多線程處理器發展淺析

摘 要:本文著重于多線程處理器的發展前景，結合其硬件特點從物理核心作為分析入口，通過當今多核心處理器產品實例的優缺點來闡明超線程技術的發展趨勢。

關鍵詞:多核心 處理器 多線程 超線程

中圖分類號:TP338文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0018-01

所謂多線程，就是一種基于計算機軟、硬件系統的處理技術，是具備并行處理多任務處理能力的計算平臺。多線程技術也可以用于區別各種任務，以便分配給更多對時間比較敏感的流量的優先權。在相當長的一段時間內基于硬件的多線程技術其實已經存在了，如果用戶在日常工作中經常接觸高性能的服務器、工作站，對于經常使用的四路、八路、十六路甚至三十二路或者更多的處理組合，這就不是什么新的技術。通俗的講，就是利用多顆處理器搭建起來的計算平臺來處理多任務的多線程技術。處理器是獨立的，又通過總線進行數據交換，從這看又是并行的處理結構，并行的處理結構能同時處理多個線程。

在20世紀后期，計算機平臺處理能力的基本單位是以處理器的顆數來決定的，一顆處理器只能達到處理一個線程的處理能力。在出現面向以工作站、服務器領域為工作平臺的系統軟件也是根據處理器的數量進行分類的，系統軟件也是以處理器的數量衡量性能。幾路處理器就需要安裝相應的能支持處理器數量的系統軟件。為了能使處理器充分的榨取性能來數據處理，出現了超線程技術。超線程技術就是把處理器空閑的資源加以充分利用，把單個處理器邏輯出多核處理器的方式工作，在運行操作系統上會顯示出兩個或多個邏輯處理器讓操作系統調用，于是操作系統就能將多個指令、線程交送到處理器來處理，這也就實現了對兩個或多個線程的并行處理。

進入21世紀，出現了多線程處理器。英特爾公司、AMD公司等，早已把多線程技術引入服務器領域。目前硬件多線程已經成為主流應用，并越來越被視為處理器設計中實現最佳性能的有效方法。在一個支持超線程技術的平臺上，一顆處理器具備的計算能力是兩個線程，所以單顆處理器其實也已經具備了一個雙線程的能力。最初，超線程的技術還是首先用在了服務器平臺上，但最眾所周知的具備超線程技術的處理器，就是曾經劃時代的Inter奔騰Ⅳ產品線。在Inter奔騰Ⅳ大獲成功之后，處理器又開始了一次更大的多核化變革，這次的變革不是發生在邏輯層次而是發生在物理層面上的變化。從Intel公司出品奔騰Ⅳ系列開始，雙核心處理器逐漸嶄露頭角。此時的雙核心處理器在物理意義上就是兩個完整的處理核心封包在一個核心中，與雙路系統的兩顆完全分開的物理處理器不同，這兩個完整的處理內核并存在一個處理器的內部，內核之間通訊不再需要通過處理器外部的總線來實現。當然，雙核心的處理器也能夠完成對兩個指令的同時處理，也具備雙線程的處理能力，也就是雙核心、四線程的處理能力。

當今，多核心處理器已在市面上完全普及起來。不論是Intel還是AMD，在他們的產品列表上，單核心的處理器型號甚至雙核處理器都已經基本不見蹤跡，而與此同時，三核、四核、甚至六核都已經面世，而且價格低廉。AMD最新曝光的“推土機”系列雙路32核心的平臺性能卓越，同雙核心處理器相同原理，四核心處理器就是把四個完整計算內核整合到一個處理器當中，每個核心都具有超線程的處理能力。而如果你是用四核心的處理器組成一個四路計算平臺的話，4×2×4=32個線程的處理能力，在打開資源管理器的時候，看到32個線程同時工作的場景會是一件會令人向往的事情。

不過，也許你已經注意到，在整合多核心的一段時間內，超線程技術幾乎發生里停滯不前的狀況，在現在看多核心已經成了當今處理器發展的一個趨勢，衡量處理器處理能力首先關注核心數量，因此市面上也隨之出現了Inter、AMD的雙核心、三核心、四核心甚至六核心的處理器，AMD速龍ⅡX4系列就是四核心四線程，處于成本考慮精簡了三級緩存，AMD中高端系列羿龍ⅡX4系列增加6M三級緩存，性能提升較為明顯，羿龍ⅡX6系列只是簡單的由X4系列增加兩個物理核心而已，都是單線程多核心性能提升不明顯。所以AMD為了挽回高端處理器的頹勢，推出了推土機架構的FX系列處理器，同樣也有高中低的策略，低端的FX-4系列擁有4核心、4M二級緩存、8M三級緩存，中端FX-6系列擁有6核心、6M二級緩存、8M三級緩存，高端FX-8系列擁有8核心、6M二級緩存、8M三級緩存，性能的提升還是以核心的數量來決定，同時緩存的增加也起到部分作用。

與此同時，Intel卻采用了截然不同的產品策略，也就是在發展核心數的同時，也在線程處理能力方面發力。本來超線程就是Intel的強項。于是，在新的處理器微架構Nehalem下，超線程技術又回來了，從低端的入門酷睿i3系列，雙核心四線程處理器，性能直逼AMD羿龍ⅡX4系列四核四線程處理器，高端的最新的酷睿i7 990X、800這兩個產品系列，酷睿800系列不僅僅物理上是四核心，而且同時支持更新一代的超線程技術，也就是說，同時具備了8線程的處理能力，酷睿i990X性能更加強勁六核心12線程，其性能完全打敗AMD量產的高端系列。

多線程、超線程核心功耗:處理器發展階段中一個無法避免的問題就是功耗。在單核心的年代，談不上多核心、多線程技術，要想要提升處理器性能最簡單的方法，就是超頻，人為的提高處理器的頻率，就需要提高電壓使超頻的處理器穩定的工作，處理器有個天生的缺陷就是漏電，電壓升高漏電更加明顯，處理器有相當一部分電流損耗在漏電產生的熱量，這種熱量、功耗對散熱帶來的壓力已不容忽視。處理器的頻率已經到達極限，頻率越高、電壓越高漏電損耗越明顯。這個階段多核心、多線成了解決處理器瓶頸的最佳技術。功耗是衡量處理器綜合性能的主要指標之一，作為綜合衡量線程、核心、功耗這三者關系的一個指標，由于物理核心的增加帶來的功耗的提升，部分處理器達到130W的高功率，發熱量不可避免的劇增。功耗的大幅度提升是多線程、多核心處理器發展新面臨的技術問題。四核心處理器的功耗自然要比雙核心的產品在滿載的工作狀態時要高上幾十瓦。而超線程技術顯然在目前階段會更勝一籌，因為超線程技術是通過充分利用每個處理器內核資源來提高并行處理能力，所以對處理器并不產生額外的供電及散熱，也就輕松減輕了功耗壓力。從處理器利用率、功耗來看，支持超線程技術的多核處理器確實令人期待。

結論:隨著對計算機處理速度的追求越來越高，通過增加多核心、多線程的技術已經成為當今處理器技術的主流。我認為處理器的發展功耗是最大的發展瓶頸，超線程技術在在不增加核心的數量能充分發揮處理器性能。超線程技術將成為今后處理器的發展過程中不可缺少的技術。