1 課程背景

2006年是有計算機歷史以來處理器更新?lián)Q代最快的一年，以Intel與AMD為代表的處理器廠商在年初發(fā)布了雙核處理器，之后發(fā)布了多款雙核處理器，在2006年底又發(fā)布了四核處理器，2007年1月10日，英特爾展示了配置兩個四核處理器的八核計算機，多核處理器開始全線進入市場，計算機多核時代真正來臨。到2006年底，多核處理器出貨量已經(jīng)達到處理器總出貨量的90％以上。在未來幾年里，處理核的數(shù)目將會越來越多，根據(jù)Intel公司的處理器發(fā)展路線圖，Intel在2010年的主流處理器將是128核到144核。除此之外，其他的一些芯片廠商也在研發(fā)更多核的處理器，其中美國硅谷一家創(chuàng)業(yè)公司Rapport宣布，計劃開發(fā)整合了1000個簡單處理器的芯片。多核時代的到來無疑揭開了計算機發(fā)展歷史的新篇章。

相對于多核處理器如雨后春筍般不斷推出的發(fā)展速度，軟件業(yè)對多核時代的到來并沒有做好充分的準備。正如微軟公司軟件架構(gòu)師Herb Sutter在2005年In-Stat/MDR秋季處理器論壇會議上所指出的，處理器廠商未能確切了解多核的設(shè)計為軟件行業(yè)帶來多少額外工作，客戶端應(yīng)用程序開發(fā)者多年來一直停留在單線程世界，生產(chǎn)所謂的“順序軟件”，但是多核時代到來的結(jié)果是軟件開發(fā)者必須找出新的開發(fā)軟件的方法。這對于軟件廠商和學(xué)術(shù)界來說都是一個巨大的挑戰(zhàn)。

對于作為計算機人才培養(yǎng)主要基地的高等院校來說，如何調(diào)整計算機教育課程以適應(yīng)多核時代的到來也是一個新的挑戰(zhàn)。隨著多核技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見目前以及未來大多數(shù)的軟件開發(fā)都將以多核芯片為基礎(chǔ)硬件平臺。從2005年起，計算機知識體系與教學(xué)體系就應(yīng)該根據(jù)硬件發(fā)展走勢作相應(yīng)的變化，例如從編程語言到軟件工程，從計算機組成到芯片設(shè)計，都可以引入多核技術(shù)。未來的編程語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法理論、軟件工程等都將隨著多核的出現(xiàn)而進行修訂，計算機硬件方向的課程變化則更大。

但是，大部分相關(guān)專業(yè)，包括計算機專業(yè)、電子工程、自動化等專業(yè)方向的課程沒有進行相應(yīng)的修改，尤其是計算機專業(yè)，目前培養(yǎng)畢業(yè)的學(xué)生還不具備在主流計算機硬件上做開發(fā)的能力。究其原因是多核的發(fā)展振聾發(fā)聵，產(chǎn)業(yè)界與教育界都還來不及建立相應(yīng)的課程體系。

我們在過去的一年中對大學(xué)生與工程師做多核培訓(xùn)過程中，對多核以及多線程技術(shù)的需求進行了調(diào)查。目前企業(yè)對有能力利用多核硬件的人才需求很旺盛，但是如何界定多核人才是模糊的。有25％的工程師當(dāng)前正在使用多核與多線程相關(guān)的技術(shù)；有35％的工程師認為在未來的一年（即2007年）將會在工作中使用多核以及多線程技術(shù)，其余65％的工程師都認為多核以及多線程技術(shù)將會有利于普及。90％以上的大學(xué)生認為需要在大型課程中學(xué)習(xí)在實際中會遇到的多核以及多線程技術(shù)。

在這樣的背景下，為了適應(yīng)多核時代對計算機人才的需要，浙江大學(xué)計算機學(xué)院計算機體系結(jié)構(gòu)及支撐環(huán)境課程小組從2005年開始進行多次研討，決定在多核時代到來之初就開始探索計算機相關(guān)課程的革新。在計算機技術(shù)應(yīng)用方面，設(shè)置本科生多核編程課程，培養(yǎng)熟悉多核硬件架構(gòu)、面向多核硬件進行軟件開發(fā)的人才；在計算機科學(xué)研究方面，設(shè)置研究生多核課程，培養(yǎng)了解國際計算機研究前沿、能勝任計算機體系架構(gòu)研究即基于多核的硬件和系統(tǒng)軟件設(shè)計的研究型人才。同時，通過課程的開設(shè)，有助于企業(yè)明晰什么樣的人才，是掌握多核以及多線程技術(shù)的人才。

