有關CPU的多核化發展，以2001年IBM發表的POWER4為開端，之後2004年底HP、Sun也先後跟進，分別推出PA-8800與UltraSPARC IV，到了2005年AMD推出雙核版Opteron，成為x86領域的第一顆雙核CPU，此使x86霸主Intel大受震驚，並擬定一連串的追趕計畫，進而掀起2006年的多核化競賽。

CPU全面走向多核化發展，與CPU緊密關連的OS（作業系統）也必須有所因應，雖說多核CPU對OS而言，與過去運用多顆單核CPU所構成的SMP（對稱運算）架構系統並無二致，OS層面不需要任何變動調整，多核CPU也可發揮其多核功效。

話雖如此，但若論及技術細節，多核CPU與OS間仍有諸多要點值得討論，同時多核化也進一步引發了虛擬化風潮，如此對OS而言也是另一項挑戰。以下本文將對這些課題進行更多的說明與討論。

效能擴展性

OS面對多核型CPU，首要的使命就是徹底發揮多核後所帶來的效能提升，更簡單說即是伺服器領域所常言的效能擴展性（Scalability，一般也常翻譯成：延展性）。關於此必須舉例說明，倘若今日有1部伺服器，該伺服器內可裝置2顆單核CPU，即便如此該部伺服器也不可能具有2倍於1顆單核CPU的效能，原因是：2顆CPU雖可共同分擔工作使工作加速完成，然而2顆CPU間也必須對工作進行協同溝通，溝通協調也一樣要耗佔執行處理的運算資源、記憶體的存取頻寬資源，扣去耗佔後，2顆CPU真正發揮、呈現的效能約170％，而非200％，其中少去的30％即是溝通協調的耗佔。

以此類推，當CPU數目愈多時，各CPU間的溝通協調需求也會增多，耗佔也會增加，在1顆CPU時是100％的效能，在2顆CPU時是170％，等於第2個加入的CPU僅發揮70％的效能，而在4顆單核CPU的伺服器中，第3顆CPU僅發揮60％的效能、第4顆也一樣僅60％效能，如此進行加總：100％+70％+60％+60％=290％，1部4顆單核CPU的伺服器僅有2.9顆的效能，等於有1.1顆的效能因溝通協調而耗去，而不是用於實際的運算產能中。

所以，多CPU的伺服器系統必須讓效能盡可能獲得線性擴展，即是讓效能展現要盡可能逼近1+1=2的理想簡單數學，前面所舉的例子：4顆僅2.9顆的效能，是過去Windows NT 4.0作業系統初支援4-way（4顆單核CPU）伺服器時的情形。同理，在1部64-way（64顆單核CPU）的伺服器中，Solaris作業系統能讓伺服器發揮63顆CPU的總體效能，其中溝通協調僅耗用1顆CPU的效能。

當然！OS能否完全發揮每顆CPU的效能，也牽涉到更底層的伺服器硬體連接架構，CPU與記憶體間、CPU與CPU間的傳輸頻寬是否夠大、傳遞是否夠快無延遲、傳輸路由是否夠智慧性等，也一樣深深影響效能擴展性，事實上硬體連接性對效能擴展性的影響更甚OS，OS則是在硬體連接架構決定後，盡可能別再增加溝通協調的折耗，使原有硬體設計發揮到最大效能。

將以上的說明套用到今日的雙核上，1顆雙核CPU事實上無法發揮2倍於過往1顆單核CPU的效能，此一樣是受制於溝通協調的折耗，雖然同一封裝內有2個CPU核心，但2個核心卻要共用1組前端匯流排（Front Side Bus；FSB），使記憶體存取成為效能傳輸的瓶頸，一般而言1顆雙核僅有過去1顆單核的1.4倍、1.5倍效能，以此延伸，4核CPU的總體效能也一樣會受限於FSB頻寬，除非能在單一封裝內增加更多組FSB，或提升FSB的頻寬傳輸力，否則情形不會改善。

系統分割能力

在雙核、多核尚未成風氣前，運算效能過剩的問題就已經出現，在雙核、多核成風後，過剩情形自然更加嚴重。

為了消化過剩的效能，業界開始鼓吹伺服器統合（Server Consolidation），運用1部新款、效能更高的伺服器來取代過去多部舊款伺服器的工作，假若過去用4部2-way伺服器來執行3個部門的電子信件收發，而今只要用1部4-way、雙核的伺服器就可以全部取代，甚至在效能表現上較過去理想。

統合之後，對資訊管理人員而言可以減少伺服器的管理數，過去要逐一為4部伺服器進行檢視維護，相同工作要重複4次，而今只要檢視維護單一部伺服器即可，省下另3次的時間心力。此外，統合後的機房空間精省性、用電的控管等也有幫助。

為了呼應、支援統合理念，伺服器硬體也加入了系統分割的功能，透過分割技術能使1部大型伺服器虛擬成多部各自獨立運作的中小型伺服器，如此可使運算資源化整為零，更加妥善運用。

不過，以硬體手法實現的系統分割功能有其限制，其運算資源的調撥必須以4顆、2顆或1顆CPU為單位來進行挪動，然今日即便是1顆CPU的效能都相當強悍，使得硬體式的系統分割技術無法做到夠細膩的資源調整，對此，就必須運用OS的軟體手法來實現系統分割。

運用OS的軟體分割技術，可以在1顆CPU上執行多個子OS（Guest OS），並在各個子OS上各自執行其應用程式（Application，App），同時提供分割能力的主OS（Host OS）自己也能執行App。透過此種作法，CPU的運算力可以更細膩的分配運用。

