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如何提高处理器的性能

发布时间:2013-01-04

如何提高处理器的性能
"CPU生产商为了提高CPU的性能,通常做法是提高CPU的时钟频率和增加缓存容量。不过目前CPU的频率越来越快,如果再通过提升CPU频率和增加缓存的方法来提高性能,往往会受到制造工艺上的限制以及成本过高的制约。

尽管提高CPU的时钟频率和增加缓存容量后的确可以改善性能,但这样的CPU性能提高在技术上存在较大的难度。实际上在应用中基于很多原因,CPU的执行单元都没有被充分使用。如果CPU不能正常读取数据(总线/内存的瓶颈),其执行单元利用率会明显下降。另外就是目前大多数执行线程缺乏ILP(Instruction-Level Parallelism,多种指令同时执行)支持。这些都造成了目前CPU的性能没有得到全部的发挥。因此,Intel则采用另一个思路去提高CPU的性能,让CPU可以同时执行多重线程,就能够让CPU发挥更大效率,即所谓“超线程(Hyper-Threading,简称“HT”)”技术。超线程技术就是利用特殊的硬件指令,把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片,让单个处理器都能使用线程级并行计算,进而兼容多线程操作系统和软件,减少了CPU的闲置时间,提高的CPU的运行效率。
 
处理器

采用超线程及时可在同一时间里,应用程序可以使用芯片的不同部分。虽然单线程芯片每秒钟能够处理成千上万条指令,但是在任一时刻只能够对一条指令进行操作。而超线程技术可以使芯片同时进行多线程处理,使芯片性能得到提升。

超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源,理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程,P4处理器需要多加入一个Logical CPU Pointer(逻辑处理单元)。因此新一代的P4 HT的die的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU(整数运算单元)、FPU(浮点运算单元)、L2 Cache(二级缓存)则保持不变,这些部分是被分享的。

虽然采用超线程技术能同时执行两个线程,但它并不象两个真正的CPU那样,每个CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时,其中一个要暂时停止,并让出资源,直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。

英特尔P4 超线程有两个运行模式,Single Task Mode(单任务模式)及Multi Task Mode(多任务模式),当程序不支持Multi-Processing(多处理器作业)时,系统会停止其中一个逻辑CPU的运行,把资源集中于单个逻辑CPU中,让单线程程序不会因其中一个逻辑CPU闲置而减低性能,但由于被停止运行的逻辑CPU还是会等待工作,占用一定的资源,因此Hyper-Threading CPU运行Single Task Mode程序模式时,有可能达不到不带超线程功能的CPU性能,但性能差距不会太大。也就是说,当运行单线程运用软件时,超线程技术甚至会降低系统性能,尤其在多线程操作系统运行单线程软件时容易出现此问题。

需要注意的是,含有超线程技术的CPU需要芯片组、软件支持,才能比较理想的发挥该项技术的优势。操作系统如:Microsoft Windows XP、Microsoft Windows 2003,Linux kernel 2.4.x以后的版本也支持超线程技术。目前支持超线程技术的芯片组包括如:
 
处理器

Intel芯片组:
845、845D和845GL是不支持支持超线程技术的;845E芯片组自身是支持超线程技术的,但许多主板都需要升级BIOS才能支持;在845E之后推出的所有芯片组都支持支持超线程技术,例如845PE/GE/GV以及所有的865/875系列以及915/925系列芯片组都支持超线程技术。

VIA芯片组:
P4X266、P4X266A、P4M266、P4X266E和P4X333是不支持支持超线程技术的,在P4X400之后推出的所有芯片组都支持支持超线程技术,例如P4X400、P4X533、PT800、PT880、PM800和PM880都支持超线程技术。

SIS芯片组:
SIS645、SIS645DX、SIS650、SIS651和SIS648是不支持支持超线程技术的;SIS655、SIS648FX、SIS661FX、SIS655FX、SIS655TX、SIS649和SIS656则都支持超线程技术。

ULI芯片组:
M1683和M1685都支持超线程技术。

ATI芯片组:
ATI在Intel平台所推出的所有芯片组都支持超线程技术,包括Radeon 9100 IGP、Radeon 9100 Pro IGP和RX330。

nVidia芯片组:
即将推出的nForce5系列芯片组都支持超线程技术"
 
处理器

如何将处理器性能提高10倍——采用多核技术
为什么不能用单核的设计达到用户对处理器性能不断提高的要求呢?答案是功耗问题限制了单核处理器不断提高性能的发展途径。
 
作为计算机核心的处理器就是将输入的数字化的数据和信息,进行加工和处理,然后将结果输出。假定计算机的其他子系统不存在瓶颈的话,那么影响计算机性能高低的核心部件就是处理器。反映在指令上就是处理器执行指令的效率。
处理器性能 = 主频 x IPC
从上面的公式可以看出,衡量处理器性能的主要指标是每个时钟周期内可以执行的指令数(IPC: Instruction Per Clock)和处理器的主频。其实频率就是每秒钟做周期性变化的次数,1秒钟只有1次时钟周期的改变叫1Hz(赫兹)。主频为1GHz 就是1秒钟有10亿个时钟周期。
因此,提高处理器性能就是两个途径:提高主频和提高每个时钟周期内执行的指令数(IPC)。处理器微架构的变化可以改变IPC,效率更高的微架构可以提高IPC从而提高处理器的性能。但是,对于同一代的架构,改良架构来提高IPC的幅度是非常有限的,所以在单核处理器时代通过提高处理器的主频来提高性能就成了唯一的手段。
 
不幸的是,给处理器提高主频不是没有止境的,从下面的推导中可以看出,处理器的功耗和处理器内部的电流、电压的平方和主频成正比,而主频和电压成正比。
因为:“处理器功耗 正比于 电流x 电压x 电压x 主频”,“主频 正比于 电压”
所以:“处理器功耗 正比于 主频的三次方”
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