服務(wù)器處理器基礎(chǔ)知識(shí)

1、 干貨分享: 服務(wù)器處理器基礎(chǔ)知識(shí) CPU(中央處理器)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU主要功能是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。CPU由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。CPU的運(yùn)作原理可分為四個(gè)階段:提取(Fetch)、解碼(Decode)、執(zhí)行(Execute)和寫回(Writeback)。 CPU從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中取出指令，放入指令寄存器，并對(duì)指令譯碼，并執(zhí)行指令。CPU的主要性能參數(shù)包括：主頻，倍頻，外頻。CPU的主頻也叫時(shí)鐘頻率，CPU 主頻為 CPU 的額定工作頻率，當(dāng)內(nèi)核數(shù)目和緩存大小一樣時(shí)，主頻越高的CPU性能越好

2、。通常，主頻越高CPU處理數(shù)據(jù)的速度就越快，CPU的主頻=外頻倍頻系數(shù)。為什么會(huì)有外頻和倍頻的區(qū)分呢？這個(gè)是和CPU的發(fā)展有關(guān)的。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是CPU發(fā)展太快，而其他硬件無(wú)法達(dá)到同樣頻率來(lái)交互，于是CPU進(jìn)行妥協(xié)，將外頻作為和主板其他部件之間通訊的頻率，而工作頻率靠倍頻來(lái)調(diào)節(jié)提升。CPU的主頻，即CPU內(nèi)核工作的時(shí)鐘頻率（CPU Clock Speed）。通常所說(shuō)的某某CPU是多少M(fèi)Hz的，而這個(gè)多少兆赫就是“CPU的主頻”。外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運(yùn)行速度。倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對(duì)比例關(guān)系。一般情況下，同代（同針腳）的CPU，其外頻往往

3、是一樣的，只是倍頻系數(shù)的變化導(dǎo)致主頻不同。Intel TurboBoost 技術(shù)中文叫做 Intel 睿頻加速技術(shù)，此技術(shù)運(yùn)行 Intel CPU 工作在標(biāo)稱頻率之上，性能分配上實(shí)現(xiàn)按需分配。2017年7月份，英特爾(Intel)正式發(fā)布了代號(hào)為Purley的新一代服務(wù)器平臺(tái)，包括代號(hào)為Skylake的新一代至強(qiáng)(Xeon)CPU，命名為英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器(Intel Xeon Scalable Processor，SP)，也宣告了延續(xù)4代的至強(qiáng)E5/E7系列命名方式的終結(jié)。至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器不再以E7、E5的方式來(lái)劃分定位，而代之以鉑金(Platinum)、金(Gold)、銀(Silver

4、)、銅(Bronze)的方式。Skylake是新命名方式的一代，Cascade Lake是二代，兩代共用Purley平臺(tái)。第一位數(shù)字：8(鉑金)、6/5(金)、4(銀)、3(銅)第二位數(shù)字：(新命名體系下的)代次第三四位數(shù)字：具體 SKU(庫(kù)存單位)編號(hào)Intel處理器工藝和架構(gòu)更新成為Tick-Tock。Tick年(工藝年)更新制作工藝，Tock年(架構(gòu)年)更新微架構(gòu)。2006年，Intel 正式發(fā)布了酷睿2/Core 2 處理器，同時(shí)宣布了每年更新 CPU 的“Tick-Tock”計(jì)劃，“Tick”代表 CPU 制作工藝上的改進(jìn)，而“Tock”則代表 CPU 架構(gòu)上的更新。Tick-Toc

5、k就是時(shí)鐘的“嘀嗒”的意思，一個(gè)嘀嗒代表著一秒，而在 Intel 的處理器發(fā)展戰(zhàn)略上，每一個(gè)”Tick-Tock”代表著 2 年一次的工藝制程進(jìn)步。這樣在制程工藝和核心架構(gòu)的兩條提升道路上，總是交替進(jìn)行，一方面避免了同時(shí)革新可能帶來(lái)的失敗風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)持續(xù)的發(fā)展也可以降低研發(fā)的周期，并可以對(duì)市場(chǎng)造成持續(xù)的刺激，并最終提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。多核處理器把多個(gè)CPU(核心)集成到單個(gè)集成電路芯片(Integrated Circuit Chip)中。一個(gè)雙核的CPU有2個(gè)中央處理單元，操作系統(tǒng)可以看到真正的2個(gè)核心，所以2個(gè)不同的進(jìn)程可以分別在不同的核心中同時(shí)執(zhí)行，這大大加快了系統(tǒng)的速度。由于2個(gè)核心都在一個(gè)

