多核处理器结构
一、多核处理器的发展演化
多核处理器（Multicore Processor）在单芯片上集成多个处理器核，也称为单片多处理器（Chip Multi-Processor，简称CMP），通过聚合芯片上的多个处理器核的计算能力来提高应用程序执行性能。多核处理器大致可从以下方面进行分类：
- 从核的数量角度可分为多核处理器和众核处理器，一般大于64核为众核处理器；
- 从处理器核的结构角度可分为同构和异构，同构是指核结构是相同的，而异构是指核结构是不同的；
- 从适用应用角度可分为面向桌面电脑、服务器等应用的通用多核处理器，以及面向特定应用的多核/众核处理器，如GPU可看作是一种特定的众核处理器，具有很高的浮点峰值性能。
多核处理器主要在多处理器系统的研究基础上发展而来。多处理器系统的研究已经有几十年的历史。20世纪七、八十年代，由于单个处理器的性能满足不了应用的需求，开始出现多处理器系统。20世纪八、九十年代，很多高档工作站都有2~4个处理器，用于科学计算的高性能计算机处理器个数更多。国际上对计算机性能有一个TOP500排名，每6个月列出当时世界上最快的前500台计算机，这些计算机都有成千上万个处理器。从20世纪90年代后期开始，随着半导体工艺的发展，单芯片上晶体管数目大幅增多，多核处理器得到了很好的发展。学术界最早的多核处理器项目Hydra是由美国斯坦福大学于1994年研究的。在工业界，IBM公司于2001年推出IBM Power4双核处理器；
多核处理器是在多处理器系统上发展的，其发展的主要驱动力包括以下三个方面。
- 半导体工艺发展
摩尔定律是过去40多年间描述半导体工艺发展的经验法则。1965年Gordon Moore（Intel 公司联合创始人）提出：半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍。1975年对摩尔定律进行了修正，把“每年增加一倍”改为“每两年增加一倍”。现在摩尔定律流行的表述为：集成电路芯片上所集成的晶体管数目每隔18个月就翻一倍。目前，主流处理器工艺已经到14nm-7nm工艺，在单芯片上集成数十亿甚至上百亿个晶体管。不过摩尔定律不可能永远延续，2015年ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductors）预测晶体管尺寸可能在2021年后停止缩小。目前工艺升级的速度已经从1-2年升级一代放慢到3-5年升级一代，而且工艺升级带来的性能、成本、功耗的好处已经不大。
功耗墙问题
二、多核处理器的访存结构
通用多核处理器采用共享存储结构，其设计存在如下关键问题：
1）片上Cache如何组织？与单核处理器类似，多核处理器需要在片上设置大容量的Cache来缓解芯片计算能力与访存性能之间日益扩大的差距。片上Cache如何组织？Cache结构采用私有还是共享，集中式还是分布式？这些是需要设计者考虑的问题。
2）多个处理器核发出的访存指令次序如何约定？各处理器核并行执行线程（或者进程）发出读/写（load/store）访存指令，这些访问指令的执行次序如何约定，使得应用程序员可以利用这些约定来推理程序的执行结果。存储一致性模型就是用来解决这方面问题的。
3）如何维护Cache数据一致性？一个数据可能同时在多个处理器核的私有Cache中和内存中存在备份，如何保证数据一致性？Cache一致性协议将解决Cache一致性问题。