Multicore Processors and Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer

作者:Stephen W. Keckler

出品人:

页数:301

译者:

出版时间:2009

价格:USD 194.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781441902627

丛书系列:

图书标签:

计算机
EECS
Multicore
Processors
Parallel Computing
Computer Architecture
System Design
Embedded Systems
Performance Analysis
Operating Systems
Hardware
Concurrency

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具体描述

Multicore Processors and Systems provides a comprehensive overview of emerging multicore processors and systems. It covers technology trends affecting multicores, multicore architecture innovations, multicore software innovations, and case studies of state-of-the-art commercial multicore systems. Cross-cutting themes of the book are the challenges associated with scaling up multicore systems to hundreds of cores. The architecture chapters focus on innovative multicore execution models as well as infrastructure for multicores, including memory systems, on-chip interconnections, and programming models. The case studies examine multicore implementations across different application domains, including general purpose, server, media/broadband, and signal processing. The authors of the chapters include leaders in the research of multicore architectures as well as designers responsible for the implementation of commercial multicore systems.

Researchers and practitioners will appreciate the projection of technology trends and its expected impact on multicore system design. The case studies throughout the book serve to provide insight into different approaches of designing multicore systems that will give the reader benefit of first-hand experience from the original innovators. Because of its emphasis on both fundamentals and on case studies, this book can serve as a primary textbook for an advanced course in parallel and multicore system design.

