多方位多角度 帶您重新詮釋多核技術(shù)

可以預(yù)見(jiàn)，倘若繼續(xù)沿著現(xiàn)有的通用、多核設(shè)計(jì)方案向前發(fā)展，X86處理器將會(huì)陷入一系列的困境，例如芯片高度復(fù)雜，開(kāi)發(fā)和制造成本越來(lái)越高、芯片功耗無(wú)法控制等等。面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)，X86業(yè)界轉(zhuǎn)變思想勢(shì)在必行。顯然，IBM Cell的新穎設(shè)計(jì)非常值得參考，英特爾的Many Core和AMD HyperTransport協(xié)處理器計(jì)劃可以視作Cell思想的變種。

圖4 DSP與通用CPU執(zhí)行專用任務(wù)時(shí)的效能和效率對(duì)比

Many Core:Cell思想的繼承與發(fā)展

在2005年的IDF技術(shù)峰會(huì)上，英特爾對(duì)外公布了Many Core超多核發(fā)展藍(lán)圖。隨著時(shí)間推移，Many Core計(jì)劃越來(lái)越明晰，我們可以肯定它將成為英特爾未來(lái)的X86處理器架構(gòu)。Many Core采用的也是類似Cell的專用化結(jié)構(gòu)，我們知道，英特爾的四核心處理器采用對(duì)等設(shè)計(jì)，每個(gè)內(nèi)核地位相同，而轉(zhuǎn)到Many Core架構(gòu)之后，其中的某一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)核可以被置換為若干數(shù)量的DSP邏輯，保留下來(lái)的X86核心執(zhí)行所有的通用任務(wù)以及對(duì)特殊任務(wù)的分派;DSP則用于某些特殊任務(wù)的處理。

依照應(yīng)用不同，這些DSP類型可以是Java解釋器、MPEG視頻引擎、存儲(chǔ)控制器、物理處理器等等。在處理這類任務(wù)時(shí)，DSP的效能遠(yuǎn)優(yōu)于通用的X86核心，功耗也低得多。在圖4中我們可以看到DSP與通用CPU的效率對(duì)比:功耗僅2瓦、特定功能的DSP芯片，在處理對(duì)應(yīng)任務(wù)時(shí)的效能比75瓦功耗的通用CPU更加出色，且由于DSP構(gòu)造簡(jiǎn)單、頻率提升非常容易;由于DSP效能提升速度比通用處理器快得多，這樣隨著時(shí)間的推移，DSP的效能優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯。

而如果處理器將高負(fù)載的專用任務(wù)轉(zhuǎn)交給DSP執(zhí)行之后，那么主核心的運(yùn)算壓力就大大減輕，系統(tǒng)整體效能將獲得明顯提升。

第一代Many Core架構(gòu)處理器可能采用“3個(gè)通用X86核心+16個(gè)DSP內(nèi)核”的組合(圖5)，我們可以看到，它的原型是一枚四核心處理器，只是將其中一個(gè)核心置換成16個(gè)DSP邏輯而已，因此處理器的總體結(jié)構(gòu)和晶體管規(guī)模都不會(huì)有多大變化，但產(chǎn)品的實(shí)際水準(zhǔn)將獲得大幅度增強(qiáng)。在執(zhí)行Java程序、視頻解碼、3D 渲染等耗用CPU資源的任務(wù)中，DSP的效能都大幅優(yōu)于通用核心，因此Many Core產(chǎn)品在執(zhí)行這類專用任務(wù)時(shí)會(huì)有飛躍性的性能增益。

同時(shí)，DSP邏輯的能耗只有通用核心的幾十分之一，可以讓處理器的功耗出現(xiàn)可觀的降低。當(dāng)然，如果我們將英特爾的Many Core處理器與Cell相比，便會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的差異:Cell的主核心非常簡(jiǎn)單，協(xié)處理器則非常強(qiáng)大;而Many Core的通用核心仍然居于主導(dǎo)地位，DSP更多只是一種輔助。

這種差異源自于二者不同的定位:Cell只要求具備強(qiáng)勁的浮點(diǎn)效能，而對(duì)整數(shù)運(yùn)算不作要求，因此通用的主核心可以非常精簡(jiǎn);但Many Core必須考慮兼容大量的X86應(yīng)用軟件，專用的任務(wù)居于從屬性地位，在第一代產(chǎn)品中采用“三個(gè)通用核心+16個(gè)DSP核心”的組合應(yīng)該是比較恰當(dāng)?shù)摹?p>根據(jù)英特爾的遠(yuǎn)景規(guī)劃，第二代Many Core產(chǎn)品將在2015年前后面世。這當(dāng)然過(guò)于遙遠(yuǎn)了，但我們不妨來(lái)看看它是一款什么樣的產(chǎn)品(圖6)—擁有8個(gè)通用X86核心、64個(gè)專用DSP邏輯，片內(nèi)緩存容量高達(dá)1GB，晶體管規(guī)模則達(dá)到200億。受限于半導(dǎo)體工藝，后兩個(gè)目標(biāo)或許很難完全實(shí)現(xiàn)，但Many Core設(shè)計(jì)將毋庸置疑成為標(biāo)準(zhǔn)，而英特爾從這往后將逐步引入Many Core Array架構(gòu)，不斷增強(qiáng)DSP的數(shù)量以及執(zhí)行能力，通用核心的地位將隨著時(shí)間推移不斷減弱，直到最后完全可能實(shí)現(xiàn)以DSP占主導(dǎo)地位的專用化運(yùn)算模式。

