多核芯片性能显著改善：硬件设计加速核间通信
(图片来源于：Christine Daniloff/麻省理工学院)
摩尔定律正走向失效，计算机芯片性能进一步提高面临挑战。然而，多内核技术，可提高单芯片并行处理能力，改善其性能。但是，多个内核间的通信和协同工作，一直影响多核芯片性能的关键因素。最近，研究人员研发了一种新方法，使用硬件协调多个处理器内核，显著加速核间通信，改善整体性能。
摩尔定律和多核技术
摩尔定律正走向终结
1971年，英特尔推出的全球第一颗通用型微处理器4004，由2300个晶体管构成。当时，公司的联合创始人之一戈登摩尔(Gordon Moore)，就提出每过18个月，芯片上可以集成的晶体管数目将增加一倍。这就是著名的“摩尔定律”。
随着芯片上集成的晶体管数增多，运芯片的运算速度即主频则越快。但是，随着主频接近4GHz，计算机性能提高的瓶颈出现了：单纯提升主频，无法显著提高系统整体性能。另外，随着主频的提高，发热的问题也更加突出，处理器可靠性也受到巨大影响。正如IntelligentThings在多篇文章中所提及的，“摩尔定律”正在走向终结。
多核技术及应用
然而，多核技术的出现，给人们“柳暗花明又一村”的感觉。所谓的多核即多个内核，是指一个芯片处理器中集成两个或者多个完整内核。单芯片通过集成多个内核，可以提高执行程序并行性。多个内核并行执行代码，可提高主频，降低功耗。所以，各大芯片厂家例如英特尔、AMD、ARM、高通、华为等等，纷纷推出了它们各自的多核处理芯片。
（图片来源于：维基百科）
之前，IntelligentThings也介绍过一款具有1000个内核的处理器芯片（），这款芯片由加州大学戴维斯分校电子和计算机工程系团队开发，最大计算速率达每秒1.78万亿次指令，包含6.21亿个晶体管。
（图片来源: Andy Fell/加州大学戴维斯分校）
多核间的通信成为瓶颈
但是，多核技术相对于单核技术来说，性能的提高并“不是”核与核简单的加法：即64核芯片的性能是单核芯片的64倍。整体性能，除了单纯依靠核的数量增多外，还涉及到因素很多，然而主要是可编程性，因为实际利用多核处理器处理程序时，面临并行计算，内核执行的程序需要进行核之间的数据共享与同步，从而设计到多核间通信问题。
共享内存方法的缺陷
随着多核系统内核的增加，核间（C2C）通信越来越多地影响到芯片整体性能提高。传统的内核间通信，是通过分享内存的办法进行。然而，分享内存的通信方式，会带来相干性失效和缓存遗漏，同时需要巨大的性能和网络开销。虽然，之前IntelligentThings也在《新型芯片Swarm：让并行编程更简单》（）介绍过一款Swarm芯片，通过设计“布隆过滤器”（一种硬件电路），实现事务性内存机制，解决共享内存遇到的问题，保证多处理器并行运行且相互不冲突，有序更新共享内存位置的数据，避免多任务之间的冲突。
软件队列加大时间开销
许多重要的工作任务，都需要C2C通信，并且会增加运算开销。线程运行在不同的内核上，多内核之间的任务协同，需要通过软件队列收发软件命令来进行，从而增加了通信负担和时间开销。
北卡罗莱纳州立大学和英特尔公司的研究人员一起开发了一种新方法，通过内置的硬件取代软件指令，协调多个处理器内核的操作，显著地加速核间通信。
北卡罗来纳州立大学电子与计算机工程系的教授，这项论文的合著者Yan Solihin称这种方法为“核间通信加速框架”（CAF），可以将通信性能提高2到12倍。换句话说，从开始到结束的执行时间，可以快2倍或者更多。
CAF设计的关键，就是队列管理器（QMD），这是一种附着于芯片处理器网络上的一种小型设备。OMD能够进行简单的计算，有效的处理核间通信请求，而无须依赖软件例程。因为它可以进行基本计算，QMD可用于聚合来自多核的数据，将一些基本计算的功能加快15%。
研究人员目前正在继续开发一种芯片上的设备，可以加速更多基于多内核的计算。
论文和研究团队
这项论文，题为：“CAF：核间通信加速框架”，将发表于9月11日至15日，在以色列海法召开的并行体系结构和编译技术第25界年度会议上。论文首席作者是北卡罗来纳州立大学的前博士生Yipeng Wang，合著者包括英特尔公司的Ren Wang、Andrew Herdrich 、James Tsai。
