何正未

多核處理器將成為一種廣泛普及的計算模式，影響企業(yè)和消費者用戶的使用模式。它通過為工作負(fù)擔(dān)較重的場合提供顯著提升的性能，來促進(jìn)服務(wù)器/工作站業(yè)務(wù)環(huán)境的發(fā)展。然而，要想真正突顯多核處理器帶來的高效率，軟件的發(fā)展得跟上硬件的步伐。

在多核處理器如火如荼發(fā)展，硬件制造商不斷推出新產(chǎn)品的時候，軟件業(yè)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有來得及為此作好準(zhǔn)備。只有在軟件能夠充分利用多核處理器的特性時，多核處理器優(yōu)勢才能體現(xiàn)出來。當(dāng)前，多核處理器軟件開發(fā)商面臨著技術(shù)和商業(yè)問題，軟件界缺少為多核處理器進(jìn)行高效編程的標(biāo)準(zhǔn)工具，缺少開發(fā)并行應(yīng)用所需的技巧。

負(fù)責(zé)IBM多內(nèi)核、多線程Power5服務(wù)器處理器設(shè)計的Balaram Sinharoy指出，現(xiàn)有軟件只能在集成2到4個內(nèi)核，而且每個內(nèi)核只有兩個線程的處理器上發(fā)揮性能優(yōu)勢。

多核處理器軟件代碼優(yōu)化也對編譯器和應(yīng)用程序開發(fā)工具提出了挑戰(zhàn)。面向多核處理器，業(yè)界需要通過努力改善軟件設(shè)計來使應(yīng)用程序長期優(yōu)化和效率提高。

同時，多核處理器將成為一種廣泛普及的計算模式，影響企業(yè)和消費者用戶的使用模式。它通過為工作負(fù)擔(dān)較重的場合——尤其是那些已經(jīng)在使用多線程應(yīng)用的場合，提供顯著提升的性能，來促進(jìn)服務(wù)器/工作站業(yè)務(wù)環(huán)境的發(fā)展。例如數(shù)據(jù)采集、數(shù)學(xué)分析和Web服務(wù)。多核處理器還將在推動虛擬技術(shù)和PC安全性方面起到關(guān)鍵作用。

下面就多核處理器軟件和應(yīng)用的若干問題進(jìn)行簡要分析和討論。

操作系統(tǒng): 支持多核的版本

業(yè)界各大主要操作系統(tǒng)廠商正在準(zhǔn)備推出相應(yīng)的操作系統(tǒng)，以支持上市的雙核/多核處理器產(chǎn)品。預(yù)計目前市場上現(xiàn)有的各主要操作系統(tǒng)都將推出新的版本。支持多核處理器的操作系統(tǒng)包括: Microsoft Windows、Novell和Red Hat Enterprise Linux 發(fā)行版，以及Sun Microsystems公司的Solaris 10。其中有些操作系統(tǒng)還將包括專門支持應(yīng)用的優(yōu)化程序，以充分發(fā)揮多核功能的優(yōu)勢，從而改善一系列應(yīng)用的性能。

QNX公司最近推出了一個多核版本的開發(fā)工具。該公司聲稱它的操作系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)有助于多核處理，能夠為所有多處理模型提供支持。該軟件包是對OS內(nèi)核做了某些改動的現(xiàn)有產(chǎn)品的組合。通過該軟件，用戶將能把現(xiàn)有代碼遷移到一個多處理器環(huán)境下。QNX支持非對稱多處理、對稱多處理和限制多處理模型。對于前者，將運行多操作系統(tǒng)實例（不一定是同一操作系統(tǒng)），每一個物理處理器上運行一個。資源在操作系統(tǒng)之間被完全管理。在對稱處理時，惟一的操作系統(tǒng)實例運行在多個CPU核上。用戶能漸進(jìn)地遷移現(xiàn)有應(yīng)用程序，開始將特定任務(wù)分配給專用的CPU核處理，隨后朝對稱多處理模型轉(zhuǎn)移。用戶還能使用一種稱為“限制多處理”模式，在這種模式下，可以把關(guān)鍵任務(wù)與線程，或者為單核操作編寫而又不想重寫的任務(wù)分配給指定的處理器，在該處理器上它們將在自己的空間中運行。軟件在運行時能在這種配置下執(zhí)行受控或動態(tài)負(fù)載均衡。

