什么是多核处理器？

多核处理器是一种集成电路，它连接了两个或多个处理器，用于更快地同时处理多个任务、降低功耗并获得更高性能。通常，它由两个或多个读取和执行程序指令的处理器组成。

换句话说，在单个芯片上，多核处理器包含多个处理单元或“核心”，每个核心都有潜力执行不同的任务。例如，如果您同时执行多个任务，比如看电影和使用 WhatsApp，一个核心将处理看电影等活动，而另一个核心处理 WhatsApp 等其他任务。

双核配置类似于在同一台计算机上安装了多个不同的处理器，但它们之间的连接速度更快，因为两个 CPU 插在同一个插槽中。各个核心可以并行执行多个指令，从而提高了为利用该架构独特功能而设计的软件的速度。

与单核处理器相比，双核处理器在理想情况下通常强大两倍。实际上，性能提升预计约为 50%：一个双核 CPU 大约是单核处理器的 1.5 倍强大。

随着单核处理器达到其复杂性和速度的物理极限，多核计算正变得越来越流行。在现代，大多数系统都是多核的。拥有大量 CPU 核心（如数十个或数百个）的系统被称为多核（many-core）或大规模多核（massively multi-core）系统。

在 21 世纪初，英特尔和 AMD 发布了首批多核处理器。现代 CPU 有两个（“双核”）、四个（“四核”）、六个（“六核”）和八个（“八核”）核心。基于 FPGA（现场可编程门阵列）的处理器拥有多达 100 个物理核心和 1000 个有效独立核心。

多核处理器架构

多核处理器的设计使得所有可用核心之间能够进行通信，并且它们会适当地划分和分配所有处理任务。一旦所有处理操作完成，每个核心处理过的数据将通过一个共同的网关传回计算机的主板。这种方法在整体性能上优于单核 CPU。

多核处理器的优点

多核处理器有许多优点（pros），包括：

性能

多核 CPU 本质上可以比单核处理器完成更多的工作。集成电路上核心之间的间距允许更快的时钟频率。因此，信号不需要传播很长的距离就能到达目标，并且信号是持久的。与使用单独的处理器相比，速度要快得多。

可靠性

在多核 CPU 中，软件总是被分配到不同的核心上。当一个软件出现故障时，其他软件不受影响。每当出现缺陷时，它只影响一个核心。因此，多核 CPU 更能抵抗故障。

软件交互

即使软件在多个核心上运行，它们之间也会进行通信。多核处理器会经历一个称为空间和时间隔离的过程。由于这些过程，核心线程永远不会被延迟。

多任务处理

操作系统可以利用多核 CPU 同时运行两个或多个进程，即使许多程序可以同时执行。例如，一个 Photoshop 应用程序可以同时执行两个任务。

功耗

另一方面，使用多核 CPU 进行多任务处理需要更少的电力。只有产生热量的 CPU 部分会被使用。功耗最终被最小化，从而减少电池使用。然而，某些操作系统比其他操作系统需要更多资源。

避免过时

架构师可以通过使用多核 CPU 来避免技术过时并提高可维护性。芯片制造商正在其多核 CPU 中使用最新的技术进步。随着核心数量的增加，单核芯片正变得越来越难找到。

隔离

与单核系统相比，多核处理器可以增强（但不保证）地理和时间上的隔离。如果两个核心都在同一个单核上执行，一个核心上的软件不太可能影响另一个核心上的软件。这种解耦是由于地理和时间隔离（一个核心上的线程不会被另一个核心上的线程延迟）而发生的。通过将错误的影响限制在单个核心内，多核处理可以提高鲁棒性。在分开执行混合关键性程序（安全关键、任务关键和安全关键）时，这种增强的隔离尤为重要。

多核处理器优势的其他一些关键点

• 与单核处理器相比，多核处理器有潜力完成更多任务。
• 同时执行多个任务时能耗低。
• 由于两个核心都集成在单个芯片上，数据到达目的地所需的时间更少。
• 通过使用小型电路可以提高速度。
• 多任务处理的一个例子是一边玩游戏一边用杀毒软件检测感染。
• 通过使用低频率，它可以同时完成多个任务。
• 与单核处理器相比，它能够处理大量数据。