2 參考課程設(shè)計

浙江大學(xué)計算機學(xué)院在設(shè)計自己的多核課程時，查閱了大量的相關(guān)文獻資料，了解了國外著名高校相關(guān)課程對多核技術(shù)的適應(yīng)性改造。

CC2005與CCCE2004是計算相關(guān)課程設(shè)計提供的指導(dǎo)性建議。CC2005中涉及目前的多核部分包括了Hardware and devices領(lǐng)域中的Design a chip與Program a chip兩部分。在CCCE2004中，涉及多核的有：10課時的CE-CAO6（Processor systems design）、3課時的CE-CAO9（Distributed system models）、12課時的CE-DIG6（Digital systems design）、選修的CE-ESY8（Embedded multiprocessors）。

顯然在這兩份權(quán)威的報告里面缺少了多核技術(shù)相關(guān)課程的建議，無論是多核體系結(jié)構(gòu)，還是多核軟件開發(fā)，都未涉及。究其原因是這兩個報告推出于多核處理器推出之前，這讓我們在設(shè)計課程時無法從中獲取有效的信息。

是等待美國計算機學(xué)會（ACM）、美國信息系統(tǒng)協(xié)會（AIS）和電氣和電子工程師協(xié)會計算機社區(qū)（IEEE-CS）推出下一個版本的計算機課程，還是走在技術(shù)發(fā)展的前沿去開發(fā)適應(yīng)多核時代的課程，是否有能力開發(fā)相關(guān)的課程，是擺在我們面前的問題。

表1羅列了CMU、MIT、Backley、Harvard，Stanford這五個國際一流大學(xué)課程計劃中與多核技術(shù)相關(guān)的課程。這些課程主要包括了分布式系統(tǒng)、并行計算與性能優(yōu)化方向的課程，還都是從傳統(tǒng)計算機角度設(shè)置課程，有沒有針對多核的課程，能否提供我們參考。世界上一些高校已經(jīng)開始作了很多嘗試。2006年5月10~11日，在美國俄勒岡州（Oregon）的Tigard召開了全球多核課程會議，包括清華、北大、上交、復(fù)旦、浙大、香港科大等來自34個國家51所高校的教師研討了多核技術(shù)在大學(xué)課程設(shè)置與教學(xué)方法的相關(guān)問題。這些世界上著名的高校都開始或者有計劃在相關(guān)專業(yè)開設(shè)計算機多核課程。

麻省理工學(xué)院（MIT）與喬治亞理工學(xué)院（GIT）最早啟動多核課程。MIT從2003年起開始在Theory of Parallel Systems課程中講授Cilk語言（一種多線程C語言），2006年開始逐步在該課程中增加Cilk多核編程的內(nèi)容，并且在硬件平臺方面從UltraSPARC，Origin2000，AlphaServer，Intel SMP擴展到Intel的多核平臺上。

GIT的電子和計算機工程學(xué)院在多核課程方面走得更為大膽，他們在2006年春開設(shè)新的多核課程，面向高年級本科生和研究生，內(nèi)容涉及到系統(tǒng)和體系、編譯和編程語言、高性能計算和應(yīng)用、企業(yè)計算和信息綜合以及嵌入式應(yīng)用程序接口等。GIT還將改造一系列課程以適應(yīng)多核技術(shù)，包括操作系統(tǒng)設(shè)計、高級操作系統(tǒng)、計算機組成、分布式計算、計算機體系和高性能通訊等13門課。

香港科技大學(xué)也將在2007年春開始新的多核編程課程，并且改造程序設(shè)計、計算機體系、微處理器體系、嵌入式系統(tǒng)等課程。

都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院改造了他們的并行計算課程以適應(yīng)多核技術(shù)，他們改造了并行編程模型、線程同步和通訊、進程/線程調(diào)度、測試和調(diào)試策略、并行體系結(jié)構(gòu)、Cache和內(nèi)存管理、Cache-aware軟件開發(fā)等內(nèi)容，并增加了線程池、投機多線程、決定論和超線程等新內(nèi)容。

這些課程的實踐與嘗試，給了我們很好的參考，我們通過研討多核技術(shù)本身與對其他技術(shù)的影響，分析了多核方面的課程設(shè)置方案。

3 多核技術(shù)的知識點分析

我們認為多核技術(shù)涉及的知識點如圖1所示。這些多核技術(shù)相關(guān)的知識點都需要在多核課程中涉及，包括：

* 多核SOC芯片技術(shù)

* 多核芯片與傳統(tǒng)單核微處理器、SMP的區(qū)別

* 多核下的各種硬件設(shè)計技術(shù)（Cache與存儲一致性、網(wǎng)絡(luò)互連、IO管理）

* 并行體系與多核體系結(jié)構(gòu)

