有关CPU的多核化发展，以2001年IBM发表的POWER4为开端，之后2004年底HP、Sun也先后跟进，分别推出PA-8800与UltraSPARC IV，到了2005年AMD推出双核版Opteron，成为x86领域的第一颗双核CPU，此使x86霸主Intel大受震惊，并拟定一连串的追赶计画，进而掀起2006年的多核化竞赛。

CPU全面走向多核化发展，与CPU紧密关连的OS（作业系统）也必须有所因应，虽说多核CPU对OS而言，与过去运用多颗单核CPU所构成的SMP（对称运算）架构系统并无二致，OS层面不需要任何变动调整，多核CPU也可发挥其多核功效。

话虽如此，但若论及技术细节，多核CPU与OS间仍有诸多要点值得讨论，同时多核化也进一步引发了虚拟化风潮，如此对OS而言也是另一项挑战。以下本文将对这些课题进行更多的说明与讨论。

效能扩展性

OS面对多核型CPU，首要的使命就是彻底发挥多核后所带来的效能提升，更简单说即是伺服器领域所常言的效能扩展性（Scalability，一般也常翻译成：延展性）。关于此必须举例说明，倘若今日有1部伺服器，该伺服器内可装置2颗单核CPU，即便如此该部伺服器也不可能具有2倍于1颗单核CPU的效能，原因是： 2颗CPU虽可共同分担工作使工作加速完成，然而2颗CPU间也必须对工作进行协同沟通，沟通协调也一样要耗占执行处理的运算资源、记忆体的存取频宽资源，扣去耗占后，2颗CPU真正发挥、呈现的效能约170％，而非200％，其中少去的30％即是沟通协调的耗占。

以此类推，当CPU数目愈多时，各CPU间的沟通协调需求也会增多，耗占也会增加，在1颗CPU时是100％的效能，在2颗CPU时是170％，等于第2个加入的CPU仅发挥70％的效能，而在4颗单核CPU的伺服器中，第3颗CPU仅发挥60％的效能、第4颗也一样仅60％效能，如此进行加总： 100％+70％+60％+60％=290％，1部4颗单核CPU的伺服器仅有2.9颗的效能，等于有1.1颗的效能因沟通协调而耗去，而不是用于实际的运算产能中。

所以，多CPU的伺服器系统必须让效能尽可能获得线性扩展，即是让效能展现要尽可能逼近1+1=2的理想简单数学，前面所举的例子：4颗仅2.9颗的效能，是过去Windows NT 4.0作业系统初支援4-way（4颗单核CPU）伺服器时的情形。同理，在1部64-way（64颗单核CPU）的伺服器中，Solaris作业系统能让伺服器发挥63颗CPU的总体效能，其中沟通协调仅耗用1颗CPU的效能。

当然！ OS能否完全发挥每颗CPU的效能，也牵涉到更底层的伺服器硬体连接架构，CPU与记忆体间、CPU与CPU间的传输频宽是否够大、传递是否够快无延迟、传输路由是否够智慧性等，也一样深深影响效能扩展性，事实上硬体连接性对效能扩展性的影响更甚OS，OS则是在硬体连接架构决定后，尽可能别再增加沟通协调的折耗，使原有硬体设计发挥到最大效能。

将以上的说明套用到今日的双核上，1颗双核CPU事实上无法发挥2倍于过往1颗单核CPU的效能，此一样是受制于沟通协调的折耗，虽然同一封装内有2个CPU核心，但2个核心却要共用1组前端汇流排（Front Side Bus；FSB），使记忆体存取成为效能传输的瓶颈，一般而言1颗​​双核仅有过去1颗单核的1.4倍、1.5倍效能，以此延伸，4核CPU的总体效能也一样会受限于FSB频宽，除非能在单一封装内增加更多​​组FSB，或提升FSB的频宽传输力，否则情形不会改善。

系统分割能力

在双核、多核尚未成风气前，运算效能过剩的问题就已经出现，在双核、多核成风后，过剩情形自然更加严重。

为了消化过剩的效能，业界开始鼓吹伺服器统合（Server Consolidation），运用1部新款、效能更高的伺服器来取代过去多部旧款伺服器的工作，假若过去用4部2-way伺服器来执行3个部门的电子信件收发，而今只要用1部4-way、双核的伺服器就可以全部取代，甚至在效能表现上较过去理想。

统合之后，对资讯管理人员而言可以减少伺服器的管理数，过去要逐一为4部伺服器进行检视维护，相同工作要重复4次，而今只要检视维护单一部伺服器即可，省下另3次的时间心力。此外，统合后的机房空间精省性、用电的控管等也有帮助。

为了呼应、支援统合理念，伺服器硬体也加入了系统分割的功能，透过分割技术能使1部大型伺服器虚拟成多部各自独立运作的中小型伺服器，如此可使运算资源化整为零，更加妥善运用。

不过，以硬体手法实现的系统分割功能有其限制，其运算资源的调拨必须以4颗、2颗或1颗CPU为单位来进行挪动，然今日即便是1颗CPU的效能都相当强悍，使得硬体式的系统分割技术无法做到够细腻的资源调整，对此，就必须运用OS的软体手法来实现系统分割。

运用OS的软体分割技术，可以在1颗CPU上执行多个子OS（Guest OS），并在各个子OS上各自执行其应用程式（Application，App），同时提供分割能力的主OS（Host OS）自己也能执行App。透过此种作法，CPU的运算力可以更细腻的分配运用。

