理論與現(xiàn)實(shí)的差異，多核心芯片軟開發(fā)瓶頸何在？

　　中央處理器，CPU(Central Processing Unit)，做為電腦的大腦，掌管著電腦所有運(yùn)行的程序。為了讓程序可以運(yùn)行的更快更穩(wěn)，電腦架構(gòu)師們不斷的思考著該如何設(shè)計(jì)出更好的 CPU 架構(gòu)，讓使用者得以享受更加快速、便利的電腦。

　　為了設(shè)計(jì)出更為出色的 CPU，工程師便想借由不斷提高 CPU 的時(shí)脈，讓 CPU 得以在一秒內(nèi)執(zhí)行更多的指令。隨著科技的發(fā)展，時(shí)脈的確如工程師所愿，逐步的提高。從 1990 年代開始，CPU 的時(shí)脈從 60MHz，一舉提升到 2000 年的 2000MHz。進(jìn)步幅度之大，令人贊嘆。

　　發(fā)展遇到瓶頸，多核心的時(shí)代來臨?

　　到了千禧年，時(shí)脈的進(jìn)展，卻不再如此順利。當(dāng) CPU 時(shí)脈發(fā)展到 4GHz 左右時(shí)，工程師發(fā)現(xiàn)，CPU 每秒所制造出的熱，已經(jīng)突破一般家用散熱器可以負(fù)擔(dān)的量。為了解決工程上的瓶頸，工程師開始將目光放在多核心架構(gòu)上。因此，Intel 以及 AMD 皆于 2005 年發(fā)布了雙核心 CPU，欲借由雙核心的技術(shù)，突破單芯片效能的瓶頸。

　　但是，多核心架構(gòu)卻沒有如原先預(yù)期的向超多核心發(fā)展。intel 從 2005 年至 2015 年。將近 10 年間，在一般消費(fèi)者市場(chǎng)(不含電競(jìng)玩家)所發(fā)售的 CPU 也頂多從雙核心進(jìn)展到四核心。至于 AMD，即使發(fā)布了 8 核心的 CPU 于市場(chǎng)上，其效能也頂多和該時(shí)期的同級(jí) 4 核 intel CPU 相當(dāng)。

　　究竟是什么樣的因素，讓 CPU 的核心無(wú)法如同時(shí)脈的進(jìn)展般，一飛沖天?

　　應(yīng)用程序的極限，多核心無(wú)用武之地?

　　在不考慮在單一 CPU 中加入過多核心，會(huì)大幅增加 CPU 的耗電量時(shí)。最主要的因素便是多核心的應(yīng)用程序不容易開發(fā)，讓電腦架構(gòu)師決定持續(xù)研究如何改善一個(gè)核心的效能，而非多核心架構(gòu)的開發(fā)。但是，為何多核心的 應(yīng)用程序會(huì)難以開發(fā)呢，這必須從使用者常用的應(yīng)用程序來看。

　　在日常的使用環(huán)境中，使用者大多是使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器、看影片、以及玩游戲。而這 3 種，恰好是 3 種不同的應(yīng)用類型。

　　在使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器時(shí)，電腦大多在等待使用者下新的指令，像是打字以及使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊鏈接，接著便是從遠(yuǎn)端讀取網(wǎng)頁(yè)資料并繪成使用者界面。軟件在 CPU 端可以平行運(yùn)作的部分相當(dāng)稀少，也因此，多核心在單純的瀏覽網(wǎng)頁(yè)上，并無(wú)法帶來太多的增益。

　　上網(wǎng)看影片則是電腦會(huì)不斷的從服務(wù)器接收影片的資料以及向服務(wù)器送請(qǐng)求，接收資料后，交由繪圖處理器(GPU)進(jìn)行繪圖運(yùn)算，將壓縮過的編碼影像檔轉(zhuǎn)換成顯示器的畫面。在這一類應(yīng)用中，工作負(fù)擔(dān)主要是在 GPU 端，CPU 可平行的程度也不高。

　　最后的應(yīng)用，則是游玩游戲。在玩游戲時(shí)，電腦會(huì)不斷的接收使用者所下的指令，接著是在電腦所建構(gòu)出的虛擬世界中，標(biāo)記玩家周遭的景色以及移動(dòng)。之后，便是將整個(gè)虛擬世界交由 GPU，轉(zhuǎn)換成顯示器的畫面。繪圖處理器詳細(xì)的運(yùn)行流程在此。

