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企事业单位需求——大型企业的ERP、
CRM等复杂应用，科学计算、政府的大型
数据库管理系统、数字医疗领域、电信、
金融等都需要高性能计算，多核技术可以
满足这些应用的需求。
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3. 多核计算成为发展趋势
目前芯片厂商都已转向了多核CPU的开发
和生产。市场已经被多核计算机占领。多核
处理器是处理器发展的必然趋势，无论是移
理器性能提高约20倍，体系结构的发展使
得处理器性能提高约4倍，编译技术的发展 使得处理器性能提高约1.4倍。

但是今天，这种规律性的东西却很难维持。
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美国科学家指出，经过几十年的发展，计
算机芯片的微型化已接近极限。计算机技
术的进一步发展只能寄希望于全新的技术，
如新材料、新的晶体管设计方法和分子层


早在上世纪90年代末，就有众多业界人士 呼吁用CMP(单芯片多处理器)技术来替代 复杂性较高的单线程CPU。 IBM、惠普、Sun等高端服务器厂商，相 继推出了多核服务器CPU。 直到AMD抢先推出64位处理器后，英特尔 才想起利用“多核”这一武器进行“帝国 反击战”。真正的“双核元年”，是2006 年。
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冯.诺伊曼计算机结构
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冯· 诺依曼计算机 输入设备 Input Device 输入接口 内存储器 Inner Memory
输出设备 Output Device
输出接口
A-BUS
D-BUS C_BUS
中央处理器 ＣＰＵ
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4、系统结构发展趋势
动物食物链
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1984计算机食物链
Mainframe Mini Computer Workstation
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直到1992年出现32位的Windows 3.1时，32 位的80x86处理器才有了一个广泛使用的 32位系统结构的操作系统和开发环境，而 32位机的应用软件一直到1997年才广泛上 市。 目前进入主流系统结构的是64位计算机系统。 而多核处理器的出现又使单核处理器逐渐 退出市场。
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3、计算机系统结构分类
Core1
Front Side Bus
Front Side Bus
产量 …
多功能 … 功 效
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50
5.操作系统对多核处理器的支持

Windows和Linux都支持多线程，因此也
可用于多核计算机。
多核技术与并行计算
主讲人
郑晓薇
辽宁师范大学计算机与信息技术学院
E-mail: xwzheng@ 2010.4.9
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第一部分
计算机系统结构
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1、计算机系统结构的发展

现代信息社会的发展是以计算机技术和网络
通信技术的发展为基础的。计算机系统结构
的发展从大型机、向量超级机、小型机、微
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单核时代，提高性能还采用了超标量技术， 从增加部件方式达到单位时间内执行多条 指令的目的；采用了超流水线技术提高频 率。 这些方式是从指令级上提升CPU的性能， 也已经达到极限。单纯提高CPU的速度还 面临存储器访问速度不匹配问题。所以并 不能使系统整体性能提高。
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2 . 对高性能计算需求的增加 •网络服务器软件——大型聊天室，搜索引擎 等，现有的计算能力远远不能满足未来网络服 务器的计算需求。
提高应用的开发和更新效率。出于商业目的没有
公开源代码。应用程序只需要两个接口函数Map
和Reduce可实现分布式并行。
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Apache为开源项目组织的大力推进者。根 据Google提出的MapReduce框架用JAVA 语言实现了开源的部署于集群中的平台， 取名为Hadoop，用于集群下的并行计算。 Phoenix由Stanford大学提出的一个开源 的多核平台实现。使用Pthead库，在每个 核上运行一个线程来执行每一个Map任务 或者Reduce任务。
(a) 单核结构
(b) 多处理器结构（2个独立封装）
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CPU状态
CPU状态
CPU状态
CPU状态
中断逻辑
中断逻辑
中断逻辑 执行单元
中断逻辑 执行单元
执行单 元
Cache
执行单 元
Cห้องสมุดไป่ตู้che
Cache
(d) 多核体系结构（1个封装）
(e) 共享cache的多核体系结构
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3. 超线程技术
只有一个实际的物理处理器，单个处理器 被分成许多部分来使用，其中执行部件 被各线程共享，其他部分可以在各线程 中分别复制使用。超线程技术中的线程 执行并不是真正意义上的并行。