6、芯片上，因此它們之間的通信也要更快，系統(tǒng)也會(huì)有更小延遲。超線程(Hyper Threading)其實(shí)就是同時(shí)多線程技術(shù)，是一項(xiàng)允許一個(gè)CPU執(zhí)行多個(gè)控制流的技術(shù)。它的原理就是把一顆CPU當(dāng)成兩顆來(lái)用，將一顆具有超線程功能的物理CPU變成兩顆邏輯CPU，而邏輯CPU對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，跟物理CPU并沒有什么區(qū)別。因此，操作系統(tǒng)會(huì)把工作線程分派給這兩顆（邏輯）CPU上去執(zhí)行，讓（多個(gè)或單個(gè)）應(yīng)用程序的多個(gè)線程，能夠同時(shí)在同一顆CPU上被執(zhí)行。注意：兩顆邏輯CPU共享單顆物理CPU的所有執(zhí)行資源。實(shí)際上，超線程技術(shù)就是對(duì)CPU的虛擬化。多核處理器把多個(gè)CPU（核心）集成到單個(gè)集成電路芯片中。多核CPU（

7、處理器）是指在一枚處理器中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核)。超線程(hyper-threading)其實(shí)就是一項(xiàng)允許一個(gè)CPU執(zhí)行多個(gè)控制流的技術(shù)。關(guān)于異構(gòu)，從計(jì)算單元角度來(lái)看，x86處理器之外的計(jì)算單元，都可認(rèn)為是異構(gòu)單元，例如GPU、FPGA加速卡等。從軟件系統(tǒng)集群角度來(lái)看，基于不同處理器的服務(wù)器可以認(rèn)為是異構(gòu)；例如基于E5-2650v4的大數(shù)據(jù)集群使用基于Gold 5115或者鯤鵬916的服務(wù)器來(lái)擴(kuò)容，就屬于擴(kuò)容異構(gòu)節(jié)點(diǎn)。關(guān)于眾核，它是相對(duì)于單核而言，即最早的芯片只有一個(gè)核，到后來(lái)的雙核(Dual Core)和四核(Quad Core)。超過這個(gè)數(shù)量的，不多于10個(gè)核的，一般稱為多核

8、(Multi Core)。當(dāng)前的CPU核數(shù)達(dá)到3264，業(yè)界稱為眾核(Manycore)。多核和眾核之間并沒有嚴(yán)格的限制。隨著云計(jì)算，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)發(fā)展，邊緣計(jì)算發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，讓越來(lái)越多的數(shù)據(jù)在邊沿計(jì)算，補(bǔ)充數(shù)據(jù)中心算力需求。邊沿計(jì)算對(duì)計(jì)算架構(gòu)要求多樣化，需要不同的處理器架構(gòu)來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的算力需求，同時(shí)需要GPU，NPU和FPGA等技術(shù)加速特定領(lǐng)域的算法和專用計(jì)算。以此，不同CPU架構(gòu)，不同加速技術(shù)應(yīng)用而生。目前兩大CPU處理器指令體系CISC和RISC架構(gòu)都在互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，走向融合。CISC借用RISC的理念優(yōu)化指令系統(tǒng)效率，RISC引入增強(qiáng)指令提高復(fù)雜任務(wù)處理效率。所以，

9、不必過分關(guān)心CISC和RISC的區(qū)別，兩種架構(gòu)都是非常先進(jìn)，并且會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展演進(jìn)的。CISC復(fù)雜指令集特點(diǎn)在于指令多，一條指令執(zhí)行多個(gè)功能。優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在特定功能執(zhí)行效率高，例如多媒體處理；缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，執(zhí)行效率低；典型架構(gòu)包括x86。RISC精簡(jiǎn)指令集特點(diǎn)是指令少，復(fù)雜任務(wù)由多個(gè)精簡(jiǎn)指令組合完成。優(yōu)點(diǎn)是常用工作執(zhí)行效率高，功耗低；缺點(diǎn)是部分復(fù)雜任務(wù)處理效率偏低，例如多媒體處理；典型架構(gòu)是ARM、Power、MIPS、Alpha和SPARC等。RISC架構(gòu)相比x86架構(gòu)來(lái)說(shuō)，物理核心更多，適用于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心主流的分布式計(jì)算場(chǎng)景；例如大數(shù)據(jù)、分布式存儲(chǔ)、HPC等；能耗更低，節(jié)能環(huán)保，相比同樣性能