另外，在部分廠家提出的單級單映像編程模式下，盡管實際上有多個內(nèi)核、多項任務(wù)同時運行，處理多個數(shù)據(jù)包或單元，程序員也將其抽象為一個單獨的、順序的編程實體，此時，需要由操作系統(tǒng)或內(nèi)核軟件負(fù)責(zé)所有必需的核心間的協(xié)調(diào)工作。這些內(nèi)核軟件為程序員提供統(tǒng)一的機(jī)制來管理處理器中的所有資源。

隨著時間的推移，操作系統(tǒng)的調(diào)度程序必須設(shè)計得更復(fù)雜。當(dāng)然，隨著軟件性能的提高，它將允許在每個裸片上集成更多可支持更多線程的內(nèi)核。

編程模式: 抽象層、核心間通信、可編程性

多核處理器需要一個抽象層來管理并行機(jī)制，允許重新定向應(yīng)用、分配負(fù)載并管理功率。需要隱藏軟硬件細(xì)節(jié)的新型編程模型。

當(dāng)前，多內(nèi)核設(shè)計正在推動我們朝向“處理器海洋”結(jié)構(gòu)，可能包含成百上千個處理器。然而，為一個處理器編寫的軟件幾乎無法與另一個端接。這是因為編程模型瞄準(zhǔn)的是單一處理器和單一線程。Imperas公司CEO Simon Davidmann認(rèn)為，目前需要的是能夠提煉出硬件和軟件細(xì)節(jié)的編程模型，以及將平臺應(yīng)用編譯實現(xiàn)自動化的途徑。

多內(nèi)核處理器的主要挑戰(zhàn)之一是如何將軟件應(yīng)用映射到日益復(fù)雜的硬件內(nèi)，即編程模型和它所提供的效率。一個優(yōu)良的編程模型應(yīng)具有很高透明度，能對程序員隱藏盡可能多的硬件細(xì)節(jié)。在GSPx 2005研討會上，Ignios公司首席技術(shù)官(CTO) Mark Lippett指出，現(xiàn)在需要的是“平臺抽象層(platform abstraction layer)”，用于將軟件應(yīng)用映射到硬件上。Ignios在其SystemWeaver產(chǎn)品內(nèi)提供這種層。

核心間通信開銷是在進(jìn)行多內(nèi)核處理器編程時需要考慮的又一重要因素。對于一個將任務(wù)分割到多個內(nèi)核上的應(yīng)用而言，軟件模塊或任務(wù)間的通信效率(如通信建立時間、需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、傳輸速度、以及抵達(dá)時間的可預(yù)測性)是至關(guān)重要的。

需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量取決于應(yīng)用類型和應(yīng)用分割。而傳輸效率和可預(yù)測性則與通信(軟件)架構(gòu)和系統(tǒng)中使用的硬件互聯(lián)類型有關(guān)。硬件互聯(lián)提供的靈活性可能有限，但分割和通信軟件的選擇權(quán)通常掌握在設(shè)計人員手中。一種用于核心間通信的高效靈活的軟件架構(gòu)能夠快速地和可預(yù)測地傳輸數(shù)據(jù)、管理多個邏輯連接和不同種類的硬件互聯(lián)、同步傳輸以及為應(yīng)用提供一個抽象層。

當(dāng)今的大多數(shù)操作系統(tǒng)是設(shè)計運行在單核處理器上的。并行多處理技術(shù)在操作系統(tǒng)處理負(fù)載均衡任務(wù)上比較簡單，但是對非對稱多處理要把任務(wù)分配到多個線程上的工作留給開發(fā)人員，這給可編程性帶來了挑戰(zhàn)。比如，由于操作系統(tǒng)在一定程度上分擔(dān)了芯片的復(fù)雜性，STI開發(fā)的Cell處理器可被用作具有XML或TCP處理功能的加速器或卸載處理器，但其他的編程模式可能要求用戶了解用于PowerPC的各種編譯器及位于其下的多個專用核。

也有廠家提出的解決方案支持單級單映像編程模式。即盡管實際上有多個內(nèi)核、多項任務(wù)同時運行，處理多個數(shù)據(jù)包或單元，程序員可將多處理器抽象為一個單獨的、順序的編程實體。

編譯器: 開發(fā)多級并行

為多處理器或多線程環(huán)境設(shè)計的應(yīng)用軟件通常能夠利用多核處理器結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。但同時，當(dāng)軟件為多核處理器得到最優(yōu)化時，業(yè)界將期望看到通過發(fā)揮基于多核處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的軟件創(chuàng)新方法，來提高應(yīng)用程序總性能。

