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　　計算機領域正在發(fā)生著悄無聲息的革命。英特爾，AMD及其他芯片制造商不斷推出在單晶片上集成多重處理單元的新型芯片。取代過去的單一中央處理器，計算機目前正在步入多核時代。盡管這項技術對我們而言并不是新鮮事物，但這是這種類型的體系架構(gòu)首次大規(guī)模運用于商用個人電腦和服務器市場。

　　這場變革將影響到每位計算機用戶。多核技術的觸角已經(jīng)深入到服務器，筆記本電腦甚至游戲機控制臺領域。從最終用戶的角度來看，這種變革的影響是潛移默化的。然而根據(jù)過去二十年的經(jīng)驗要獲取相應的性能所付出的價格預期還是個未知數(shù)。程序設計者們會發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)多核設計的性能也是一項充滿挑戰(zhàn)的艱巨任務，特別是現(xiàn)在還沒有一勞永逸的辦法和自動化技術能適應多核系統(tǒng)上運行的現(xiàn)行軟件。

　　指路多核

　　計算機市場長期以來一直在處理器速度上穩(wěn)步前進。處理器的速度很大程度上取決于時鐘頻率傳遞給處理器執(zhí)行指令的速度有多快。時鐘頻率越快，處理器在指定時幀內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)目就越多。半導體的物理特性對處理器時鐘頻率速度的提升會有限制。這種趨勢可以從圖示一中清楚的顯示，從中可以看到英特爾和AMD處理器隨著時間推移平均時鐘頻率和熱量消耗的情況。

　　從這張能量消耗曲線圖上看，能量消耗的持續(xù)攀升要求更多的冷卻和電力服務來維持處理器的運行。解決方案就是要增加處理器內(nèi)核的比例來取代單純提升時鐘頻率。這張圖中時鐘頻率的下降是指AMD公司和英特爾公司的首款雙核處理器的面世。這些處理器的設計考慮到熱量的問題，相對單核處理器設計的時鐘頻率要低。雙核芯片從過往經(jīng)驗來看，能達到單核芯片兩倍的性能，從而能幫助處理器的性能不斷進步。

　　多核發(fā)展之路

　　目前英特爾公司和AMD公司都推出了自己的多核處理器。雙核和四核處理器目前已經(jīng)投入市場。從公司的市場導向來看，他們還計劃在2009年到2010年陸續(xù)推出八核處理器。大致時間表如下：

　　2005年雙核處理器

　　2007年四核處理器

　　2009年+八核處理器

　　服務器和工作站傳統(tǒng)上都是使用雙路處理器。這就意味著到2010年底每個母板上核心的總數(shù)量能輕易的達到16個。另外，AMD和英特爾處理器都提供四路甚至八路插槽設計。從八路核心由此類推就意味著在不久的將來六十個四核服務器也并非不能實現(xiàn)的預期。[page_break]

　　多核面臨的挑戰(zhàn)

　　多核處理器的革命給整個計算機領域帶來了前所未有的挑戰(zhàn)和機遇。一方面，多核意味著在同樣的空間內(nèi)實現(xiàn)更多的計算功效。另一方面，處理器體系架構(gòu)的根本性變化要想充分利用這些處理器，比起之前的設計就更具挑戰(zhàn)性。

　　面臨的挑戰(zhàn)之一就是軟件，概述如下：

　　現(xiàn)有的軟件如果不做改變，就無法利用目前不斷進步的處理器所提供的多核性能。

　　為了充分利用多核，程序需要同時做很多事情。這種行為通常被稱為并行計算。并行程序如果編譯正確，執(zhí)行指令的速度將比傳統(tǒng)的串行程序要快很多，因為它能將工作負載按照不同需求分配給處理器的不同核心。而傳統(tǒng)的串行程序只能利用一個核心。確實這種程序編譯方式也只能識別一個核心!