《并行计算的基石：多核处理器与系统设计》在计算科学日新月异的今天，单核处理器的性能瓶颈已日益显现，而多核处理器的崛起则为我们打开了通往更高计算能力的大门。本书，《并行计算的基石：多核处理器与系统设计》，深入剖析了这一计算范式的核心——多核处理器及其与之紧密相关的系统设计，旨在为读者构建一个全面且深入的理解框架。我们并非简单地罗列技术名词，而是力求揭示多核技术背后的原理、演进逻辑、设计挑战与未来趋势，引导读者从宏观到微观，从理论到实践，掌握并行计算的精髓。第一篇：多核处理器的理论基础与演进之路本篇我们将回溯计算历史的长河，探寻多核处理器出现的必然性。从最初的串行计算时代，到多处理器系统的雏形，再到如今主流的多核架构，我们将梳理其技术演进的脉络。第一章：从串行到并行：计算模式的革命 1.1 摩尔定律的瓶颈与超越：详细阐述单核处理器在时钟频率和指令级并行性方面的物理和技术极限，解释为何单纯依靠提高时钟频率已难以为继。 1.2 并行计算的起源与发展：追溯向量处理器、SIMD、MIMD 等早期并行计算概念的提出和发展，理解并行性的不同维度。 1.3 多核处理器的概念界定：清晰定义多核处理器，区分其与传统多处理器系统的异同，强调“单芯片多处理器”的核心特征。 1.4 多核处理器出现的社会与经济驱动力：分析市场对更高计算性能的需求，例如在图形处理、科学模拟、大数据分析等领域的应用驱动。第二章：多核处理器架构的核心要素 2.1 核心（Core）的构成：深入剖析一个独立处理核心的内部结构，包括指令获取、译码、执行单元（ALU、FPU）、寄存器文件、分支预测器等。 2.2 缓存层次结构：详细介绍多级缓存（L1、L2、L3）的设计原理、作用以及对性能的影响。重点阐述缓存一致性（Cache Coherence）的必要性与实现机制（如MESI协议）。 2.3 互连网络（Interconnect）：探讨多核之间以及核心与外部设备之间的数据通信方式。介绍总线（Bus）、交叉开关（Crossbar）、网络单芯片（NoC）等不同的互连拓扑及其优缺点，分析其对通信延迟和带宽的影响。 2.4 内存控制器：阐述内存控制器在多核系统中扮演的角色，如何协调多个核心对主内存的访问，以及其对内存带宽和延迟的影响。 2.5 指令集架构（ISA）与多核的适配：讨论主流ISA（如x86、ARM）在支持多核特性方面的演进，例如原子操作指令、内存屏障指令等。第三章：主流多核处理器的设计范式 3.1 同构与异构多核：详细对比同构多核（所有核心能力相同）和异构多核（包含不同类型或能力的核心）的设计理念。 3.2 共享内存模型（Shared Memory Model）：深入分析共享内存多处理器的编程模型和通信机制。 3.3 分布式共享内存（Distributed Shared Memory, DSM）：介绍分布式共享内存的实现方式和挑战。 3.4 SIMD/SIMT 单元与多核的结合：探讨如何利用SIMD（Single Instruction, Multiple Data）或SIMT（Single Instruction, Multiple Threads）指令集在多核内部实现更细粒度的并行。 3.5 典型多核处理器系列分析：选取代表性的多核处理器系列（如Intel Core系列、AMD Ryzen系列、ARM Cortex系列）进行案例分析，探讨其在核心设计、缓存策略、互连方式等方面的独特之处。第二篇：多核处理器系统的设计与挑战多核处理器并非孤立存在，它们是庞大复杂系统的一部分。本篇将聚焦于多核系统层面的设计考量，包括硬件、软件以及两者之间的协同。第四章：多核系统的硬件设计考量 4.1 芯片封装与散热：探讨多核芯片在高密度集成下的散热挑战，介绍先进的散热技术和封装方式。 4.2 电源管理与功耗优化：分析多核系统中功耗管理的重要性，介绍动态电压频率调整（DVFS）、核心休眠等技术。 4.3 I/O 子系统与多核的集成：讨论I/O 设备如何与多个核心高效交互，介绍PCIe等接口标准以及DMA（Direct Memory Access）技术。 4.4 内存带宽与容量的瓶颈：分析多核处理器对内存带宽和容量的巨大需求，以及如何通过双通道、四通道内存、高带宽内存（HBM）等技术来缓解瓶颈。 4.5 集成图形处理器（GPU）与其他加速器：探讨GPU、AI加速器等专用硬件如何与CPU多核协同工作，实现异构计算。第五章：操作系统与多核调度 5.1 多核操作系统的演进：介绍操作系统如何从单核环境转向支持多核环境，包括进程管理、线程管理等方面的改变。 5.2 核心调度算法：详细分析各种适用于多核环境的调度算法，如公平共享调度、负载均衡调度、节能调度等，以及它们在不同应用场景下的权衡。 5.3 线程同步与互斥：阐述在多核环境下，线程之间进行同步和互斥的必要性，介绍各种同步原语（如锁、信号量、条件变量）及其实现原理。 5.4 内存一致性模型与操作系统：讨论操作系统如何管理和维护多核处理器上的内存一致性。 5.5 虚拟化与多核：分析虚拟化技术如何在多核平台上高效运行，以及虚拟CPU（vCPU）与物理核心的映射关系。第六章：并行软件开发与编程模型 6.1 并行编程的挑战：详细阐述并行编程的固有困难，如数据竞争（Data Race）、死锁（Deadlock）、活锁（Livelock）、饥饿（Starvation）等。 6.2 共享内存编程模型：深入介绍OpenMP、Pthreads等基于共享内存的并行编程模型，包括其API、指令和使用范例。 6.3 消息传递编程模型：详细讲解MPI（Message Passing Interface）在分布式内存系统中的应用，以及其通信原语（如Send/Recv）和拓扑结构。 6.4 并行算法设计原则：介绍如何设计适用于多核环境的高效并行算法，包括任务分解、数据划分、负载均衡、通信优化等策略。 6.5 并行程序的调试与性能分析：探讨多核环境下并行程序的调试方法和性能剖析工具，如何识别瓶颈并进行优化。第三篇：多核处理器的前沿技术与未来展望本篇将放眼未来，探讨多核技术在人工智能、高性能计算、边缘计算等新兴领域的应用，以及未来多核处理器可能的发展方向。第七章：多核在新兴领域的应用 7.1 人工智能与深度学习：阐述多核CPU与GPU/TPU等加速器在深度学习模型训练和推理中的协同作用，以及针对AI优化的多核架构。 7.2 高性能计算（HPC）：分析多核处理器在超级计算机、科学模拟、天气预报、基因测序等领域的关键作用，以及大规模并行计算的挑战。 7.3 边缘计算与物联网（IoT）：探讨多核处理器在边缘设备上的部署，以及其在低功耗、实时处理方面的需求。 7.4 游戏与图形渲染：分析多核处理器如何支撑现代游戏引擎对复杂场景和逼真渲染的需求。第八章：未来多核处理器的发展趋势 8.1 异构计算的深化：预测未来多核处理器将更加强调不同类型计算单元的协同，实现更高级别的异构集成。 8.2 新型存储技术的融合：探讨持久性内存（Persistent Memory）、3D XPoint等新型存储技术如何与多核处理器结合，改变内存层次结构。 8.3 量子计算与传统多核的融合：展望未来量子计算可能与传统多核计算在特定问题上形成互补。 8.4 软件定义硬件（SDH）与可重构计算：探讨软件定义硬件的理念如何影响未来多核处理器的设计灵活性。 8.5 更智能化的核心与自适应计算：预测未来多核将具备更强的自主学习和适应能力，能够根据工作负载动态调整自身状态。第九章：挑战与机遇 9.1 功耗与散热的永恒难题：再次强调功耗和散热作为多核技术发展的长期挑战。 9.2 软件生态的成熟度：讨论并行软件生态系统的建设与完善，是充分发挥多核潜力的关键。 9.3 新材料与新工艺：展望新材料（如石墨烯）和新制造工艺（如3D堆叠）对未来多核处理器设计的影响。 9.4 安全性问题：分析多核架构可能带来的新的安全漏洞，以及应对策略。 9.5 开放标准与合作：强调开放标准和产业界合作在推动多核技术发展中的重要性。《并行计算的基石：多核处理器与系统设计》力求为读者提供一个结构清晰、内容详实、逻辑严谨的学习路径。我们相信，通过深入理解多核处理器的原理、系统设计以及相关的软件挑战，读者将能够更好地把握计算技术发展的脉搏，并在未来的计算领域中游刃有余。这本书不仅是技术人员的案头必备，也是所有对现代计算架构感兴趣的学习者的理想读物。