編譯器和應(yīng)用程序開發(fā)工具將為多核處理器優(yōu)化軟件代碼發(fā)揮重要作用。編譯器將承擔(dān)更大的責(zé)任，面臨更大的挑戰(zhàn)。面向多核處理器，通過努力調(diào)校軟件設(shè)計使能長期優(yōu)化和效率提高。Intel 正在從事有助于為多核結(jié)構(gòu)優(yōu)化線程性能的編譯器和軟件工具的引入。

單線程應(yīng)用不會自動在多內(nèi)核系統(tǒng)上運行得更快。普遍使用的C和C++在本質(zhì)上是順序執(zhí)行語言。因此，當(dāng)把一個用C或C++編寫的應(yīng)用程序移植到多內(nèi)核系統(tǒng)上時，該應(yīng)用也許并不能從多內(nèi)核平臺的并行處理能力中獲益。

在應(yīng)用程序中，一般有四種并行可供挖掘:

● 指令級并行ILP: RISC核心的指令亂序執(zhí)行、超級標(biāo)量（多個執(zhí)行部件），一般在核心內(nèi)實現(xiàn);

● 數(shù)據(jù)級并行DLP: 比如SIMD，支持MMX、SSE、SSE2、SSE3等，通常也在核心內(nèi)實現(xiàn);

● 線程級并行TLP: 比如Intel的超線程（HT），多核處理器。一般采用OpenMP、MPI方式編程。如何充分挖掘應(yīng)用程序的線程級并行性，是多核處理器獲得高性能的關(guān)鍵點之一;

● 進(jìn)程級并行PLP: 處理器之間、進(jìn)程間通過消息傳遞進(jìn)行通信，一般采用MPI編程方式。

Amdahl 定律指出，應(yīng)用程序的并行加速來自于其可并行化部分。串行代碼制約著可擴(kuò)展性，如何挖掘應(yīng)用程序的多級并行性，是編譯器必須考慮的主要問題之一。

開發(fā)工具: 功能調(diào)試、性能優(yōu)化

調(diào)試多內(nèi)核系統(tǒng)比調(diào)試單處理器系統(tǒng)更為復(fù)雜，而且可能會影響到應(yīng)用。在多內(nèi)核系統(tǒng)中如果其中一個內(nèi)核或子系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)狀態(tài)的檢測就變得很復(fù)雜，因為其他內(nèi)核可能正在與停止運作的內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一些內(nèi)核會使其外設(shè)與內(nèi)核一起停止工作，這使得內(nèi)核之間通信狀態(tài)很容易被檢測出來。一個允許設(shè)計人員控制系統(tǒng)中哪些部分應(yīng)被停下來進(jìn)行調(diào)試和控制傳輸中數(shù)據(jù)的多內(nèi)核調(diào)試器是必不可少的。

調(diào)試工具、優(yōu)化程序正在演進(jìn)。Intel就是在網(wǎng)上提供多內(nèi)核工具的一個例子。該公司啟動了一項名為“線程技術(shù)使能”（Threading Enabling）的計劃，這項計劃提供以下工具:

● 性能分析器，開發(fā)人員利用它可以分析代碼，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)流可以進(jìn)行優(yōu)化的區(qū)域;

● 常用函數(shù)和子程序優(yōu)化代碼庫，這使開發(fā)人員可以提取函數(shù)，因此完全跳過編寫函數(shù)和優(yōu)化函數(shù)的工作;

● 專為多內(nèi)核程序開發(fā)的編譯器;

● 一種叫做“線程檢查器”、用于發(fā)現(xiàn)線程互動中潛在沖突的工具。

由于C和C++不能在語言級為應(yīng)用分割提供任何支持，應(yīng)用/算法分割可在任務(wù)(系統(tǒng))級完成。運行時平臺（操作系統(tǒng)及內(nèi)核間通信)通過在內(nèi)核間重新分配任務(wù)實現(xiàn)此項功能。為獲得最佳效率而進(jìn)行的精細(xì)分割(任務(wù)/算法分割)可以采用代碼分割工具來完成。

并行應(yīng)用程序: 培養(yǎng)編程能力

多核處理器在結(jié)構(gòu)上提供了獲得性能優(yōu)勢的創(chuàng)新，但也影響到已有的軟件部署和開發(fā)人員技能。如果想在多核處理器上提升性能的話，很多應(yīng)用程序必須并行化。從某種角度上說，當(dāng)前多內(nèi)核開發(fā)的關(guān)鍵與多處理器系統(tǒng)是一樣的: 謹(jǐn)慎開發(fā)多線程應(yīng)用程序（即不同部分可以同時運行的程序），使線程不相互干擾。

