分立的邏輯處理器。通過在兩個(gè)執(zhí)行內(nèi)核之間劃分任務(wù)，多核處理器可在特定的時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行更多任務(wù)。

多核架構(gòu)能夠使用的軟件更出色地運(yùn)行，并創(chuàng)建一個(gè)促進(jìn)未來的軟件編寫更趨完善的架構(gòu)。盡管認(rèn)真的軟件廠商還在探索全新的軟件并發(fā)處理模式，但是，隨著向多核處理器的移植，已有軟件無需被修改就可支持多核平臺(tái)。操作系統(tǒng)專為充分利用多個(gè)處理器而設(shè)計(jì)，且無需修改就可運(yùn)行。為了充分利用多核技術(shù)，應(yīng)用開發(fā)人員需要在程序設(shè)計(jì)中融入更多思路，但設(shè)計(jì)流程與對稱多處理 (SMP) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程相同，并且單線程應(yīng)用也繼續(xù)運(yùn)行。

得益于線程技術(shù)的應(yīng)用在多核處理器上運(yùn)行時(shí)將顯示出卓越的性能可擴(kuò)充性。此類軟件包括多媒體應(yīng)用（內(nèi)容創(chuàng)建、編輯，以及本地和數(shù)據(jù)流回放）、工程和其他技術(shù)計(jì)算應(yīng)用以及諸如應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等中間層與后層服務(wù)器應(yīng)用。

多核技術(shù)能夠使服務(wù)器并行處理任務(wù)，此前，這可能需要使用多個(gè)處理器，多核系統(tǒng)更易于擴(kuò)充，并且能夠在更纖巧的外形中融入更強(qiáng)大的處理性能，這種外形所用的功耗更低、計(jì)算功耗產(chǎn)生的熱量更少。多核技術(shù) 是處理器發(fā)展的必然。

為什么要發(fā)展多核

為什么不能用單核的設(shè)計(jì)達(dá)到用戶對處理器性能不斷提高的要求呢？答案是功耗問題限制了單核處理器不斷提高性能的發(fā)展途徑。

作為計(jì)算機(jī)核心的處理器就是將輸入的數(shù)字化的數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)行加工和處理，然后將結(jié)果輸出。假定計(jì)算機(jī)的其他子系統(tǒng)不存在瓶頸的話，那么影響計(jì)算機(jī)性能高低的核心部件就是處理器。反映在指令上就是處理器執(zhí)行指令的效率。

處理器性能 = 主頻 x IPC

從上面的公式可以看出，衡量處理器性能的主要指標(biāo)是每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行的指令數(shù)(IPC: Instruction Per Clock)和處理器的主頻。其實(shí)頻率就是每秒鐘做周期性變化的次數(shù)，1秒鐘只有1次時(shí)鐘周期的改變叫1Hz(赫茲)。主頻為1GHz 就是1秒鐘有10億個(gè)時(shí)鐘周期。

因此，提高處理器性能就是兩個(gè)途徑：提高主頻和提高每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)(IPC)。處理器微架構(gòu)的變化可以改變IPC，效率更高的微架構(gòu)可以提高IPC從而提高處理器的性能。但是，對于同一代的架構(gòu)，改良架構(gòu)來提高IPC的幅度是非常有限的，所以在單核處理器時(shí)代通過提高處理器的主頻來提高性能就成了唯一的手段。

不幸的是，給處理器提高主頻不是沒有止境的，從下面的推導(dǎo)中可以看出，處理器的功耗和處理器內(nèi)部的電流、電壓的平方和主頻成正比，而主頻和電壓成正比。

因?yàn)椋?“處理器功耗 正比于 電流x 電壓 x 電壓 x 主頻”，“主頻 正比于 電壓”

所以：“處理器功耗 正比于 主頻的三次方”

如果通過提高主頻來提高處理器的性能，就會(huì)使處理器的功耗以指數(shù)(三次方)而非線性(一次方)的速度急劇上升，很快就會(huì)觸及所謂的“頻率的墻”(frequency wall)。過快的能耗上升，使得業(yè)界的多數(shù)廠商尋找另外一個(gè)提高處理器性能的因子，提高IPC。

