24核中國“芯”降生復旦

　　近日，由復旦大學研究團隊開發(fā)的24核“復芯”處理器被國際固態(tài)電路會議(ISSCC)2013年會正式錄用，并將于2月在美國舊金山舉辦的年會上面向全球發(fā)布。這是我國計算機處理器研究的又一重大突破，引起了人們和媒體的關注。那么，處理器多核(心)是什么概念?24核的優(yōu)越性是什么?處理器的核數(shù)是否會有更大的增加?請專家來為我們解讀。

　　4GHz已成單核極限性能再提升靠多核協(xié)同

　　問：您的團隊研制出了24核的處理器，首先的一個問題關于計算機處理器，它在計算機中起到什么作用?

　　虞志益：計算機的處理器稱為CPU，即中央處理單元，作用類似于人大腦，因為它負責處理、運算計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)，接受程序發(fā)出的指令到控制單元，經(jīng)過運算器的邏輯運算，把數(shù)據(jù)結果放到寄存器上，然后輸出。從結構上說，如果把CPU比作“工廠”，那么這個工廠由控制器、運算器和存儲單元三大“車間”組成，每個車間又由多個小車間組成，如控制器中包括程序計數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器等。目前平板電腦、智能手機已普遍上市，它里面的處理器功能大體上和計算機的CPU相似。

　　問：衡量一個處理器優(yōu)劣的標志是什么?

　　虞志益：對處理器的要求當然是要有更強大的計算能力，表現(xiàn)在單位時間內(nèi)實現(xiàn)更大量的數(shù)據(jù)處理，直觀上看就是運行速度的提升。此外，也關注功耗，在保證性能的前提下希望功耗越小越好。

　　問：現(xiàn)在市面上已有雙核、4核處理器，多核(心)處理器的“核”是什么? “核”越多越強大嗎?

　　虞志益：多核(心)是指在一個芯片上集成多個處理器核，而各種處理器核一般都具有固定的邏輯結構：指令級單元、執(zhí)行單元、一級緩存(L1)、二級緩存(L2)、存儲器及其控制單元、總線接口等，一般各個核心有獨立的一級緩存，但共享二級緩存，同時也共享存儲器、外設。多核設置，形象地理解，就是把很多個單核連起來，協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)運算和處理能力的提升。

　　問：單核已到極限了嗎?

　　虞志益：CPU最初是單核的，增強運算能力的主要途徑是提高主頻。主頻標志著每單位時間內(nèi)CPU能夠執(zhí)行運算指令的數(shù)量，所以被不斷攀升，21世紀初的幾年先后達到了1GHz、2GHz，2002年達到了3GHz。但是再往上提升就遇到困難了，其中最大的瓶頸在于主頻不斷攀升所引起的發(fā)熱量增長、功耗增加，當CPU主頻達到2GHz以上的時候，功耗也達到了近100W，這已是目前風冷散熱技術的極限，同時成本增加、讀取和存儲的性能提升卻趨于緩慢，因此4GHz左右的CPU成為單核發(fā)展的極限，依靠不斷提高處理器頻率提升系統(tǒng)性能的時代即將成為過去。

　　不是簡單的性能翻倍多核存在“內(nèi)耗”問題

　　問：但是計算機承擔的任務越來越多，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要處理的數(shù)據(jù)流量越來越大，對運算處理能力的要求不斷提升，處理器就必須發(fā)展“多核”了吧?

　　虞志益：是的，互聯(lián)網(wǎng)高帶寬、大流量的發(fā)展趨勢飛速發(fā)展，正如網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)著名的“吉爾德定律”預言，在未來20多年內(nèi)，網(wǎng)絡帶寬將平均6個月增長一倍，其增長速度是“摩爾定律”預測的單核CPU理論增長速度(18個月增一倍)的3倍，雖然這是預測，但是互聯(lián)主干網(wǎng)增長速度比CPU的增長速度要快得多已成為不爭的事實，更何況單核處理器提升遇困境。這就好比一個郵局，每天接收成千上萬來自四面八方的包裹，但只有一名快遞員工，縱使這名員工技術再嫻熟，他的工作效率也是有限的。那就多用幾個員工——“多核”登場成為必然。 1996年美國斯坦福大學首次提出片上多處理器(CMP)思想和首個多核結構原型，2001年IBM公司推出第一個商用多核處理器Power4，2005年 Intel和 AMD多核處理器的大規(guī)模應用，使多核成為市場主流。

　　問：目前市場上已常見雙核，還出現(xiàn)了4核、8核、16核，您的團隊還實現(xiàn)了24核的突破，那么核數(shù)的增加會使處理性能也增加相應的倍數(shù)嗎?