多核處理器的發(fā)展將迫使各級IT專業(yè)人員提高自己的技能，要將多處理概念更深入地植入到他們的計算意識中。許多企業(yè)通過培育在任何多核處理器環(huán)境中茁壯成長的各種技能，特別是編寫多線程應(yīng)用程序的能力，來確保自己處于有利地位。業(yè)界普遍需要更好的編程教育，因為今天的大多數(shù)編程是以黑盒子方式完成的。

Carnegie Mellon大學(xué)教授Babak Falsafi指出: “我們將看到一種變化，即我們從一開始就教授并行技術(shù)。這將是一種漸進(jìn)式的變化，可能需要十多年時間，但是最終，多內(nèi)核處理技術(shù)將推動一種確保多線程和并行技術(shù)成為基本技能的變化”。

軟件許可: 如何計費

一個芯片還是兩個芯片？軟件廠商如何收取多內(nèi)核芯片的費用仍是激烈爭論的問題。

在計劃向多核處理器移植時，軟件廠商對應(yīng)用程序的授權(quán)方式是需要考慮的另一個關(guān)鍵因素。目前，許多企業(yè)級應(yīng)用程序廠商依據(jù)核心數(shù)（by core），而不是插槽數(shù)（by slot）進(jìn)行授權(quán)。這就是說，一個雙插座、雙核服務(wù)器能比一個雙插座、單核服務(wù)器提供更高性能，原因是應(yīng)用程序能夠識別4個處理器（而不是2個），所以授權(quán)費用也將翻番。在基于多核處理器的系統(tǒng)中，增加的授權(quán)費用將抵消潛在的性能提高。由于多核處理器不是線性可擴(kuò)展的（這意味著，增加一個核，不會獲得100％性能提高），翻倍的授權(quán)成本將導(dǎo)致較低總性價比。

由于這個原因，用戶在評估哪些應(yīng)用程序可以移植到使用多核處理器的系統(tǒng)中時，軟件授權(quán)是必須考慮的一個關(guān)鍵因素。比如，企業(yè)軟件授權(quán)成本要高于提供應(yīng)用程序運行的服務(wù)器成本，這是值得關(guān)注的。這對那些區(qū)別于專門服務(wù)器，在低價點提供卓越性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器來說，顯得尤其重要。盡管大多數(shù)應(yīng)用程序廠商沒有表態(tài)，但有些廠商已經(jīng)采取按插座數(shù)，而不是按核心（core）數(shù)授權(quán)策略。

雖然所有的服務(wù)器在不久的將來都將采用雙內(nèi)核技術(shù)，但是軟件許可收費方式卻遠(yuǎn)未統(tǒng)一。實際上，3家最大的軟件廠商采取了不同的許可方式。IBM將根據(jù)不同的情況做出許可決定，Oracle將雙內(nèi)核芯片算為兩個芯片，微軟則打算將雙內(nèi)核芯片作為單個芯片來對待。

IBM在收取軟件許可費時，將x86雙內(nèi)核芯片視為一個處理器。但是，隨著芯片的改進(jìn)，IBM可能會改變收費計劃，將雙內(nèi)核算為兩個芯片。一位IBM發(fā)言人說，公司將根據(jù)客戶報告的芯片性能，“不斷地評估”其許可方式。

Oracle的許可政策目前還是按照處理器核心收費。Oracle全球許可與價格戰(zhàn)略副總裁Jacqueline Woods認(rèn)為，盡管雙內(nèi)核目前可能不能提供兩倍的性能，但它未來可能將提供兩倍或更高的性能提升。Woods說: “當(dāng)這些芯片的性能改進(jìn)時，我們的價格保持不變，因為我們在這個領(lǐng)域中是中立的。”O(jiān)racle在2005年底又制訂了0.25（針對UltaSPARC T1）、0.5（針對Intel Xeon或AMD Opteron）及0.75（針對其他多核心處理器）等3級系數(shù)值模式新版授權(quán)方案。

“到底該怎樣收費？這的確是個復(fù)雜的問題，英特爾、IBM、微軟、甲骨文及其他很多公司將不得不就此達(dá)成協(xié)議，”惠普公司服務(wù)器部資深技術(shù)專家Michael Krause表示，“現(xiàn)在，惠普公司已經(jīng)有人著手研究此問題。這是多內(nèi)核產(chǎn)品上市的最大問題之一，而目前業(yè)界尚無對策?！?

