多核心處理器

多核心處理器（Multi-core processor），又稱多核微處理器，是在單個計算元件中加入兩個或以上的獨立實體中央處理單元（簡稱核心，Core）。這些核心可以分別獨立地執行程式指令，利用平行計算的能力加快程式的執行速度。

通常把兩個或更多獨立處理器封裝在一個單一積體電路（IC）中的方案會稱為多核心處理器，而封裝在不同IC中的獨立處理器形成的電腦系統被稱為多處理器。在某些情況中（比如廣告中），有些人會將在同一個積體電路中多個獨立的單核心微處理器（或多核心微處理器）稱做「多處理模塊」、「多核心」等，其實是指「多處理器」而不是「多核心處理器」。除非特別說明，本文將使用「多核心」指代在同一積體電路中集成多個獨立處理器的CPU（即「多核心處理器」）。

一般情況下，多核心處理器可以在每個核心分別獨立物理封裝的情況下進行多任務處理（線程級並行處理（Thread-Level Parallelism，TLP），這種形式的TLP通常被認為是晶片級多處理）。

## 商業化的例子

- IBM的POWER4，2000年發布的第一個雙核心模塊處理器。
- IBM的POWER5雙核心晶片，還有應用在蘋果電腦PowerMac G5中的PowerPC 970MP雙核心處理器。
- Broadcom SiByte（SB1250, SB1255, SB1455）
- PA-RISC（PA-8800）
- Sun Microsystems UltraSPARC IV, UltraSPARC IV+, UltraSPARC T1
- AMD在2005年4月22日發布了它的雙核心Opteron伺服器/工作站用處理器，還在2005年5月31日發布了雙核心桌面處理器Athlon 64 X2家族。此外，AMD還發布了FX-60和FX-62高性能桌面處理器，以及Turion 64 X2移動處理器。
- Intel的基於NetBurst微架構的雙核心Pentium D、Xeon處理器。
- 用於筆記型電腦的Intel Core Duo
- Intel Core 2。
- Intel Core i3/i5/i7/i9
- Microsoft的Xbox 360遊戲終端使用了三核心的PowerPC微處理器。
- Raza Microelectronics的XLR處理器擁有8個MIPS核心。
- Cavium Networks的Octeon處理器擁有16個MIPS核心。
- Intel® Xeon Phi™ Coprocessor 7100 Series處理器擁有61核心，運算能力可達1.208 TeraFLOPS。
- AMD Ryzen及Ryzen Threadripper。
- 目前AMD發布的銳龍9 3950X使用了7奈米製程的技術。

## 開發動機

### 技術壓力

CMOS製造技術不斷改善、單個邏輯閘不斷變小，基於半導體的微電子學的物理極限變成主要的設計考量。

### 商業誘因

由於商用電腦要求提升，處理器向高效能的方向發展。兩個同效能的處理器理論上的處理能力是原來的兩倍。早年的Intel就曾推出可安裝多個單核心Xeon的伺服器底板。此外，家用電腦也出現過可以安裝最少2個Pentium III的底板。但由於能源、成本、空間等問題，現今的底板已向「多核心」方向發展。

### 優勢

由於採用了相對簡單的微處理器作為處理器核心，多核心處理器具有高主頻、設計和驗證周期短、控制邏輯簡單、擴展性好、易於實現、功耗低和通信延遲低等優點。此外，多核心處理器還能充分利用不同應用的指令級並行和線程級並行，具有較高線程級並行性的應用可以很好地利用這種結構來提高性能。

### 劣勢

儘管多核心有比單核心運行速度更快的優勢，但如果應用程式不支援多核心處理，這個優勢就不能發揮。例如早期的軟體和Windows只支援單核心處理，不會自動使用多個核心作分工處理，但這問題目前已經不存在了，因為現在幾乎所有程序都支援多核心處理。

## 軟體影響

### 編程問題

對於多核心的電腦，若在程式編寫或編譯時無法把程式線性化，就不能充分利用多核心的特色，結果程式只能在一個核心上運行，白白浪費中央處理器的資源。

### 許可

另外一個問題是對多核心處理器的軟體授權。企業級的伺服器軟體是以處理器為單位授權。以前，中央處理器只有一個核心而多數電腦只有一個處理器，並不存在這個問題。而在雙核心處理器剛面世時，有些軟體是以核心為單位授權，雙核心處理器則需要兩個授權。現在的主流是把雙核心或多核心處理器計算成一個處理器。微軟、英特爾和超微支持這個觀點，甲骨文雖然也支持這個觀點，但是甲骨文只將英特爾和超微的多核心處理器計算為一個處理器，卻把其他的多核心處理器當成多個處理器。國際商業機器、惠普和微軟把多處理器模組當成多處理器，因為假如把多處理器模組當成一個處理器，處理器廠商會製造大型、昂貴的多處理器模組來幫助客戶節省軟體費用，所以現在行業上漸漸把一枚晶片當作一個處理器。

## 普遍誤解

部分非專業人士會以為中央處理器的核心數目越多，其效能會越高。這其實是缺乏對處理器運算速度和軟體的支援問題的理解。例如：4核486MHz的處理器與單核3.0GHz處理器相比，雖然前者可同時有四條線路運算，而後者卻只有一條線路運算，但是時脈明顯有差距。而且不是全部軟體都支持多核心及多處理器的工作環境。

若是以上述的例子來做簡單的說明， 4核486MHz的處理器就像是一個部門可以一次處理四個單位的工作，但每個處理單位卻只有一個人慢慢完成。而單核3.0GHz的處理器則像是一個部門一次只處理一個單位的工作，但該處理單位卻有好幾個人來快速地完成工作。

## 註釋

- DSP Digital signal processors, DSPs, have utilized dual-core architectures for much longer than high-end general purpose processors. A typical example of a DSP-specific implementation would be a combination of a RISC CPU and a DSP MPU. This allows for the design of products that require a general purpose processor for user interfaces and a DSP for real-time data processing; this type of design is suited to e.g. mobile phones.
- PMTandSMP Two types of operating systems are able to utilize a dual-CPU multiprocessor: partitioned multiprocessing and symmetric multiprocessing (SMP). In a partitioned architecture, each CPU boots into separate segments of physical memory and operate independently; in an SMP OS, processors work in a shared space, executing threads within the OS independently.

## 外部連結

- AMD HyperTransport Technology
- Hyper-Threading Technology Intel
- Intel First to Ship Dual Core – By Michael Singer, internetnews.com, 12 April 2005
- Findings of a test carried out by Anandtech showed that dual-core chips produced by AMD and Intel had individual performance merits under different situations of application
- Intel® Xeon Phi™ Product Family