* 典型多核芯片：Cell、OpenSparc、Intel雙核芯片、AMD雙核芯片

* 嵌入式多核芯片技術(shù)

* 多核平臺結(jié)構(gòu)與芯片組支持技術(shù)（包括固件技術(shù)）

* 多核操作系統(tǒng)

* 多核系統(tǒng)軟件對并行編程的支持

* 多線程編程對多核的支持

* Windows多核多線程編程技術(shù)

* Linux多核多線程編程技術(shù)

* OpenMP對多核的支持

* 多核平臺上的編譯優(yōu)化技術(shù)

* 多核平臺上編譯工具

* 多核API優(yōu)化函數(shù)庫

* 多核多線程程序的性能評測方法

* 多核多線程程序的性能評測工具

所有這些多核技術(shù)相關(guān)的知識點中，一部分屬于多核編程技術(shù)與技巧，可以結(jié)合多核編程工具與性能調(diào)優(yōu)工具，通過編程實踐鍛煉學(xué)生對多核編程能力的培養(yǎng)。另一部分屬于并行計算機與數(shù)字芯片技術(shù)方向的最前沿，可以作為研究生的課程，擴大學(xué)生們的知識面，了解計算機體系結(jié)構(gòu)，并行計算和芯片設(shè)計技術(shù)等領(lǐng)域的最新熱點。

4 浙江大學(xué)的多核課程設(shè)計

綜合上述高校的多核課程以及我們對多核技術(shù)涉及的知識點分析，我們設(shè)計了浙江大學(xué)的多核課程體系。是集中這些知識于獨立課程，還是分布到各相關(guān)課程中，是第一個問題?？紤]到目前多核技術(shù)推出不久，集中力量把這些內(nèi)容介紹清楚，我們認為是合適合理的。

獨立的多核課程，其教學(xué)目的是讓學(xué)生了解當(dāng)前計算機芯片設(shè)計領(lǐng)域中新興多核體系設(shè)計的基本原理、技術(shù)難點、目前發(fā)展狀況以及對計算機領(lǐng)域帶來的相關(guān)影響等，通過建立體系經(jīng)典理論研究和實際的發(fā)展方向之間的橋梁，為將來從事體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、系統(tǒng)軟件領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域的高水平研究打好扎實的基礎(chǔ)。

多核課程面向的對象可以包括計算機專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)。從事高性能計算的學(xué)生，可以從這門課程學(xué)習(xí)到如何將并行計算與現(xiàn)代多核處理器結(jié)合起來；從事應(yīng)用軟件開發(fā)的學(xué)生，可以學(xué)習(xí)到如何發(fā)揮現(xiàn)有硬件的性能。

學(xué)習(xí)該課程的基本目標是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握多核體系的基本原理、典型設(shè)計策略、操作系統(tǒng)和編譯器的相應(yīng)設(shè)計、編程方式的變化方向等，并通過查閱這些領(lǐng)域的最新文獻來不斷更新知識。

考慮到多核課程涉及面很廣，包括了把多核技術(shù)應(yīng)用在計算機技術(shù)上，以及多核體系、優(yōu)化等不同層次的兩個方面，我們將多核課程分為兩個部分，分別面向計算機學(xué)院高年級本科生和研究生。

由于多核技術(shù)很大程度上是由產(chǎn)品推動教學(xué)，我們更加重視實踐環(huán)節(jié)，為本科生和研究生設(shè)計了三部分的實踐訓(xùn)練，包括實驗、project和相關(guān)研究項目。其中實驗、project包括在課程之中，學(xué)生可以借助FPGA開發(fā)板、多核計算機、多核軟件等實驗設(shè)備學(xué)習(xí)多核技術(shù)。研究項目是針對對多核研究有興趣的學(xué)生，可以加入多核技術(shù)實驗室的研究小組。

4.1 本科生“并行計算與多核編程”課程

我們設(shè)計的本科生課程，名稱為并行計算與多核編程，作為專業(yè)選修課程，使用的教材暫定為Intel Press的《Multicore programming》，以后會使用我們與清華、北大、復(fù)旦、上海交大合作編寫的多核編程教材，該教材將于2007年9月啟用。

本科課程完全以編程訓(xùn)練為主，結(jié)合多核編程工具，通過編程作業(yè)鍛煉學(xué)生多核編程能力。希望學(xué)生在了解多核體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)多核平臺上的并行編程設(shè)計，學(xué)到多核硬件與單核在編程技巧上的差異性，以及多核程序評測和調(diào)優(yōu)工具的使用以及優(yōu)化技巧。課程共2學(xué)分32學(xué)時。其簡要大綱如下：