　　在這一類應(yīng)用中，因?yàn)殡娔X需不斷地記錄玩家的移動(dòng)以及將虛擬世界中物體位置記錄在 CPU 中，因此，CPU 的負(fù)擔(dān)較其他應(yīng)用沉重，畢竟它需要從硬盤中讀取地圖的地形座標(biāo)以及玩家的位置和動(dòng)作。此外，CPU 也需將大量的游戲資料送進(jìn) GPU 中。所以，游戲和前述的應(yīng)用相比，可平行的程度較高。但是，4 核心也足以負(fù)荷所有需求。因?yàn)樨?fù)荷最沉重負(fù)擔(dān)的，依舊是 GPU。

　　根本問題，人的思緒是線性的

　　由上所述的數(shù)個(gè)原因，可以得知最根本的問題，便是人類一次只能思考一件事情。而電腦程序是由人類撰寫，導(dǎo)致在撰寫程序時(shí)會(huì)將人類的思考方式帶進(jìn)電腦中，讓程序在早期的發(fā)展，僅需由單核心處理器便可以完成。

　　此外，如果要將現(xiàn)行的程序修改成平行程序，也因?yàn)槿说乃伎剂鞒淌蔷€性的，工程師需要花費(fèi)相當(dāng)大的力氣才能找出可以平行的部分，并將程序的邏輯做大幅的修改，讓平行程序難以推廣。

　　或許會(huì)有人反駁，人一次是可以做兩件事情，像是一邊做事一邊聽音樂，但那也只能稱為可以迅速的在兩件事情間做切換而非同時(shí)思考。除非，有人可以將眼睛同時(shí)對(duì)焦在兩點(diǎn)以上，這樣才有可能一次處理兩件事情。

　　此外，有部分的使用者會(huì)宣稱，他們一次會(huì)開啟多個(gè)網(wǎng)頁(yè)分頁(yè)，這樣也算是需要多核心的 CPU，但是，如前所述，除非有人可以將眼睛對(duì)焦在兩點(diǎn)上，同時(shí)看兩個(gè)網(wǎng)頁(yè)。不然，開啟多個(gè)分頁(yè)只是占用大量的內(nèi)存，多核心在這類應(yīng)用上沒有多大的幫助。

　　移動(dòng)時(shí)代來臨，應(yīng)用產(chǎn)生劇變

　　然而，在智能手機(jī)發(fā)布之后，情況開始有所轉(zhuǎn)變。隨著手機(jī)的迅速發(fā)展以及應(yīng)用的多變，多核心的應(yīng)用逐漸增加。舉例來說，在 2013 年，Apple 推出的 iPhone 5s 內(nèi)，便在原本的雙核心 CPU 外，添加一個(gè)小處理器做感測(cè)器的資料收集。在其他手機(jī)內(nèi)部，則使用一般的 CPU 核心負(fù)責(zé)。讓原本的應(yīng)用，新增了一份可平行的工作。

　　此外，近期的應(yīng)用程序也開始提升和現(xiàn)實(shí)世界的互動(dòng)性。以現(xiàn)行熱門的 Pokémon GO 為例。在開啟 AR 和現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)時(shí)，要執(zhí)行此類應(yīng)用程序，便需要大量的運(yùn)算資源。在尋找寶可夢(mèng)時(shí)，手機(jī)需要收集 GPS 信號(hào)，下載地圖資訊以及寶可夢(mèng)出現(xiàn)的位置。

　　當(dāng)寶可夢(mèng)出現(xiàn)后，則需要將相機(jī)拍攝的圖片和寶可夢(mèng)做結(jié)合。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)感測(cè)器也需要開啟，計(jì)算玩家鏡頭的移動(dòng)軌跡，訂出寶可夢(mèng)應(yīng)該出現(xiàn)在畫面的何處;拋球時(shí)，則需計(jì)算拋球的方向還有滑動(dòng)的速度以計(jì)算拋球的距離。這些應(yīng)用都可以平行，為多核心 CPU 開啟一片新天地。

　　另外，隨著自動(dòng)駕駛以及人工智能的題材興起，原本用在手機(jī)內(nèi)部的芯片，開始攻城掠地，往其他領(lǐng)域拓展。在其他領(lǐng)域中，因?yàn)樾枰罅康母袦y(cè)器，讓超多核心的應(yīng)用化為可能。畢竟，光是接收大量的感測(cè)器資料，現(xiàn)行的 4 核心 CPU 已招架不住。

　　那么，我們是否需要多核心的 CPU 呢?對(duì)一般的筆電以及桌機(jī)使用者而言，近期的答案為否，畢竟 4 核心已經(jīng)能滿足使用者的需求;但在移動(dòng)應(yīng)用市場(chǎng)中，答案則為是，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備的應(yīng)用越來越多元，感測(cè)器也越來越多，在 CPU 中塞入更多的核心，將可迅速的應(yīng)付與日俱增的硬件需求，而不需花費(fèi)大量的人力以及財(cái)力從單一核心壓榨出更多效能。