提高IPC可以通過提高指令執(zhí)行的并行度來實(shí)現(xiàn)，而提高并行度有兩種途徑：一是提高處理英特爾®酷睿™ 架構(gòu)5大優(yōu)勢器微架構(gòu)的并行度；二是采用多核架構(gòu)。

在采用同樣的微架構(gòu)的情況下，為了達(dá)到處理器IPC的目的，我們可以采用多核的方法，同時(shí)有效地控制功耗的急劇上升。為什么？看看下面的推導(dǎo)。

因?yàn)椋?ldquo;處理器功耗 正比于 電流x 電壓 x 電壓 x 主頻”，“IPC 正比于 電流”

所以：“處理器功耗 正比于 IPC”

由單核處理器增加到雙核處理器，如果主頻不變的話，IPC理論上可以提高一倍，功耗理論上也就最多提高一倍，因?yàn)楣牡脑黾邮蔷€性的。而實(shí)際情況是，雙核處理器性能達(dá)到單核處理器同等性能的時(shí)候，前者的主頻可以更低，因此功耗的下降也是指數(shù)方(三次方)下降的。反映到產(chǎn)品中就是雙核處理器的起跳主頻可以比單核處理器更低，性能更好。

由此可見，將來處理器發(fā)展的趨勢是：為了達(dá)到更高的性能，在采用相同微架構(gòu)的情況下，可以增加處理器的內(nèi)核數(shù)量同時(shí)維持較低的主頻。這樣設(shè)計(jì)的效果是，更多的并行提高IPC，較低的主頻有效地控制了功耗的上升。

除了多核技術(shù)的運(yùn)用，采用更先進(jìn)的高能效微架構(gòu)可以進(jìn)一步提高IPC和降低功耗——即提高能效?；谟⑻貭?amp;reg;酷睿™ 架構(gòu)的英特爾® 酷睿™ 2 雙核處理器和至強(qiáng)處理器就是現(xiàn)實(shí)中的例子。相比英特爾前一代的NetBurst 微架構(gòu)(Intel® Pentium® 4 和Pentium® D)，酷睿微架構(gòu)采用的英特爾® 寬區(qū)動(dòng)態(tài)執(zhí)行引擎和英特爾® 高級數(shù)字媒體增強(qiáng)技術(shù)，就是提高IPC的創(chuàng)新技術(shù)；英特爾® 智能功率特性則是降低微架構(gòu)功耗的技術(shù)。

一些芯片的廠商指出，當(dāng)處理器的頻率達(dá)到某種程度后，處理器在工作量的要求會(huì)比速度的要求要大，且0.13微米所含的晶體管已很高，將來65納米和45納米，其1組光罩的成本會(huì)倍增。但是，這種成本成倍的增長并不會(huì)給廠商們帶來相應(yīng)的收入增長。且發(fā)熱量和干擾的因素的介入使得集成度和處理器的頻率已經(jīng)越來越趨近于一個(gè)極限。

因此，使摩爾定律失效的有可能是技術(shù)，有可能是經(jīng)濟(jì)效益。

處理器實(shí)際性能是處理器在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所能處理器指令數(shù)的總量，因此增加一個(gè)內(nèi)核，理論上處理器每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍。原因很簡單，因?yàn)樗梢圆⑿械膱?zhí)行指令，含有幾個(gè)內(nèi)核，單位時(shí)間可以執(zhí)行的指令數(shù)量上限就會(huì)增加幾倍。而在芯片內(nèi)部多嵌入幾個(gè)內(nèi)核的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比加大內(nèi)核的集成度要簡單很多。于是，多核就能夠在不提高生產(chǎn)難度的前提下，用多個(gè)低頻率核心產(chǎn)生超過高頻率單核心的處理效能，特別是服務(wù)器產(chǎn)品需要面對大量并行數(shù)據(jù)，多核心分配任務(wù)更能夠提高工作效率?？梢钥醋饕环N多處理器協(xié)作的微縮形式，并且達(dá)到更加的性能價(jià)格比，一套系統(tǒng)達(dá)到多套系統(tǒng)的性能。

多核的介入，使得摩爾定律在另一個(gè)層面的意義上，避免了尷尬的局面。從單核到雙核到多核的發(fā)展就證明了摩爾定律還是非常正確的。從單核到雙核再到多核的發(fā)展，可能是摩爾定律問世以來在芯片發(fā)展歷史上速度最快的性能提升過程。"