（1）多核系統(tǒng)概述。介紹并行體系與多核體系結(jié)構(gòu)的起源和特點，典型多核芯片Cell、Intel雙核芯片體系分析，多核系統(tǒng)軟件對并行編程的支持，共計4學(xué)時。

（2）并行編程技術(shù)，介紹多線程編程技術(shù)、Windows多線程技術(shù)、Unix下Pthread編程優(yōu)化、OpenMP、MPI，共計14學(xué)時。

（3）多核編譯優(yōu)化。介紹多核平臺上的編譯優(yōu)化技術(shù)，學(xué)習(xí)使用多核平臺上編譯工具、多線程優(yōu)化策略、多核優(yōu)化函數(shù)庫使用，共計8學(xué)時。

（4）性能評測。介紹硬件性能評測工具、多線程程序的性能評測方法與評測優(yōu)化工具使用，共計6學(xué)時。

該課程的實驗，是基于英特爾多核硬件平臺的。英特爾公司與浙江大學(xué)于2006年4月成立了多核技術(shù)實驗室，我們開始開展了多核課程建設(shè)。之后浙江大學(xué)自己投資于2006年7月建成了擁有80臺多核計算機的學(xué)生機房，英特爾贈送了100套多核軟件（IntelC++ Compiler for Windows；IntelC++ Compiler for Linux；IntelVisual Fortran， Standard Edition， for Windows；IntelFortran Compiler for Linux；IntelMath Kernel Library (MKL) for Windows；IntelMath Kernel Library (MKL) for Linux；IntelIntegrated Performance Primitives (IPP) for Windows；IntelIntegrated Performance Primitives (IPP) for Linux；IntelVTuneTM Performance Analyzer for Windows；IntelVTuneTM Performance Analyzer for Linux；IntelThread Checker for Windows；IntelThread Profiler for Windows；IntelMPI Library for Linux）。這些軟件可以運行在英特爾的多核處理器上，實現(xiàn)多核的編譯、運行庫、性能測試、多線程檢測與優(yōu)化，對多核教學(xué)幫助極大。

基于這些軟硬件，學(xué)生們學(xué)習(xí)編程技巧，其效果立竿見影，優(yōu)化過程可以圖形顯示，有很好的教學(xué)效果。為此在共性的多核并行程序之外，我們還介紹了Intel多核平臺上的性能評測和調(diào)優(yōu)工具，以保證在程序的正確性的基礎(chǔ)上提高多核程序的運行性能。

該課程與其他課程有一定的聯(lián)系。由于多核平臺下編程與編譯的緊密關(guān)系，所以該課程介紹部分多核編譯的知識，以通過編譯充分發(fā)揮并行程序的優(yōu)勢。同時，并行程序受到操作系統(tǒng)與其他軟件的影響，要寫出一個能發(fā)揮硬件性能的多核并行程序，不能孤立于操作系統(tǒng)之外，所以本科生課程需要介紹操作系統(tǒng)對多核的支持。

除了開設(shè)獨立多核編程課程以外，還需要對相關(guān)課程進行改革。計算機體系結(jié)構(gòu)課程可以增加多核芯片與傳統(tǒng)單核微處理器、SMP的區(qū)別，典型多核芯片等知識；操作系統(tǒng)課程可以增加多核操作系統(tǒng)；編譯原理課程可介紹支持多核的編譯技術(shù)。

4.2 研究生課程

多核計算技術(shù)是計算機科學(xué)與技術(shù)的最新發(fā)展前沿，是計算機體系結(jié)構(gòu)、芯片集成制造技術(shù)近年來最為重大的發(fā)展。多核課程的研究生部分以理論培養(yǎng)為主，兼顧多核編程的原理。通過本課程的開設(shè)，可以使學(xué)生對多核計算技術(shù)與應(yīng)用有一個全面深入的認識，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，以更好適應(yīng)未來的計算機技術(shù)及其應(yīng)用的發(fā)展與革新。

我們設(shè)計的研究生課程，稱為“多核計算”，主要著眼于當(dāng)前多核技術(shù)的研究熱點和多核技術(shù)的高級課題，在研究生的體系結(jié)構(gòu)課程和超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)上進一步提高，結(jié)合操作系統(tǒng)、編譯原理、編程方法等交叉學(xué)科，介紹在體系結(jié)構(gòu)上的多核理論與相關(guān)學(xué)科對此的相應(yīng)發(fā)展。課程以多核體系結(jié)構(gòu)、多核芯片現(xiàn)狀、多核系統(tǒng)軟件、多核編譯優(yōu)化為主線，闡述當(dāng)今多核體系的基本理論、思想和方法，力求使研究生了解世界前沿的體系結(jié)構(gòu)技術(shù)，為從事高水平研究打好基礎(chǔ)。課程2學(xué)分32學(xué)時。簡要大綱如下：

