假設(shè)不考慮金錢、時(shí)間或商業(yè)限制，并且只有物理學(xué)是唯一的限制，您將如何設(shè)計(jì)最終的計(jì)算機(jī)處理器？它會(huì)大規(guī)模并行，以極高的頻率運(yùn)行，并使用奇異的光學(xué)或量子互連嗎？它會(huì)運(yùn)行熟悉的軟件，如 x86 或 PowerPC，還是有新的優(yōu)化指令集？它會(huì)很大還是很小？它是否需要智能編譯器或獨(dú)特的軟件結(jié)構(gòu)？

多年來，為了讓處理器運(yùn)行得更快，設(shè)計(jì)人員必須做的就是提高時(shí)鐘速度。在功耗和相關(guān)的散熱趕上速度增加之前，這一直很好。超越這一點(diǎn)，走得更快意味著除了走得更快之外還要做一些事情。

多核速度更快，但是……

從此開始了多核時(shí)代。如果兩個(gè)頭比一個(gè)好，那么四個(gè)肯定是兩倍好。在某種程度上，這個(gè)公理是正確的。但是今天的雙核和四核處理器的運(yùn)行速度并不比上一代快兩到四倍。

這有兩個(gè)原因：硬件和軟件。當(dāng)今絕大多數(shù)多核芯片的擴(kuò)展性都不是很好，因此四核并不能真正提供四倍于單核實(shí)現(xiàn)的性能。片上總線跟不上，緩存一致性開銷會(huì)消耗性能，管道過于頻繁地停止等等。由于各種原因，當(dāng)核心數(shù)量翻倍時(shí)，傳統(tǒng)的微處理器架構(gòu)不會(huì)接近雙倍的性能。

在軟件方面，許多程序員不習(xí)慣或不熟悉多核編程。當(dāng)所討論的多核芯片包含不同類型的處理器內(nèi)核（通常稱為異構(gòu)架構(gòu)）時(shí)，尤其如此。對(duì)一個(gè)處理器進(jìn)行編程已經(jīng)夠難了；使用單獨(dú)的工具鏈對(duì)四個(gè)不同的工具進(jìn)行編程要復(fù)雜得多。

異構(gòu)的，同質(zhì)的，還是只是龐大的？

可以提出一個(gè)論點(diǎn)，即不同的計(jì)算問題需要不同的資源，因此微處理器應(yīng)該包括一系列不同的處理資源。例如，一些任務(wù)可能需要信號(hào)處理能力，另一些可能需要單指令多數(shù)據(jù)矢量處理，而還有一些可能涉及復(fù)雜的決策樹和大量數(shù)據(jù)移動(dòng)。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，沒有一種處理器架構(gòu)可以有效地處理所有這些不同的任務(wù)。因此，需要不同架構(gòu)的馬賽克。在極端情況下，可以設(shè)想一個(gè)處理器由截然不同的計(jì)算引擎組成，除了它們共享的包之外沒有任何共同之處。這些處理器實(shí)際上是共存的，而不是合作的。

相反的方法是選擇一個(gè)指令集并堅(jiān)持下去。這無疑簡(jiǎn)化了編程，但存在部署過于通用的處理器的風(fēng)險(xiǎn)，這些處理器沒有針對(duì)特定任務(wù)進(jìn)行微調(diào)。另一方面，處理器是可編程的，改變軟件比改變硬件更容易、更便宜。

易于編程也不是一個(gè)小問題。延遲通常是由軟件錯(cuò)誤引起的，而不是硬件問題。更復(fù)雜的是，程序員被多核處理器嚇得要死。讓一個(gè)高端處理器可靠地工作已經(jīng)夠難的了。你如何編程和調(diào)試其中的 10 個(gè)？使用一個(gè)內(nèi)核架構(gòu)進(jìn)行編程、調(diào)試和設(shè)計(jì)比處理具有不同指令集、架構(gòu)、總線、工具和調(diào)試方法的不同內(nèi)核的混合體更容易。

對(duì)比方法

英特爾和 AMD 已將大部分建議牢記在心，并生產(chǎn)了其傳統(tǒng) x86 架構(gòu)的雙核和四核版本。在某種程度上，這只是將資產(chǎn)從負(fù)債中提取出來。x86 是他們知道如何做的，向后兼容性對(duì)他們的市場(chǎng)至關(guān)重要?，F(xiàn)有的 x86 代碼在這些升級(jí)后的設(shè)計(jì)上運(yùn)行良好，盡管它很少運(yùn)行得比以前快得多，也很少使用額外的內(nèi)核。

相比之下，許多 RISC CPU 和網(wǎng)絡(luò)處理器 （NPU） 供應(yīng)商采取了截然不同的方法，將各種不同的處理器內(nèi)核和架構(gòu)混合到各種瑞士軍刀設(shè)計(jì)中。例如，IBM 著名的 Cell 處理器（圖 1）有一個(gè)通用處理器內(nèi)核和八個(gè)專用內(nèi)核，需要不同的工具和編程技術(shù)。幾條寬總線——一些環(huán)，一些更傳統(tǒng)的——以各種方式連接核心。Cell 的性能令人印象深刻，但 PlayStation 程序員抱怨 Cell 是一頭難以馴服的野獸，部分原因是管理帶寬、延遲、總線事務(wù)和一致性都是游戲的一部分。

