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干货分享: 服务器处理器基础知识

自主可控新鲜事 2022-07-03

The following article is from 架构师技术联盟 Author Hardy

出品丨自主可控新鲜事

本文内容来源于架构师技术联盟，作者Hardy

正文共4163，建议阅读时间15分钟


CPU(中央处理器)是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

 

CPU的运作原理可分为四个阶段: 提取(Fetch)、解码(Decode)、执行(Execute)和写回(Writeback)。CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。

 

CPU的主要性能参数包括：主频，倍频，外频。CPU的主频也叫时钟频率，CPU 主频为 CPU 的额定工作频率，当内核数目和缓存大小一样时，主频越高的CPU性能越好。通常，主频越高CPU处理数据的速度就越快，CPU的主频=外频×倍频系数。


为什么会有外频和倍频的区分呢？这个是和CPU的发展有关的。简单说来，就是CPU发展太快，而其他硬件无法达到同样频率来交互，于是CPU进行妥协，将外频作为和主板其他部件之间通讯的频率，而工作频率靠倍频来调节提升。

 

  • CPU的主频，即CPU内核工作的时钟频率（CPU Clock Speed）。通常所说的某某CPU是多少MHz的，而这个多少兆赫就是“CPU的主频”。
  • 外频是CPU的基准频率，单位是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。
  • 倍频系数是指CPU主频与外频之间的相对比例关系。一般情况下，同代（同针脚）的CPU，其外频往往是一样的，只是倍频系数的变化导致主频不同。

Intel TurboBoost 技术中文叫做 Intel 睿频加速技术，此技术运行 Intel CPU 工作在标称频率之上，性能分配上实现按需分配。
 
2017年7月份，英特尔(Intel)正式发布了代号为Purley的新一代服务器平台，包括代号为Skylake的新一代至强(Xeon)CPU，命名为英特尔至强可扩展处理器(Intel Xeon Scalable Processor，SP)，也宣告了延续4代的至强E5/E7系列命名方式的终结。


至强可扩展处理器不再以E7、E5的方式来划分定位，而代之以铂金(Platinum)、金(Gold)、银(Silver)、铜(Bronze)的方式。
 
Skylake是新命名方式的一代，Cascade Lake是二代，两代共用Purley平台。
  • 第一位数字：8(铂金)、6/5(金)、4(银)、3(铜)
  • 第二位数字：(新命名体系下的)代次
  • 第三四位数字：具体 SKU(库存单位)编号
 
Intel处理器工艺和架构更新成为Tick-Tock。Tick年(工艺年)更新制作工艺，Tock年(架构年)更新微架构。


2006年，Intel 正式发布了酷睿2/Core 2 处理器，同时宣布了每年更新 CPU 的“Tick-Tock”计划，“Tick”代表 CPU 制作工艺上的改进，而“Tock”则代表 CPU 架构上的更新。


Tick-Tock就是时钟的“嘀嗒”的意思，一个嘀嗒代表着一秒，而在 Intel 的处理器发展战略上，每一个”Tick-Tock”代表着 2 年一次的工艺制程进步。



这样在制程工艺和核心架构的两条提升道路上，总是交替进行，一方面避免了同时革新可能带来的失败风险，同时持续的发展也可以降低研发的周期，并可以对市场造成持续的刺激，并最终提升产品的竞争力。
 
多核处理器把多个CPU(核心)集成到单个集成电路芯片(Integrated Circuit Chip)中。一个双核的CPU有2个中央处理单元，操作系统可以看到真正的2个核心，所以2个不同的进程可以分别在不同的核心中同时执行，这大大加快了系统的速度。由于2个核心都在一个芯片上，因此它们之间的通信也要更快，系统也会有更小延迟。
 
超线程(Hyper Threading)其实就是同时多线程技术，是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。它的原理就是把一颗CPU当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理CPU变成两颗逻辑CPU，而逻辑CPU对操作系统来说，跟物理CPU并没有什么区别。因此，操作系统会把工作线程分派给这两颗（逻辑）CPU上去执行，让（多个或单个）应用程序的多个线程，能够同时在同一颗CPU上被执行。注意：两颗逻辑CPU共享单颗物理CPU的所有执行资源。实际上，超线程技术就是对CPU的虚拟化。
 
多核处理器把多个CPU（核心）集成到单个集成电路芯片中。多核CPU（处理器）是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。超线程(hyper-threading)其实就是一项允许一个CPU执行多个控制流的技术。
 