【1】https://news.ncsu.edu/2016/09/hardware-boosts-core-to-core-communication/
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Please check the URL or contact the webmaster.微软：需为多核芯片重新架构操作系统
ZDNET至顶网
作者:ZDNET至顶网
微软Windows核心操作系统部们内核架构师Dave Probert表示，芯片制造商不断在他们的每一款新一代处理器中增加内核数量，也许是时候重新考虑现有操作系统的基础架构了。
他表示，目前利用多核处理器优点的方法不仅复杂，而且并不那么成功。也许关键之处不在于花更多精力在重新研究例如并行编程等技术上，而是应该重新考虑构成操作系统模式的基本理念上。
Probert表示，如今的计算机并不能从他们的多核新片中获得足够的性能。近日他在伊利诺依大学香槟分校的通用平行运算研究中心（Universal Parallel Computing Research Centers）作了演讲。他参与了下一代Windows的开发团队，不过他表示他在演讲中表达的观点并不代表微软团队正在进行任何实际性工作。他指出，他所在的Windows内核开发团队的其他架构师甚至不认同他的观点。
他在演讲中首先对今天新系统是什么样子进行了定义，他总结说这种系统与Windows或者Unix有很大不同的。
目前典型的桌面计算机都是同时运行多个程序，例如用户在播放音乐的同时还在写电子邮件和网上冲浪。
他说：“响应是关键，这是人们所需要的。”
他指出，响应方面存在的方面是“操作系统如何了解（哪个任务）是重要的？”你不希望启动微软Word因为反病毒程序选择在这个时候启动对所有文件的扫描。
大多数操作系统有某些既定的优先度来避免这些瓶颈，但是尚不完善。
随着增加更多处理器内核，芯片制造商采取了一种“梦幻之地”的多核芯片策略：开发多核芯片并希望应用编程者会针对这些多核芯片编写程序。问题是，现在的桌面程序并不能有效地使用多核心。
为了完全发挥多核心的优势，开发者需要使用并行编程技术。也许应对多核心的一个更好方法就是重新考虑操作系统对待这些处理器的方式。Probert表示：“真的，问题不是我们如何做并行，而是如何对待这些晶体管？”
他解释说，现有的操作系统架构是基于很多不同理念的。
在计算技术的早期，一个程序是运行在一个CPU上的。当我们需要多个程序运行在一个处理器的时候，CPU时间被分割成多个处理器流程，让每个应用认为它是运行在一个专门的CPU上。
这种流程的概念是一种抽象的概念，一旦操作系统开始运行多个程序，它就需要一个保护空间，不受用户和程序的干扰。这时候就诞生了内核模式，与运行程序的用户模式分离开来。实际上，内核模式和用户模式将1个CPU抽象化为2个CPU。
然而，这些虚拟CPU却带来了关于谁使用物理CPU的争论。所有这些CPU之间的转换开销增长到响应受影响的点——尤其是当引入多核的时候。
通过Intel和AMD我们可以预测出他们产品中的内核数还将继续翻番，操作系统领域可以安全地摒弃用户模式和内核模式等抽象层。
他说：“有了多核，CPU又变回了CPU。如果我们充分利用这些CPU，那么我们就可以将这些CPU”用于单个的程序了。
在这种方法下，操作系统将不再重新集成现有操作系统的内核模式，而更像是一个hypervisor。作为一种虚拟化概念，hypervisor是一个介于虚拟机和物理硬件之间的层。
程序本身会承担很多资源管理的任务。操作系统可以为一个应用分配一个CPU和一些内存，程序本身——利用由编辑器生成的元数据——可以更好地了解如何使用这些资源。
Probert坦言，这种方法很难实施，因为它要求创建一个由现有应用组成的大型池，但是这种方法是值得一试的。
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四核市场外热内冷 芯片多核化趋势放缓
第一财经日报李娜 04:04
硬件升级战让“四核”成为智能手机的标配显得理所当然。但现在看来，并不是如此。