圖 1： IBM 的 Cell Broadband Engine 芯片包括九個(gè)處理器，其中一個(gè)基于 PowerPC。處理器通過元素互連總線連接，共有 12 個(gè)主控器。它被實(shí)現(xiàn)為四個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的單向環(huán)。

將所有正確的硬件資源集中到單個(gè)芯片上是一回事。使組合可用是另一回事。具有混合架構(gòu)的大規(guī)模并行芯片結(jié)合了兩全其美：大規(guī)模多核復(fù)雜性與完全不同的工具和架構(gòu)。這就像在您的芯片中舉行聯(lián)合國(guó)會(huì)議一樣。

嚙合在一起

更好的方法是保留大規(guī)模并行部分，這是高性能的必要條件，但拋棄差異并將許多相同的處理器內(nèi)核連接到二維網(wǎng)格中。從概念上講，它與通過網(wǎng)絡(luò)連接單個(gè)計(jì)算機(jī)沒有太大區(qū)別，只是在微觀尺度上。

Meshing也有“grok-ability”的一面。程序員不難想到十個(gè)、100 或 1000 個(gè)相同的處理器內(nèi)核以相同的方式工作并以一種簡(jiǎn)單但大部分透明的方式相互通信。1000 個(gè)元素中的每一個(gè)是否都針對(duì)給定的工作進(jìn)行了完美調(diào)整幾乎無關(guān)緊要。重要的是有 1，000 個(gè)處理器可以解決一個(gè)問題。

這種均勻的布置也有助于可擴(kuò)展性。雖然類似 Cell 的組合非常適合它們的特定任務(wù)，但構(gòu)建更大或更小的 Cell 版本需要芯片制造商進(jìn)行大量的重新設(shè)計(jì)工作，接收端的程序員甚至需要更多的工作。現(xiàn)有的 Cell 代碼不會(huì)神奇地放大或縮小到具有不同資源組合的芯片。它可能根本不會(huì)運(yùn)行。相比之下，在相同處理器的網(wǎng)格中增加 25% 的處理器可增加 25% 的計(jì)算能力，而不會(huì)破壞現(xiàn)有代碼。

這并不意味著設(shè)計(jì)這種類型的芯片是微不足道的。核心之間的帶寬是第一個(gè)挑戰(zhàn)。如果核心不能有效地相互通信，那么連接它們就沒有多大意義了。這種方法的一個(gè)例子是 Tilera 的 TILE-Gx100 處理器（圖 2），包含 100 個(gè)相同的內(nèi)核。在此處理器中，相鄰內(nèi)核之間的帶寬為 1，100 Gbps。每個(gè)核心在北/南/東/西方向有四個(gè)連接，100 核處理器的總帶寬為 200 TBps。大多數(shù)應(yīng)用程序很難使用其中的一小部分。即使是 Tilera 相對(duì)適中的具有 4x4 內(nèi)核陣列的 Gx16 芯片也擁有 20 TBps 的片上帶寬。

圖 2：其中一個(gè) Tilera TILE-Gx 處理器內(nèi)核（其中 n 為 16 到 100）有效地處理內(nèi)核之間的帶寬。每個(gè)核心塊都有自己的 64 位處理器、L1 和 L2 緩存，以及與北/南/東/西方向的四個(gè)鄰居的網(wǎng)絡(luò)連接。

這種基于圖塊的設(shè)計(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是內(nèi)存延遲。如果內(nèi)存不夠接近或無法訪問，所有這些處理器都可能會(huì)停止運(yùn)行。同樣，Tilera 將其設(shè)備分解為易于復(fù)制的切片，每個(gè)切片都有自己的本地 L1 和 L2 緩存。有趣的是，即使內(nèi)存是每個(gè)圖塊的本地內(nèi)存，它也可以是更大的共享分布式緩存的一部分，該緩存在所有共享者之間保持一致性。在某些情況下，程序員可能想要定義任意數(shù)量的緩存一致性島，必要時(shí)與相鄰的切片合作或忽略。

整個(gè)芯片架構(gòu)就像一個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)。相同的邏輯塊、內(nèi)存塊和互連塊在行和列中復(fù)制，以制造更大或更小的芯片。就像 FPGA 或分形 Mandelbrot 圖像一樣，平鋪處理器在任何規(guī)模上看起來都是一樣的。大或小，它的編程方式相同?？蓴U(kuò)展性平方。

與四核 x86 類似，但與 Cell 或 NVIDIA 芯片不同，TILE-Gx 網(wǎng)狀互連在引擎蓋下透明地工作。Mesh 流量不需要手動(dòng)調(diào)整，事務(wù)也不需要手動(dòng)調(diào)整以避免沖突或仲裁。盡管它位于中心，但網(wǎng)格基本上是不可見的，這正是程序員喜歡它的方式。

可擴(kuò)展性最終獲勝

與大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)一樣，許多不同類型的處理器將繼續(xù)存在。有些人會(huì)茁壯成長(zhǎng)，而另一些人將勉強(qiáng)在某個(gè)特定的利基市場(chǎng)謀生。外部力量將淘汰牛群，就像圖形和網(wǎng)絡(luò)處理器一樣，篩選出那些不適合當(dāng)前環(huán)境的人。

在過去的幾十年里，可擴(kuò)展性和可編程性一直是關(guān)鍵。開發(fā)人員需要一種他們可以理解并能持續(xù)使用的芯片。他們想要一個(gè)增長(zhǎng)路線圖，包括價(jià)格/性能規(guī)模的上下。讓它變得非常非?？煲矝]有什么壞處。

審核編輯：郭婷