Lecture 2:A Modern Multi-Core Processor (Part I)

1. 处理器分类
   1. 超标量（Superscalar）：利用指令流内部的指令级并行性。在同一指令流中并行处理不同的指令（在单个核心内）——并行性由硬件在执行中自动发现；比如在一个指令IO的时候转去执行与该IO指令无关的指令
   2. SIMD：多个算术逻辑单元（ALU）由相同指令控制（在单个核心内）——适用于数据并行工作负载：将控制成本分摊到多个ALU上——向量化由编译器完成（显式SIMD）或由硬件在运行时完成（隐式SIMD）
   3. 多核（Multi-core）：使用多个处理核心——提供线程级并行性：在每个核心上同时执行完全不同的指令流——软件通过创建线程向硬件暴露并行性（例如，通过线程API）
2. 硬件支持的多线程
   1. 内核保存多个线程的执行上下文 - 内核仍然拥有相同数量的 ALU 资源：多线程不增加 ALU 数量，而是通过线程切换掩盖延迟；空间换时间
   2. 交错多线程（也称时间多线、时间片多线程、粗粒度/细粒度多线程）：每个时钟周期，内核选择一个线程，并在内核的 ALU 上执行该线程的一条指令
   3. 同时多线程（SMT） - 每个时钟周期，内核选择多个线程的指令在 ALU 上执行
3. SMT与超标量技术区分：
   1. 超标量（Superscalar）通过在一个线程内并行执行多条独立指令，挖掘指令级并行性（ILP）
   2. 同时多线程（SMT）通过在一个周期内混合执行多个线程的指令，挖掘线程级并行性（TLP）
   3. 两者都共享同一组物理执行资源（如 ALU、FPU、Load/Store 单元等），并不增加这些资源的数量
4. simple processor: DataCache, Fetch/Decode, ALU,Execution Context

Superscalar core	SIMD execution capability	Heterogeneous superscalar	Multi-threaded core	Multi-threaded, superscalar core	Multi-core, with multi-threaded, superscalar cores	GPU
multi F/D	single F/D	multi F/D	single F/D	multi F/D	multi F/D	single F/D
multi scalarALU	multi vectorALU	scalarALU+vectorALU	single ALU	scalarALU+vectorALU	scalarALU+vectorALU	multi vectorALU
single Context	single Context	single Context	multi Context	multi Context	multi Context	multi Context
single Cache	single Cache	single Cache	single Cache	single Cache	single Cache + Shared Cache	single Cache