也因为有了「主OS、子OS」之别，主OS具有开设、关闭、管控子OS的功效及权限，但主OS自身也可像子OS般地执行App，如此主OS身兼二职，一方面要投入运算执行、一方面要进行资源的调拨管控，反而使两种工作都不易达至理想，因此有了完全只专责在硬体资源管控、调拨的OS，此种OS称为Hypervisor （也称：虚拟机器监督器），Hypervisor不再担任应用程式执行的工作，而只负责管理硬体资源及各个只执行App的OS。

举例而言，IBM在其大型主机上所用的z/VM即是Hypervisor，或者在x86系统也有VMWare ESX、Xen等Hypervisor。至于仍然身兼传统OS并具有开设子OS功效的OS，多半是在既有OS上加装软体程式来达成，如VMWare Workstation、Virtual Server等程式。

安全隔离性

OS具有系统分割能力后，也就等于具备了虚拟化能力，可将一部伺服器虚拟成多部伺服器，可以让1颗CPU可以执行多个OS，也可以让多颗CPU执行1个OS 。

虚拟化后硬体资源获得更彻底、细腻的运用，但也衍生出一个问题，若用多颗CPU执行一个OS，多颗CPU中若有一颗在运作中故障坏去，则OS的执行运作就会发生错误，尤其一个OS使用愈多颗CPU，CPU故障的机率也会增加。反过来，当一个CPU同时执行多个OS时，如果该颗CPU故障坏去，则同时多个OS就会一并执行错误。

有了资源灵活性后，进一步的也必须重视执行安全性，为此OS开始发展各种容错技术，若是多颗CPU执行1个OS，则必须在某颗CPU发生故障时，自动将未完成的工作转移到其他正常运作的CPU上，并使错误的部分回复到未错误前的正常、正确阶段。

举例而言，IBM的eLiza（电子蜥蜴）计画就具有自我防御、自我隔离等功效，或如Sun在Solaris 10中的DTrace技术，能对OS运作进行更详整的运作追踪与错误管控。

跨平台虚拟能力

双核、多核使效能进一步过剩的结果，OS也开始跨出自有的平台环境，支援起其他OS上的App执行，一方面可以让统合功效更加扩大，另一方面也等于挖其他OS的墙角，以壮大自有OS阵营的气势。

以实际为例，IBM在推出使用POWER4 CPU的伺服器后，该伺服器所搭配的AIX 5L作业系统也开始支援Linux的App执行环境，在此之前的AIX 4.x只能执行原有属于AIX的App，而不能执行Linux的App，而AIX 5L能同时执行AIX的App与Linux的App后，使IBM AIX伺服器的运用价值更获提升，且AIX伺服器的系统坚稳性胜过一般用x86架构的Linux伺服器，如此也将使较重视与讲究系统坚稳性的Linux用户转而改用AIX伺服器。

类似的，Sun的Solaris 10作业系统也试图内嵌、融入Linux的App执行环境，使Solaris既可执行自己Solaris原有的App，也可以追加执行Linux的App，此技术在研发阶段时称为Zones ，之后称为Solaris Container（容器）。

当然！也因为是以系统分割技术为基础来模拟其他作业系统的Ap​​p执行环境，所以在应用程式出错时，也可以运用分割技术将错误限缩在一定的范畴内，使错误影响不会进一步扩散。

值得注意的是，模拟其他OS上的App执行环境，不见得能做到100%的相容模拟，有时仍需要对App进行重新编译、调修等程序，此外前面所提到的Hypervisor也不见得能执行相容执行原有的OS，有时也需要改版、改写才能让OS在Hypervisor上执行。

结论

往未来看，多核后为OS所带来的挑战，除了效能扩展性、资源的灵活调度性、安全防护隔离性、虚拟相容性外，灵活的资源分配、对应也容易造成资讯管理者额外的新负担，特别是OS在本机、单机管控外，也逐渐往多机的丛集、跨网的网格路线发展，如此对应复杂度将更高，如何简化资源管理，也将会成为多核后OS的一项新课题。

《图一 IBM的POWER4首开CPU双核化的先驱，图中银色金属框中间有4个POWER4裸晶，每个裸晶上有2个执行核心，如此总共有8个执行核心在同一封装内。（数据源：IBM.com）》

《图二 IBM在eLiza项目技术计划的4大强调：自我组态配置、自我维护、自我保护、自我优化，此亦是多核化后，如何提升安全坚稳性，同时简化维护管理所必须的要素。（数据源：IBM.com）》

《图三 Sun Microsystems的系统分割功能称为Domain技术，图中是一部Sun的E10K（Enterprise 10000型）服务器，该服务器有64个CPU，该机具备的硬件分割功效能够以每4颗CPU为一个单位进行运算资源的调拨，图中第一个Domain用12颗CPU，第二个用16颗，第三个用8颗。（数据源：Sun.com）》

《图四 IBM的eServer i5系列服务器（今已改称System i系列）运用POWER Hypervisor技术，使其上可执行i5/OS、Linux、AIX 5L等操作系统，同时可运用虚拟I/O、虚拟以太网络等技术与Windows、Linux服务器进行互通。（数据源：IBM.com）》

《图五 Solaris Container技术的示意图，1号池（Pool，即运用系统分割所建立出的系统分区）具有2颗CPU，2号池拥有3颗CPU，在2个池之上还可以建立若干个Zone，每个Zone在该池中所配发到的运算力也可再行调整、调拨。（数据源：Fujitsu.com）》

《图六 VMWare公司的VMWare ESX软件即是一套Hypervisor，Hypervisor运用系统分割技术来建立多个独立分区（也称为：虚拟机），每个独立分区如同一部独立服务器，可在其上执行操作系统、应用程序。（数据源：VMWare.com）》