　　　　多核帶來的影響

　　從最終用戶的角度來看多核對工作負載的影響更為直接。舉例來說，你的工作負載要同時執(zhí)行不同的任務，此時多核系統(tǒng)就能馬上發(fā)揮它的優(yōu)勢所在。比如，你在網(wǎng)絡上觀看視頻的同時，你的計算機正在準備打印一份大型文檔作業(yè)。多核系統(tǒng)就能協(xié)助你同時完成這些作業(yè)。如果他們不是采用并行設計的話，獨立的應用程序?qū)⒉豢赡艹絾魏说乃俣取?/P>

　　應用程序的設計者們?yōu)榱藵M足多核的需求需要花費時間對代碼進行升級和測試。在并行程序設計上沒有簡單或者自動化的捷徑可循，因此多核菜單(MCCB)的設計就需要付出更多的努力。除了研發(fā)多核應用軟件需要花費額外的心血外，還要適應不斷涌現(xiàn)的全新概念。

　　內(nèi)存之爭

　　從定義上說，所有的多核系統(tǒng)都必須共享內(nèi)存。設計內(nèi)存子系統(tǒng)能讓核心之間的爭奪最小化，但是仍然會出現(xiàn)內(nèi)存空間為兩個或者更多內(nèi)核所用的時候。這種情況在很多時候就會導致性能問題或者性能衰減。

　　資源之爭

　　與傳統(tǒng)的單核處理器不同，多核系統(tǒng)的每個核心都必須共享本地資源。除了內(nèi)存之外，這些資源還包括硬盤，網(wǎng)絡連接，PCI總線和個人電腦，工作站或者服務器的其他組件。

　　ProgramLocality

　　在多核系統(tǒng)中，應用程序在那個核心上運行取決于操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)會盡可能的讓所有的核心的工作負載均等。通過在核心間對程序進行遷移來實現(xiàn)分配。如果萬一程序遷移所在的核心無法使用同樣的高速緩存或者本地內(nèi)存資源，那么程序就會喪失高速緩存數(shù)據(jù)的優(yōu)勢所在，性能也會因此衰減。[page_break]

　　新的錯誤類型

　　多核也會引發(fā)程序設計中新的錯誤類型。這種情況的出現(xiàn)是因為在核心間新的時間動態(tài)分配出現(xiàn)了問題。當核心都在互相等待和凍結(jié)或者他們不能保持同步時，這種情況就會發(fā)生從而報錯。程序設計者們必須在編譯應用程序時對這一點有清醒的認識。

　　程序模式

　　最后一個問題就是程序模式。在多核系統(tǒng)中，核心是通過內(nèi)存共享數(shù)據(jù)和通訊。程序設計者們實現(xiàn)的途徑是取決于他們慣常編寫代碼的程序模式。對于所有的多核程序設計來說，沒有單一的標準方式(程序語言或者API)是可以通行無阻的。處于多核菜單的設計目的，我們將程序設計方法分成兩類：

　　主流方法：這種設計方法就是公開/標準API(應用編程接口)，從過往經(jīng)驗看API已經(jīng)在并行程序設計上取得了成功，具有豐富的編程經(jīng)驗基礎來向程序設計者提供支持。采用API的編程方法在靈活性和將來的升級支持方面都是風險較低的選擇。但對于特別問題處理方面卻并非最佳的編程方式。

　　新生力量：這些編程方法是新生力量，在將來也頗具潛力。但是并非所有的方法都具備這樣的實力，成為大型項目程序的選擇(比如說有些尚處于試驗階段)。雖然他們在實現(xiàn)并行程序方面更為出色，但作為一項新興的技術要進行推廣還有一定風險。

　　當然，我們試圖向軟件研發(fā)人員提供指南的意圖頗有些班門弄斧。畢竟只有程序設計者們最清楚項目的規(guī)模和需求，這些分析是要協(xié)助設計者們把握選擇的方向。我們的愿望是編程方法的新生力量能逐漸成為設計的主流，隨著多核系統(tǒng)的逐步普及這些編程方法也能得到更廣泛的使用。

　　這些新興的編程模式數(shù)量太多而無法一一羅列，甄選出的主要方法由三種組成：Threads(線程技術),OpenMP和MPI并行算法。Threads(線程技術)使用的是均衡共用存儲器或者共享內(nèi)存，在傳統(tǒng)多核系統(tǒng)中已經(jīng)有多年的使用歷史。

　　另外一種正在發(fā)展之中并能相對容易的利用線程的方法就是OpenMP。OpenMP使用一組指令設計來允許程序設計者更為簡便的實現(xiàn)對稱多處理機的并行要求。MPI(消息傳遞接口)是實現(xiàn)高性能計算代碼并行設計的標準方式。MPI的并行設計能在獨立的計算機上對進程間的信息進行傳遞，對于對稱多處理計算機也同樣適用。

　　未來之路

　　多核程序設計在計算機世界中是個廣泛而動態(tài)的領域。MCCB對于多數(shù)程序設計者而言都是一個好的開端，還將繼續(xù)提供多核革命的資源，案例，基準和背景資料。