2010年3月惠普笔记本的过热问题，主板 烧毁，召回门事件。
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就连戈登摩尔本人似乎也依稀看到了“主 频为王”这条路的尽头——2005年4月， 他曾公开表示，引领半导体市场接近40年 的“摩尔定律”，在未来10年至20年内可 能失效。
但是从单核到双核，再到多核的发展，证 明了摩尔定律还是非常正确的—— “从单 核到双核，再到多核的发展，是摩尔定律 问世以来，在芯片发展历史上速度最快的 性能提升过程”。 23
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例如汽车辅助安全驾驶系统，在汽车行驶 中，可以自动侦查汽车附近的物体，如有 碰撞的危险，会及时报警和刹车。这个过 程需要每秒进行几千亿次的运算，过去是 没法实现的，现在有了多核CPU，在一个 最新的8核CPU上就可以实现了。
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服务器应用——要求高的吞吐率和在多处
理器上的多线程应用；Internet的应用、
P2P和普适计算的应用都促使了计算机性
能的不断提升，多核技术已经成为服务器
技术的重要技术支点。
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服务器集群应用——云计算、云应用、云存储
商业化的服务器已转为多核和多节点的集群服务方 式。 Google是典型的云计算服务公司。 MapReduce是Google提出一个创新的编程模型，
是为了简化其公司内部互联网服务的开发过程，
杂度大大增加。因此主频的提升空间已
经不大。
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CPU主频的提高，在一定程度上也要归功 于1975年进入这个领域的AMD公司的挑战。 但到了2005年，当主频接近4GHz时，英 特尔和AMD发现，速度也会遇到自己的极 限：那就是单纯的主频提升，已经无法明 显提升系统整体性能。

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此外，随着功率增大，散热问题也越来越 成为一个无法逾越的障碍。据测算，主频 每增加1G，功耗将上升25瓦，而在芯片功 耗超过150瓦后，现有的风冷散热系统将无 法满足散热的需要。3.4GHz的奔腾四至尊 版，晶体管达1.78亿个，最高功耗已达135 瓦。
核的性能是并行程序设计的重点。
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多核并行编程环境
Windows多线程编程 OpenMP多线程编程 （共享存储） MPI并行编程环境（消息传递接口 ） TBB线程构建模块 （Intel公司 ） Matleb并行计算工具箱 （Mathwork公司 ） MapReduce 编程模型（ Google公司）
弗林分类法（Flynn分类法） Michael.J.Flynn1966年提出按指令流 和数据流的多倍性状况对计算机系统 进行分类。 根据指令流和数据流，计算机系统可 分为四类：
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（1）单指令流单数据流SISD
（2）单指令流多数据流SIMD
（3）多指令流单数据流MISD
（4）多指令流多数据流MIMD
就不会作为主流系统结构，而有新的系统
结构替代它。
一种计算机系统结构，从产生到消亡，
大致需要15—20年的时间。
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典型例子是Intel公司80X86系列微处 理器中32位系统结构的发展。1985年 第一个32位微处理器80386投入市场时， 并没有相应的32位操作系统，人们仅仅 将它当成一个高速的8086使用。
动与嵌入式应用、桌面应用还是服务器应用，
都将采用多核的架构。
多核编程将成为程序员必须掌握的技术。
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多核平台上的应用软件开发

多核平台上的应用软件开发不同于以前的
软件编写思想
首先设计者必须认识底层多核的存在
把软件设计成多进程或多线程
并将这些进程或线程与底层的多核处理
器绑定

如何将软件分成多个进程或线程，发挥多
•多媒体游戏软件——要对图形、动画做大量 运算。现有的计算能力的限制，现在游戏一般 都运行在较低的分辨率下；有一些 战斗游戏， 各个战斗单元都是并发计算，对计算能力的需 求更加巨大。
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客户端软件——杀毒软件、安全软件对计算 能力的需求也大大增加。装上杀毒软件的机 器的速度明显受到影响。杀毒软件的运行速 度也大为降低。也说明杀毒软件对计算能力 的需求增长之快。 实时嵌入式系统——在高端通信和医疗成像 等计算密集型应用领域，多核嵌入式处理器 提供卓越性能和可扩充性，实现低能耗、高 效能优势。
PC
Vector Supercomputer
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1994 计算机食物链
(hitting wall soon)
Mini Computer
Workstation
PC
(future is bleak)
Mainframe
Vector Supercomputer
MPP
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2000年代计算机食物链(现在和将来)
志。而它的发展和成熟，则是以配套的系统软 件和应用为标志。一旦这种系统结构不能够满 足应用的需要，这种系统结构就会消亡，从而 诞生新的系统结构。
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计算机发展的历史表明：从硬件成熟到系统
软件成熟大约需要5—7年时间，从系统软
件成熟到应用软件成熟，大约也需要5—7
年时间。再过5—7年时间，这种系统结构