“四核市场现在处于比较冷静的状态，远没有外界炒得那么热。”中兴通讯终端市场战略主管吕钱浩昨日对《第一财经日报》表示，目前全球有27家手机芯片厂商，推出四核的只有三分之一，从上游来看，这个市场还没有热起来。
工信部电信研究院近日发布的《2013移动互联网白皮书》显示，2012年产业芯片多以多核芯片为卖点，但多核芯片与操作系统和上层应用软件存在协同发展关系，过度追逐芯片多核化并无实效意义。报告同时指出，未来1~2年内，双核与四核仍属产品主流，与芯片主频、系统软件和应用软件协同发展将可满足需求，芯片多核化趋势将逐步放缓。
上述报告的相关数据显示，2012年四核芯片在整体移动智能终端中的占比尚不足8%。业内人士分析，虽然也有四核芯片刚刚上市的原因，但出货量尚未爆发主要是和上游货源紧缺和基于多核架构操作系统优化问题以及适用于四核驱动的精品应用数量有限有关。
从上游手机芯片厂商格局中可以看到，2012年三星、英伟达、高通、MTK等主流芯片厂商均推出了四核芯片，Intel紧跟其后推出四核平台Bay Trail，28nm甚至22nm的更新工艺逐渐被采用，但由于功耗优化并不成熟直接导致芯片厂商上游——半导体厂商的产能吃紧。
吕钱浩指出，“现在四核的产品基本上是分给国内的几大品牌厂商，在产能紧缺的情况下，小手机厂商基本拿不到货。”
他指出，在目前全球四核产品的出货中，大部分产品来自于包括三星、中兴华为、HTC、LG等少数的几家厂商。
深圳一中小手机厂商对记者表示，不做四核产品的主要原因是因为相关系统搭建需要大量的人力物力投入，“有的人投了几千万进去，没几个月就打了水漂，所以现在还很少人选择做四核，大部分还是做单双核。”
深圳市海通威电子一负责人则对记者表示，四核终端实际出货不多，一方面因为上游芯片的开发，测试，批量周期一般都要4个月以上，所以指望短期内缓解不现实。另一方面其实除了处理器CPU以外，很重要的还有网络环境的提升，“3G个人认为双核就很匹配，四核当然更好，八核其实要4G网络来运载才有意义，现在（4G）网络都没有。”
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编辑：群硕系统多核处理器芯片
core processorchips
多处理器 ... 多核处理器 C SDrives 多核处理器芯片 core processorchips 多微处理器[机 multimicroprocessor ...
基于4个网页-
为了实现效能的有效提升，芯片上退而采取将更多的处理器（多核）放到同一个芯片上。
To deliver a major performance boost, chip-makers have resorted to putting several processors, or cores, on the same chip.
同时，大部分强大的微处理器是基于多核芯片的，然而，大部分的程序不能利用这种能力，需要并行化算法。
At the same time, most powerful microprocessors are based on many-core chips, yet most applications cannot exploit such power, requiring parallelized algorithms.
当前，为了管理 CPU 性能损耗，处理器生产厂商倾向于采用多核芯片设计，并且软件必须以多线程或者多进程的方式来编写，从而发挥硬件的最大优势。
Now, to manage CPU power dissipation, processor makers favor multi-core chip designs, and software has to be written in a multi-threaded or multi-process manner to take full advantage of the hardware.
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- 来自原声例句
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