也有專家提出放棄計算物理處理器的個數(shù)，轉(zhuǎn)而采用根據(jù)一個獨立應(yīng)用程序運行在芯片上的時間量收費。

多內(nèi)核芯片是否將從根本上改變用戶支付軟件費用的方式，仍需拭目以待。一些人認(rèn)為，軟件廠商可能必須向開放源代碼價格模型發(fā)展，從維修和支持服務(wù)而非從按處理器個數(shù)收費獲得收入。

數(shù)字化生活: 更豐富

5～10年前，大多數(shù)人使用PC運行文字處理和電子表格程序，上因特網(wǎng)沖浪，玩游戲。時至今日，中檔PC已能很輕易地提供所需性能。但是，多年來，人們已經(jīng)大大擴(kuò)展了在計算機(jī)上所能做的事情。今天，我們常常使用數(shù)字視頻操作和數(shù)字照片軟件應(yīng)用程序，并且新游戲程序處于現(xiàn)實生活模擬的邊界。這些激動人心的進(jìn)步需要高性能PC來運行最新的、詭異的應(yīng)用程序。

多核處理器使數(shù)字化生活成為可能。數(shù)字媒體娛樂，或數(shù)字生活，是一個激動人心的概念，目前微軟、IBM和其他一些公司在合作開發(fā)。這個即將到來的進(jìn)步將允許消費者在家中真正體驗豐富的數(shù)字媒體。他們需要重要的計算機(jī)處理性能和多任務(wù)能力。多核的PC能提供這些性能和多任務(wù)能力，并將使他們成為數(shù)字家庭的中心。例如，在家庭里，多核PC能和電視無縫集成?；诙嗪薖C承擔(dān)的無線家庭網(wǎng)絡(luò)的集線器，父親能在起居室通過Web沖浪，女兒在她的臥室下載、播放MP3音頻文件，兒子在廚房使用新型游戲設(shè)備玩游戲。所有這一切，都是多核處理器平衡高性能和多任務(wù)所帶來的益處。

然而，目前多核處理軟件總體滯后于硬件，軟件面臨諸多新挑戰(zhàn)。但同時我們也應(yīng)該看到，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，多核處理技術(shù)將會持續(xù)在軟件演進(jìn)中發(fā)揮重要影響，并和先前的高端并行處理技術(shù)一道，推動軟件并行技術(shù)的發(fā)展。在出現(xiàn)多核處理器技術(shù)之前，SMP系統(tǒng)和超線程技術(shù)一直在推動眾多操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件廠商設(shè)計出能夠發(fā)揮多線程性能優(yōu)勢的軟件。當(dāng)基于多核處理器系統(tǒng)進(jìn)入主流并不斷發(fā)展后，操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件廠商將面向多核結(jié)構(gòu)優(yōu)化他們的產(chǎn)品，這將促進(jìn)軟件效率提高，獲得潛在性能提升。

需求帶來發(fā)展，而發(fā)展又是基于技術(shù)的。通過若干年向大眾市場的發(fā)展和擴(kuò)散，高端計算并行處理技術(shù)將不斷促進(jìn)多核處理器硬件、軟件、應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。無論帶來的是問題還是機(jī)遇，多內(nèi)核處理器的時代已經(jīng)來臨。

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虛擬化和安全: 更上一層樓

虛擬化是指使用軟件的方法，通過提供多處理器“幻像”，來使工作負(fù)載共享處理器。虛擬化正在流行。虛擬化在未充分使用資源間平衡負(fù)載，使為峰值狀況下預(yù)留的性能開銷需求、為管理多余硬件的需求降到最低。虛擬技術(shù)的發(fā)展能夠為多核處理器提供更好的保護(hù)、更高的資源使用率和更可觀的商業(yè)運算市場價值。

多核處理器非常適合幫助公司實現(xiàn)虛擬化，因為它們提供了性能增長。正是由于這個原因，傳統(tǒng)上在大型主機(jī)上的虛擬化技術(shù)正逐漸向普通服務(wù)器甚至桌面系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，而硬件輔助虛擬化也改變了一直以來主要通過軟件來實現(xiàn)虛擬化的現(xiàn)狀，性能、效率和可靠性都有提升。

在多核處理器的幫助下，用戶可在整個公司范圍內(nèi)簡單地實現(xiàn)虛擬化。虛擬化可以在相同的服務(wù)器上運行不同的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，大大節(jié)約了硬件實現(xiàn)。多核處理器將促使虛擬化技術(shù)更廣泛應(yīng)用，并獲得巨大成功。

在安全性成為至關(guān)重要問題的今天，同樣，一些旨在阻止病毒和其他網(wǎng)絡(luò)威脅的、更加復(fù)雜的實時安全應(yīng)用可以在后臺運行，為平臺提供額外的安全性，從而提供更加健全的保護(hù)。利用多核處理器，安全性的提高將對最終用戶完全透明。