多核处理器的缺点

我们将讨论多核处理器的一些限制（drawbacks），包括：

应用速度

尽管多核 CPU 是为多任务处理而设计的，但其性能并不足够。当一个应用程序正在处理时，它有在不同核心之间来回切换的趋势。结果，缓存被填满，从而提高了其速度。

抖动

随着多核 CPU 中核心数量的增加，会产生更多的干扰，导致过多的抖动。因此，您操作系统的程序性能可能会受到影响，并可能发生频繁的故障。只有通过使用适当的同步和微内核，用户才能处理抖动。

分析

当您同时执行两个或更多任务时，您将需要使用额外的内存模型。这使得在多核机器上进行分析变得困难。特别是，时间限制很难确定，并且可能不准确。

此外，随着核心数量的增加，干扰分析变得更加复杂。因此，操作系统将无法提供承诺的结果。

资源共享

多核处理器共享各种内部和外部资源。这些资源包括网络、系统总线和主内存。因此，任何在同一核心上运行的程序被中断的可能性都会更高。这种干扰可能以地理和时间隔离两种形式出现。

软件干扰

由于资源共享，软件干扰可能会导致空间和时间隔离方面的问题。如果核心更多，这种可能性会进一步增加。更多核心的存在意味着更多的干扰路径。几乎不可能检查所有可能的干扰路径。

多核处理器局限性的其他一些关键点

• 虽然它包含多个处理器，但它的速度并不是简单处理器的两倍。
• 管理任务比管理单核 CPU 更复杂。
• 多核处理器的性能完全取决于用户执行的任务。
• 如果其他处理器需要线性/顺序处理，多核处理器需要更长的时间来处理。
• 电池消耗得更快。
• 与简单处理器相比，它的功耗非常高。
• 此外，与单核处理器相比，它更昂贵。

为什么使用多核处理器？

配置类似于双核处理器。多核处理器根据核心数量和核心类型进行分类。多核 CPU 的目标是获得高性能。它旨在克服单核 CPU 的物理限制。

支持多核处理器的操作系统包括

• Linux
• Microsoft Windows（Windows XP 或更高版本）
• 大多数基于 BSD 的系统
• Solaris
• Mac OS X

多核处理器简史

因为制造第一批基于芯片的处理器的公司只能在单个芯片上放置一个处理器。随着芯片制造技术的进步，芯片制造商能够制造出带有更多电路的芯片，最终，芯片制造商能够制造出带有一个以上处理器的芯片，从而产生了多核芯片。

1998年，第一款多核处理器由斯坦福大学电子工程教授 Kunle Olukotun 和他的学生发明。多核芯片于 2005 年首次由 Advanced Micro Devices (AMD) 和英特尔商业化。此后，几乎所有芯片制造商都开始生产多核处理器。

多核处理器用在哪里？

在现代，多核处理器存在于大多数设备中，如平板电脑、台式机、笔记本电脑、智能手机和游戏系统。

提供的两种核心选项表明，处理器的型号并不能完全说明其性能。与双核 i5 相比，四核 i5 的性能要好得多，计算机的价格也会反映出这一点。截至本文撰写之时，i5 型号的所有当前笔记本电脑型号都是双核的，而所有台式机型号都是四核的。由于笔记本电脑版本是双核而不是四核，笔记本电脑中的 i5 性能将低于台式机上的 i5。双核类型更适合需要更长电池续航时间的便携式笔记本电脑，并且功耗更低，但台式机使用功耗更高的 CPU，例如四核型号，因为它不需要电池续航。多核处理器的一些应用如下

• 高画质游戏，如《守望先锋》和《星球大战：前线》，以及 3D 游戏。
• 在 Adobe Premiere、Adobe Photoshop、iMovie 和其他视频编辑软件中，多核处理器更适用。
• 使用计算机辅助设计 (CAD) 的 Solidworks。
• 高网络流量和数据库服务器。
• 嵌入式系统，例如工业机器人。