　　虞志益：理想的情況是增加相應的倍數(shù)，但是往往會有折扣，這個“折扣”的多少取決于整個處理器核間并行處理技術水平的高低。比如雙核已經(jīng)發(fā)展最早，但到目前，不管是IBM、Intel還是AMD，其雙核的性能都達不到其單核性能的兩倍，更別說4核、8核了。因為處理器中核的數(shù)目增加時，要面臨更多的挑戰(zhàn)，諸如核間通信、存儲器體系、軟硬件協(xié)調(diào)等，其中最主要的就是如何實現(xiàn)多個內(nèi)核之間相連、協(xié)作和通信，確保高效，所以，核間通信結構研究正是目前學術界關注的重點。這個也好理解，攤子一大、干活的人一多，就形成一個系統(tǒng)了，誰承擔哪一部工作、如何分配，各成員之間如何既聯(lián)系又各司其職，公平有序地完成任務，就是突出的問題了，表現(xiàn)在處理器上就是硬件上的協(xié)調(diào)問題，而軟件程序上如何保證數(shù)據(jù)在核間的分配和處理，而不是總在一個核里運行，如現(xiàn)在 4核CPU已經(jīng)上市，但是針對4核優(yōu)化的應用軟件寥寥可數(shù)。這些關鍵點都需很好的解決，是多核發(fā)展的瓶頸。

　　問：大家都在這方面尋求著突破嗎?

　　虞志益：是的，因為并不是多核的簡單并列，它們互連之后會出現(xiàn)許多問題，所以提出一種行之有效的核間互連通信方式將對多核處理器的性能發(fā)展至關重要，但目前還沒有一個完全成熟的技術，特別是到了8核以上，各種多核互連算法和架構的技術處于研究之中，但大多數(shù)還無法使用到實際的產(chǎn)品中去。

　　多核可助CPU“降壓”未來核心數(shù)有望破百

　　問：復旦在24核上的突破采用的是什么獨特技術?

　　虞志益：復旦大學團隊研究的突破點在于提出了創(chuàng)新性的多核處理器核間通信的方案。從2009年起，復旦團隊開始進行16核“復芯”處理器的研究，設計出“簡單而高效的融合消息傳遞和共享存儲方案”。形象的說是這樣工作的：在16核芯片這個精心設計的“生產(chǎn)車間”里，16名“員工”被分成兩組，被稱為兩個“簇”。每組8個“員工”，被命名為“PCore”，它們分別占據(jù)2個九宮格的外圍。九宮格的中心是一個名叫“MCore”的共享存儲器，它的功能相當于“員工”之間的“寄存總臺”。 “員工”與“總臺”之間都有雙向的“傳送帶”相連接。去年底，又在24核處理器方面取得研究成果，采用了多個新的技術，包括采用包控制電路交換的雙層片上網(wǎng)絡來進一步提升多核的核間通信能力，以及異構執(zhí)行單元陣列來加速某些關鍵應用。所謂“片上網(wǎng)絡”技術，就是芯片上多核之間的通信可以類比于互聯(lián)網(wǎng)上許多計算機之間的通信，通過這種將類似“互聯(lián)網(wǎng)”的網(wǎng)絡結構“建設”在芯片上，可以迅速組成芯片內(nèi)多個“核”之間的高速信息交互通路，極大地提高核間通信效率，從而提高這個多核處理器的工作效率。

　　問：這個24核將應用在哪些地方，是手機還是筆記本，還是大型服務器? 24核何時能走向市場?

　　虞志益：多核在路由器、PC、智能手機等上都可用，24核面向的對象主要還是相對專業(yè)的領域，如應用于通信及多媒體領域，這需要加快產(chǎn)學研結合，形成成熟的產(chǎn)業(yè)化渠道，讓研發(fā)成果盡快走進尋常百姓家，滿足人們使用電腦更高效工作的愿望。

　　問：隨著核心數(shù)量的增多，性能是提高了，那么，是否同時會使功耗變大?如果耗能很大，應用在手機等上面，那么電池是否有足夠的電量支持較長久運行?

　　虞志益：核數(shù)量的增多帶來能耗增加確實是一個必須解決的問題，否則應用會受到影響。通過降電壓來降低能耗是解決的一個辦法，而性能卻不會受到大影響。電壓與功率是平方關系，比如電壓降為一半，功耗就變成原來的1/4，其性能方面的損失可以用多核并行方式來彌補。

　　問：那么，未來處理器可以發(fā)展到多少核，上百個核集中在一個芯片上是否也有可能?對處理器芯片研究總體而言，我國的處理器芯片研制是否與世界最先進的如Intel等還有差距?

　　虞志益：多核處理器是未來處理器商用化的一個重要趨勢和方向，核數(shù)可能會在推動下不斷增加，不僅可以出現(xiàn)24核，可能會朝48核、64核甚至上百個核邁進。其實Intel已經(jīng)有了48核的產(chǎn)品，只不過這些處理器效能的穩(wěn)定性還沒有過關，關鍵是多核處理器“核間通信”的架構技術還不成熟。未來新材料、新工藝如光互連等的發(fā)展和應用，可能會給這種多核架構技術帶來更大的提升空間。我國的處理器芯片研制水平在近幾年有著長足的進步，在一些技術上有優(yōu)勢，并有了如龍芯等這樣著名的處理器芯片。但以整體研發(fā)、研制能力來說，我國的處理器研制水平與Intel等還有很大的差距，產(chǎn)品在市場只占很小的市場份額，這需要付出百倍的努力去追趕。