也因為有了「主OS、子OS」之別，主OS具有開設、關閉、管控子OS的功效及權限，但主OS自身也可像子OS般地執行App，如此主OS身兼二職，一方面要投入運算執行、一方面要進行資源的調撥管控，反而使兩種工作都不易達至理想，因此有了完全只專責在硬體資源管控、調撥的OS，此種OS稱為Hypervisor（也稱：虛擬機器監督器），Hypervisor不再擔任應用程式執行的工作，而只負責管理硬體資源及各個只執行App的OS。

舉例而言，IBM在其大型主機上所用的z/VM即是Hypervisor，或者在x86系統也有VMWare ESX、Xen等Hypervisor。至於仍然身兼傳統OS並具有開設子OS功效的OS，多半是在既有OS上加裝軟體程式來達成，如VMWare Workstation、Virtual Server等程式。

安全隔離性

OS具有系統分割能力後，也就等於具備了虛擬化能力，可將一部伺服器虛擬成多部伺服器，可以讓1顆CPU可以執行多個OS，也可以讓多顆CPU執行1個OS。

虛擬化後硬體資源獲得更徹底、細膩的運用，但也衍生出一個問題，若用多顆CPU執行一個OS，多顆CPU中若有一顆在運作中故障壞去，則OS的執行運作就會發生錯誤，尤其一個OS使用愈多顆CPU，CPU故障的機率也會增加。反過來，當一個CPU同時執行多個OS時，如果該顆CPU故障壞去，則同時多個OS就會一併執行錯誤。

有了資源靈活性後，進一步的也必須重視執行安全性，為此OS開始發展各種容錯技術，若是多顆CPU執行1個OS，則必須在某顆CPU發生故障時，自動將未完成的工作轉移到其他正常運作的CPU上，並使錯誤的部分回復到未錯誤前的正常、正確階段。

舉例而言，IBM的eLiza（電子蜥蜴）計畫就具有自我防禦、自我隔離等功效，或如Sun在Solaris 10中的DTrace技術，能對OS運作進行更詳整的運作追蹤與錯誤管控。

跨平台虛擬能力

雙核、多核使效能進一步過剩的結果，OS也開始跨出自有的平台環境，支援起其他OS上的App執行，一方面可以讓統合功效更加擴大，另一方面也等於挖其他OS的牆角，以壯大自有OS陣營的氣勢。

以實際為例，IBM在推出使用POWER4 CPU的伺服器後，該伺服器所搭配的AIX 5L作業系統也開始支援Linux的App執行環境，在此之前的AIX 4.x只能執行原有屬於AIX的App，而不能執行Linux的App，而AIX 5L能同時執行AIX的App與Linux的App後，使IBM AIX伺服器的運用價值更獲提升，且AIX伺服器的系統堅穩性勝過一般用x86架構的Linux伺服器，如此也將使較重視與講究系統堅穩性的Linux用戶轉而改用AIX伺服器。

類似的，Sun的Solaris 10作業系統也試圖內嵌、融入Linux的App執行環境，使Solaris既可執行自己Solaris原有的App，也可以追加執行Linux的App，此技術在研發階段時稱為Zones，之後稱為Solaris Container（容器）。

當然！也因為是以系統分割技術為基礎來模擬其他作業系統的App執行環境，所以在應用程式出錯時，也可以運用分割技術將錯誤限縮在一定的範疇內，使錯誤影響不會進一步擴散。

值得注意的是，模擬其他OS上的App執行環境，不見得能做到100%的相容模擬，有時仍需要對App進行重新編譯、調修等程序，此外前面所提到的Hypervisor也不見得能執行相容執行原有的OS，有時也需要改版、改寫才能讓OS在Hypervisor上執行。

結論

往未來看，多核後為OS所帶來的挑戰，除了效能擴展性、資源的靈活調度性、安全防護隔離性、虛擬相容性外，靈活的資源分配、對應也容易造成資訊管理者額外的新負擔，特別是OS在本機、單機管控外，也逐漸往多機的叢集、跨網的網格路線發展，如此對應複雜度將更高，如何簡化資源管理，也將會成為多核後OS的一項新課題。

《圖一 IBM的POWER4首開CPU雙核化的先驅，圖中銀色金屬框中間有4個POWER4裸晶，每個裸晶上有2個執行核心，如此總共有8個執行核心在同一封裝內。（資料來源：IBM.com）》

《圖二 IBM在eLiza專案技術計畫的4大強調：自我組態配置、自我維護、自我保護、自我最佳化，此亦是多核化後，如何提升安全堅穩性，同時簡化維護管理所必須的要素。（資料來源：IBM.com）》

《圖三 Sun Microsystems的系統分割功能稱為Domain技術，圖中是一部Sun的E10K（Enterprise 10000型）伺服器，該伺服器有64個CPU，該機具備的硬體分割功效能夠以每4顆CPU為一個單位進行運算資源的調撥，圖中第一個Domain用12顆CPU，第二個用16顆，第三個用8顆。（資料來源：Sun.com）》

《圖四 IBM的eServer i5系列伺服器（今已改稱System i系列）運用POWER Hypervisor技術，使其上可執行i5/OS、Linux、AIX 5L等作業系統，同時可運用虛擬I/O、虛擬乙太網路等技術與Windows、Linux伺服器進行互通。（資料來源：IBM.com）》

《圖五 Solaris Container技術的示意圖，1號池（Pool，即運用系統分割所建立出的系統分區）具有2顆CPU，2號池擁有3顆CPU，在2個池之上還可以建立若干個Zone，每個Zone在該池中所配發到的運算力也可再行調整、調撥。（資料來源：Fujitsu.com）》

《圖六 VMWare公司的VMWare ESX軟體即是一套Hypervisor，Hypervisor運用系統分割技術來建立多個獨立分區（也稱為：虛擬機器），每個獨立分區如同一部獨立伺服器，可在其上執行作業系統、應用程式。（資料來源：VMWare.com）》