关于异构，从计算单元角度来看，x86处理器之外的计算单元，都可认为是异构单元，例如GPU、FPGA加速卡等。

从软件系统集群角度来看，基于不同处理器的服务器可以认为是异构；例如基于E5-2650v4的大数据集群使用基于Gold 5115或者鲲鹏916的服务器来扩容，就属于扩容异构节点。

关于众核，它是相对于单核而言，即最早的芯片只有一个核，到后来的双核(Dual Core)和四核(Quad Core)。超过这个数量的，不多于10个核的，一般称为多核(Multi Core)。当前的CPU核数达到32~64，业界称为众核(Manycore)。多核和众核之间并没有严格的限制。
 
随着云计算，大数据和人工智能技术发展，边缘计算发挥着越来越重要的作用，让越来越多的数据在边沿计算，补充数据中心算力需求。边沿计算对计算架构要求多样化，需要不同的处理器架构来满足不断增长的算力需求，同时需要GPU，NPU和FPGA等技术加速特定领域的算法和专用计算。以此，不同CPU架构，不同加速技术应用而生。
 
目前两大CPU处理器指令体系CISC和RISC架构都在互相取长补短，走向融合。CISC借用RISC的理念优化指令系统效率，RISC引入增强指令提高复杂任务处理效率。所以，不必过分关心CISC和RISC的区别，两种架构都是非常先进，并且会长期发展演进的。
 
CISC复杂指令集特点在于指令多，一条指令执行多个功能。优点体现在特定功能执行效率高，例如多媒体处理；缺点是系统设计复杂，执行效率低；典型架构包括x86。

RISC精简指令集特点是指令少，复杂任务由多个精简指令组合完成。优点是常用工作执行效率高，功耗低；缺点是部分复杂任务处理效率偏低，例如多媒体处理；典型架构是ARM、Power、MIPS、Alpha和SPARC等。



RISC架构相比x86架构来说，物理核心更多，适用于当前数据中心主流的分布式计算场景；例如大数据、分布式存储、HPC等；能耗更低，节能环保，相比同样性能的x86处理器，功耗低20%左右。


然而，RISC架构相比x86架构也存在明显不足，如单核性能稍弱于x86；相比于Intel AVX512，向量指令运算能力偏弱，在HPC部分场景性能低于x86；对通用场景无任何影响；


ARM架构RISC-V和MIPS架构都是比较主流和流行的RISC架构，但两者存在比较大的差异。


  • ARM具有更好的软件生态：ARM处理器在移动终端、IoT等领域广泛使用，也建立了良好的软件生态；移动端和数据中心的基础软件库是通用的；
  • ARM性能更高：ARM是主流的，活跃的架构，有多家主流参与者，迅速发展，目前性能已经可以媲美主流x86处理器。

MIPS公司经营不善，MIPS架构已经基本没有发展。Wave Computing公司宣布开源MIPS，龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，基于MIPS指令集研发几代CPU，因此，MIPS技术还是相对比较成熟。MIPS指令集架构(ISA)和MIPS的最新核心R6在2019年第一季度公开发布。


随着技术贸易战愈演愈烈，自主研发已经成为当代热词，中国研发CPU芯片的公司也犹如雨后春笋，目前主要的CPU研发公司包括：华为(ARM)，飞腾(ARM)，海光(x86)，龙芯(MIPS)，兆芯(x86)，申威(Alpha)等。

这些公司中，有多家为服务器厂商提供芯片。目前采用上述芯片提供服务器的厂商包括：技嘉(Cavium)，HPE(Cavium)，联想(Ampere、飞腾)，Ampere(Ampere)，浪潮(飞腾)，长城(飞腾)，同方(飞腾)，宝德(飞腾)，云海麒麟(飞腾)。

芯片的整体性能与制造工艺和内核的深度设计都有关系。工艺越先进，芯片集成度越高，芯片运行频率越快，功耗相对越低，整体竞争力越强。


目前主要的CPU芯片代工生产商是台积电(TSMC)，它是全球最大的晶圆代工龙头企业，拥有世界最高7nm生产工艺的台湾公司，制造工艺全球领先。此外，可代工生产CPU的中国企业包括中芯国际、华虹半导体和华力微电子等公司，中芯国际预计19年可实现14nm工艺，国产厂商也发展迅速。
END

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