10、的x86處理器，功耗低20%左右。然而，RISC架構(gòu)相比x86架構(gòu)也存在明顯不足，如單核性能稍弱于x86；相比于Intel AVX512，向量指令運(yùn)算能力偏弱，在HPC部分場(chǎng)景性能低于x86；對(duì)通用場(chǎng)景無(wú)任何影響；ARM架構(gòu)RISC-V和MIPS架構(gòu)都是比較主流和流行的RISC架構(gòu)，但兩者存在比較大的差異。ARM具有更好的軟件生態(tài)：ARM處理器在移動(dòng)終端、IoT等領(lǐng)域廣泛使用，也建立了良好的軟件生態(tài)；移動(dòng)端和數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)軟件庫(kù)是通用的；ARM性能更高：ARM是主流的，活躍的架構(gòu)，有多家主流參與者，迅速發(fā)展，目前性能已經(jīng)可以媲美主流x86處理器。MIPS公司經(jīng)營(yíng)不善，MIPS架構(gòu)已經(jīng)基本沒有發(fā)

11、展。Wave Computing公司宣布開源MIPS，龍芯是中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所自主研發(fā)的通用CPU，基于MIPS指令集研發(fā)幾代CPU，因此，MIPS技術(shù)還是相對(duì)比較成熟。MIPS指令集架構(gòu)(ISA)和MIPS的最新核心R6在2019年第一季度公開發(fā)布。隨著技術(shù)貿(mào)易戰(zhàn)愈演愈烈，自主研發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)代熱詞，中國(guó)研發(fā)CPU芯片的公司也猶如雨后春筍，目前主要的CPU研發(fā)公司包括： 華為(ARM)，飛騰(ARM)，海光(x86)，龍芯(MIPS)，兆芯(x86)，申威(Alpha)等。這些公司中，有多家為服務(wù)器廠商提供芯片。目前采用上述芯片提供服務(wù)器的廠商包括：技嘉(Cavium)，HPE(Cavium)，

12、聯(lián)想(Ampere、飛騰)，Ampere(Ampere)，浪潮(飛騰)，長(zhǎng)城(飛騰)，同方(飛騰)，寶德(飛騰)，云海麒麟(飛騰)。芯片的整體性能與制造工藝和內(nèi)核的深度設(shè)計(jì)都有關(guān)系。工藝越先進(jìn)，芯片集成度越高，芯片運(yùn)行頻率越快，功耗相對(duì)越低，整體競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)。目前主要的CPU芯片代工生產(chǎn)商是臺(tái)積電(TSMC)，它是全球最大的晶圓代工龍頭企業(yè)，擁有世界最高7nm生產(chǎn)工藝的臺(tái)灣公司，制造工藝全球領(lǐng)先。此外，可代工生產(chǎn)CPU的中國(guó)企業(yè)包括中芯國(guó)際、華虹半導(dǎo)體和華力微電子等公司，中芯國(guó)際預(yù)計(jì)19年可實(shí)現(xiàn)14nm工藝，國(guó)產(chǎn)廠商也發(fā)展迅速。 元旦特惠福利 全店鋪技術(shù)資料打包(全)電子書，總價(jià)值240元，元旦

13、特惠活動(dòng)期間168元。全店鋪技術(shù)資料打包(全)目錄如下(32本):RDMA原理分析、對(duì)比和技術(shù)實(shí)現(xiàn)解析數(shù)據(jù)備份和副本管理技術(shù)全面解析容器技術(shù)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)詳解閃存技術(shù)、產(chǎn)品和發(fā)展趨勢(shì)全面解析虛擬化技術(shù)最詳細(xì)解析傳統(tǒng)企業(yè)存儲(chǔ)知識(shí)完全解析IO知識(shí)和系統(tǒng)性能深度調(diào)優(yōu)全解業(yè)界主流數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)雙活完全解析Ceph技術(shù)架構(gòu)、生態(tài)和特性詳細(xì)對(duì)比分析數(shù)據(jù)中心大二層交換技術(shù)詳解VMware云數(shù)據(jù)中心(私有云)解決方案詳解大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)據(jù)重刪技術(shù)詳解高性能計(jì)算HPC技術(shù)、方案和行業(yè)全面解析Kubernetes技術(shù)和實(shí)戰(zhàn)總結(jié)詳解DPDK和SPDK技術(shù)知識(shí)點(diǎn)InfiniBand架構(gòu)和技術(shù)實(shí)戰(zhàn)總結(jié)云計(jì)算PaaS主流軟件、產(chǎn)品和廠商分析Cloud Fo