多核系統效率與任務(wù)屬性關(guān)系的優(yōu)化策略
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如上分析，指令級并行度與多核CPU支持的系統效率緊密關(guān)聯(lián)。如何利用軟硬件技術(shù)去最大限度地開(kāi)發(fā)處理機中的指令級并行性，關(guān)鍵在于要知道何時(shí)及如何改變指令順序。在實(shí)際運用中，這種改變過(guò)程必須由編譯器或硬件正確實(shí)現。顯而易見(jiàn)，多核系統如果不能保證多核多線(xiàn)程平行推進(jìn)，則更多的核可能更影響多核系統的整體效率，這成為目前對多核CPU結構研究的重點(diǎn)。
3 不同屬性的任務(wù)對多核CPU處理能力與效率的影響分析
應用系統對計算力或計算機的處理能力的需求是可以標定的。尤其是對于給定的科學(xué)計算問(wèn)題，所需要的處理時(shí)間幾乎能預估。而面向非科學(xué)計算問(wèn)題的處理，處理系統要開(kāi)銷(xiāo)的時(shí)間往往不可預知。比如，在一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò )數據庫系統內完成相應的知識發(fā)現，需要開(kāi)銷(xiāo)的時(shí)間可能各不相同，因待發(fā)現問(wèn)題的算法(約束方程)而異。產(chǎn)生“不同”的原因其實(shí)與發(fā)現問(wèn)題(處理任務(wù))的屬性相關(guān)，如果任務(wù)(Task)是可細粒度劃分的，則由多核CPU支持的并行系統處理效率高。由于細粒度劃分算法的工作開(kāi)銷(xiāo)(Workload)，保證了多核CPU的多線(xiàn)程能平行推進(jìn)，實(shí)現高的并行效率。
考慮一種理想狀態(tài)，被處理任務(wù)可劃分為均勻的四大模塊，且并行系統由四核CPU支持，宏觀(guān)上生成四條平行的流水線(xiàn)，由于每條流水線(xiàn)上的指令序列不存在任何相關(guān)性，則四核的指令級線(xiàn)程將平行推進(jìn)，處理效率最高。如果Task客觀(guān)上只能分成均勻的兩大模塊(分成均勻的四塊將出現相關(guān))，且同樣在四核CPU系統上運行，其系統效率將可以如下計算：
設四核處理均勻四模塊的時(shí)間為T(mén)4，則兩核處理均勻兩模塊的時(shí)間為2T4。
如果由四核處理均勻兩模塊任務(wù)序列，且指令級并行過(guò)程中存在的相關(guān)性產(chǎn)生的線(xiàn)程阻塞花費的吸收開(kāi)銷(xiāo)為T(mén)P，當且僅當TP≤2T4時(shí)，該并行系統才是功能上與四核處理四模塊等價(jià)的，但性?xún)r(jià)比則大大降低。
因此，明晰應用系統的屬性更能指導并行系統的選擇或構建，科學(xué)地分析系統整體效率或系統結構選擇，在并行系統不斷發(fā)展進(jìn)程中應該具有重要意義。
4 任務(wù)屬性與系統效率實(shí)際仿真實(shí)例
本文采用VC6.0編程對多核并行處理進(jìn)行仿真，仿真結果如圖1和圖2所示。
比較圖1、圖2，可以得到以下結論：
動(dòng)態(tài)效率(圖中第二條曲線(xiàn))始終低于靜態(tài)效率(理想效率)。動(dòng)態(tài)效率是多核改變原指令執行順序，同時(shí)受核自身的空間、當前任務(wù)量影響。
靜態(tài)效率(圖中第一條曲線(xiàn))是任務(wù)在隨機生成時(shí)，靜態(tài)順序執行，運用Amdahl定律計算出來(lái)的。第二曲線(xiàn)低于第一曲線(xiàn)原因分析如下：
(1)動(dòng)態(tài)執行中多核之間協(xié)同發(fā)生同步等待延時(shí)，系統效率下降；
(2)某時(shí)刻處理單元空閑，產(chǎn)生等待延時(shí)，系統效率下降；
(3)改變指令原有的執行順序，引起效率變化。
第二曲線(xiàn)比第一曲線(xiàn)長(cháng)是因為產(chǎn)生延時(shí)等待。當系統中核的負載均衡，即線(xiàn)程可平行推進(jìn)時(shí)，動(dòng)態(tài)效率更接近靜態(tài)的理想效率，這與實(shí)際非常吻合，說(shuō)明了基于A(yíng)mdahl定律計算系統效率是可行的。當系統中有一個(gè)或多個(gè)核長(cháng)時(shí)間空閑時(shí)，則整個(gè)系統效率明顯下降。當任務(wù)分配不均勻，指令相關(guān)產(chǎn)生的等待或吸收，則動(dòng)態(tài)效率非常不穩定。
以上結論基于最初的指令級抽象、分配、執行策略，但由于是靜態(tài)調度，Krste Asanovic的工作[5]指出了其4個(gè)主要的缺點(diǎn)：
(1)不可預料的轉移；
(2)可變的內存延遲(無(wú)法預料的cache不命中)；
(3)代碼大小的爆炸；
(4)編譯器的復雜性。
所以，仿真證明了任務(wù)屬性與多核CPU支持的并行系統效率之間存在的緊密關(guān)系，是指導提高應用系統性?xún)r(jià)比的重要因素。
多核處理器是處理器發(fā)展的必然趨勢。無(wú)論是移動(dòng)或嵌入式應用、桌面應用還是服務(wù)器應用，都將采用多核的架構[6]。
多核處理器要想發(fā)揮出威力，關(guān)鍵在于并行化軟件支持，多核設計帶動(dòng)并行化計算的推進(jìn)，而給軟件帶來(lái)的影響更是革命性的[7]。面對多核系統，需要有并行編程的思想才有可能充分利用資源，而人類(lèi)的思維模型習慣于線(xiàn)性思維，對“面”或者更為復雜的立體編程模式，效率會(huì )下降很多。
仿真結果證明了多核CPU支持的并行系統效率提升與確定系統所面向的任務(wù)屬性至關(guān)重要，它將有效地指導業(yè)界的應用系統優(yōu)化設計。
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