圖5 從四核心平滑升級(jí)到“三核心+16DSP”的方案，即將其中一個(gè)通用核心置換成DSP陣列。

HyperTransport協(xié)處理器系統(tǒng)

在英特爾對(duì)Many Core概念作出具體探討之時(shí)，AMD也在考慮自己的未來(lái)處理器架構(gòu)。但與英特爾不同的是，AMD尚未考慮另起爐灶的Many Core計(jì)劃，而是利用現(xiàn)有的HyperTransport連接架構(gòu)，對(duì)多路服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行拓展。

Cray公司(克雷，著名的高性能計(jì)算機(jī)制造商)希望能在基于Opteron的超級(jí)計(jì)算機(jī)中使用矢量處理單元，以提升計(jì)算機(jī)的矢量運(yùn)算效能。 AMD方面并不是簡(jiǎn)單考慮在Opteron核心中增加一個(gè)矢量邏輯了事，而是計(jì)劃以此為契機(jī)，建立一個(gè)以AMD為中心的企業(yè)生態(tài)圈—這或許過(guò)于抽象，但看完下文的分析之后大家便能夠明了其中的含義。

我們知道，現(xiàn)有的Opteron多路系統(tǒng)并非采用共享前端總線的方式連接，而是借助專用的HyperTransport總線實(shí)現(xiàn)芯片間的直連。這樣，每一顆Opteron處理器都可以直接與其他的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或緩存同步，不必占用內(nèi)存空間，無(wú)論系統(tǒng)中有多少數(shù)量的Opteron，整套系統(tǒng)都能夠保持高效率的運(yùn)作。在該套平臺(tái)中，HyperTransport總線處于中樞地位，而它除了作為處理器連接總線外，還可以連接PCI-X控制器、 PCI Express控制器以及I/O控制芯片，也就是充當(dāng)芯片間的高速連接通路。

AMD公司考慮的一套協(xié)處理器擴(kuò)展方案也是以此為基礎(chǔ)，即為多路Opteron平臺(tái)開(kāi)發(fā)各種功能的協(xié)處理器，這些協(xié)處理器都通過(guò) HyperTransport總線與Opteron處理器直接連接。對(duì)Cray提出的需求，AMD給出的解決方案就是，將八路Opteron中的一顆 Opteron處理器置換成矢量協(xié)處理器，以此實(shí)現(xiàn)矢量計(jì)算性能的大幅度增長(zhǎng)，而Opteron平臺(tái)本身不需要作任何形式的變動(dòng)。

在未來(lái)，這種拓展架構(gòu)也可以延伸到PC領(lǐng)域，例如在PC中掛接基于HyperTransport總線的浮點(diǎn)協(xié)處理器、物理協(xié)處理器、視頻解碼器、專門針對(duì)Java程序的硬件解釋器，甚至可以是由nVIDIA或ATI開(kāi)發(fā)的圖形處理器。為達(dá)成上述目標(biāo)，AMD必須設(shè)計(jì)出一個(gè)高度穩(wěn)定的統(tǒng)一接口方便用戶進(jìn)行擴(kuò)展，而借助各種各樣的協(xié)處理器，AMD64系統(tǒng)的性能將獲得空前強(qiáng)化。

如果從邏輯層面來(lái)看，AMD HyperTransport協(xié)處理器系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)與英特爾Many Core平臺(tái)其實(shí)完全相同，兩者的區(qū)別更多是在物理組成方式:Many Core將專用的DSP邏輯直接整合于處理器內(nèi)部，AMD的協(xié)處理器系統(tǒng)則是借助HyperTransport總線在外部掛接，這樣用戶就不必為了獲得額外的性能購(gòu)買新機(jī)，直接選擇相應(yīng)的協(xié)處理器掛接即可。由于協(xié)處理器類型將會(huì)非常豐富，每個(gè)用戶都能從中找到最適合自己的產(chǎn)品，這在無(wú)形之中增強(qiáng)了AMD HyperTransport協(xié)處理器平臺(tái)之于Many Core平臺(tái)的競(jìng)爭(zhēng)力。