（1）SOC技術(shù)，2學(xué)時。

（2）多核芯片架構(gòu)。介紹多核SOC芯片的發(fā)展、多核芯片與傳統(tǒng)處理器的區(qū)別、多核體系結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，共計6學(xué)時。

（3）多核芯片案例分析。分析Cell芯片、Open-Sparc芯片、Intel與AMD多核芯片體系結(jié)構(gòu)，共計6學(xué)時

（4）多核系統(tǒng)平臺。介紹多核平臺結(jié)構(gòu)與芯片組，共計2學(xué)時。

（5）多核系統(tǒng)軟件。介紹多核平臺的啟動與中斷、調(diào)度、存儲管理，共計4學(xué)時。

（6）多核編譯優(yōu)化。介紹多核編譯、編譯優(yōu)化的重點與難點、多線程化策略，共計8學(xué)時。

（7）多核編程模式。分析現(xiàn)有多核編程技術(shù)（MPI、線程、OpenMP）的差異，共計4學(xué)時。

該課程與研究生其他課程能有機的結(jié)合一起，并對相關(guān)課程進行相應(yīng)改造?！案呒壊僮飨到y(tǒng)”課程，可以增加多核系統(tǒng)軟件對并行軟件的支持，并介紹操作系統(tǒng)對SMP和現(xiàn)在的多核提供的支持?！案呒夡w系結(jié)構(gòu)”偏重存儲訪問優(yōu)化、亂序發(fā)射，超長流水，超標量、超流水，可以適當(dāng)增加介紹多核芯片與多處理器的差異。研究生課程“嵌入式系統(tǒng)”偏重實時理論、節(jié)能軟件、IP設(shè)計軟硬件協(xié)同設(shè)計等，針對多核介紹了嵌入式系統(tǒng)中使用多核架構(gòu)，如ARM＋DSP，這是目前嵌入式系統(tǒng)的熱點之一?！安⑿杏嬎銠C結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計”偏重并行計算理論、并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(PVP、SMP、MPP、DSM、COW)、并行計算機存儲器訪問模型、并行算法的常用設(shè)計方法，劃出片上多處理器及相關(guān)內(nèi)容給“多核計算”。

5 教學(xué)與實踐經(jīng)驗

到目前為止，我們已經(jīng)在多核技術(shù)教學(xué)和推廣中積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，浙江大學(xué)－英特爾多核技術(shù)實驗室是英特爾多核技術(shù)大學(xué)計劃中五個多核技術(shù)實驗室之一。這個計劃中，英特爾與本地大學(xué)合作，進行開發(fā)多核課程，聯(lián)合實驗室建設(shè)和師資培訓(xùn)。

在2006年秋冬學(xué)期，我們設(shè)計了多核研究生課程，并補充了相關(guān)課程的內(nèi)容，甚至在浙江大學(xué)遠程教育學(xué)院計算機本科中進行了多核編程的授課。此外，我們還與教育部合作開發(fā)多核編程精品課程，與其他四所高校合作的多核編程教材也在編寫過程之中。

在2006年9月，我們建設(shè)的英特爾多核技術(shù)大學(xué)合作網(wǎng)站（http://multicore.zju.edu.cn， http://multicore.net.cn）正式開通。這個Intel國內(nèi)唯一面向高校的多核在線平臺可以讓學(xué)生和老師們在線學(xué)習(xí)和討論多核技術(shù)，提供了五所高校相關(guān)多核的課件、多核培訓(xùn)錄像、在線學(xué)習(xí)、在線測試。

我們設(shè)計多核課程是在多核技術(shù)教育方面進行的一次嘗試，尤其是將多核課程分為本科生部分和研究生部分，更是一次探索。通過這個系列課程，對于本科生，希望他們能了解流行的多核硬件平臺，掌握多核編程和程序評測、調(diào)優(yōu)技能，具有扎實的動手實踐能力；對于研究生，希望讓學(xué)生了解當(dāng)前多核計算機體系和多核芯片設(shè)計的基本原理、技術(shù)難點、目前發(fā)展狀況以及對計算機領(lǐng)域帶來的相關(guān)影響等，通過建立體系經(jīng)典理論研究和實際的發(fā)展方向之間的橋梁，為將來從事體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、系統(tǒng)軟件領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域的高水平研究打好扎實的基礎(chǔ)。