四核只是過(guò)家家千核“芯”時(shí)代即將來(lái)臨

近日，英美科學(xué)家聲稱(chēng)研制出一種超高速計(jì)算機(jī)芯片，運(yùn)行速度是現(xiàn)有頂級(jí)臺(tái)式計(jì)算機(jī)芯片的20倍?？茖W(xué)界稱(chēng)這是一項(xiàng)重大突破，相信在未來(lái)數(shù)年內(nèi)能帶領(lǐng)家庭計(jì)算機(jī)進(jìn)入高速新時(shí)代。

其實(shí)“多核”這個(gè)詞已經(jīng)流行很多年了，世界上第一款商用的非嵌入式多核處理器是2002年IBM推出的POWER4。當(dāng)然，多核這個(gè)詞匯的流行主要?dú)w功與AMD和ntel的廣告，Intel與AMD的真假四核之爭(zhēng)，以及如今的電腦芯片市場(chǎng)上全是多核處理器的事實(shí)。現(xiàn)代個(gè)人電腦很多都已經(jīng)內(nèi)置雙核、4核或16核處理器，如今，美英研究人員開(kāi)發(fā)的中央處理器(CPU)將1000個(gè)內(nèi)核有效集成于一個(gè)芯片上。這項(xiàng)突破或?qū)⒃诮窈髱啄觊_(kāi)啟一個(gè)超高速運(yùn)算的新時(shí)代，使家庭用戶(hù)不再對(duì)運(yùn)行緩慢的電腦系統(tǒng)感到沮喪。

這種名叫“現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“FPGA”)的芯片，使得微晶片就像都含有數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管一樣，而晶體管也是作為任何電子線路基礎(chǔ)的微型開(kāi)關(guān)。不過(guò)，F(xiàn)PGA芯片的好處是，可由用戶(hù)配置安裝到特定電路，而不是在出廠時(shí)就設(shè)定好它們的功能。這樣一來(lái)，用戶(hù)可以將晶體管劃分成一個(gè)個(gè)“小群體”，要求每個(gè)“小群體”執(zhí)行不同的任務(wù)。

正是如此，通過(guò)在FPGA芯片中構(gòu)造000多個(gè)微型電路，研究人員事實(shí)上是把芯片變成了一個(gè)千核處理器，使其中每個(gè)核心都依照自己的指令運(yùn)行。在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，這塊超高速芯片平均每秒可處理約GB數(shù)據(jù)。換句話說(shuō)，它的運(yùn)行速度是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)芯片的20倍。而且這種新型“超級(jí)”電腦要比現(xiàn)在電腦綠色的多，雖然其運(yùn)行速度快得多，但消耗的能量卻大大減少，更加環(huán)保。

這項(xiàng)研究是由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的韋姆·范德堡韋德(Wim Vanderbauwhede)博士和美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的同行共同實(shí)施。對(duì)此，范德堡韋德博士說(shuō)：“FPGA芯片目前沒(méi)有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)家庭用電腦上，原因是雖然FPGA芯片的處理能力強(qiáng)大，速度更快，能耗也相當(dāng)?shù)?，但?duì)FPGA芯片的編程相當(dāng)困難?！?/p>

＞＞ 英特爾公司和ARM等廠商都曾宣布，他們研制出了將傳統(tǒng)CPU和FPGA結(jié)合在一起的微處理器將加速千核“芯”時(shí)代的來(lái)臨。

最初的多核處理器集成的處理器核數(shù)量較小，典型的特點(diǎn)就是互連方式是以總線和交換開(kāi)關(guān)為主，而每個(gè)核結(jié)構(gòu)相似功能較為強(qiáng)大。這種設(shè)計(jì)也該可以看作傳統(tǒng)一個(gè)主板上多處理器結(jié)構(gòu)在片上的集成，主要的創(chuàng)新來(lái)源于摩爾定律指導(dǎo)下半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的集成度提高，體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新并不明顯。雖然當(dāng)前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的家用電腦大多數(shù)內(nèi)核普遍超過(guò)一個(gè)，可以同時(shí)實(shí)施不同任務(wù)，但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個(gè)存儲(chǔ)源，這大大降低了運(yùn)算速度。

有一個(gè)很明顯的問(wèn)題是，到底用少數(shù)幾個(gè)強(qiáng)大的單核，還是很多簡(jiǎn)單的單核最能優(yōu)化處理器設(shè)計(jì)呢？問(wèn)題的困境是：如果每個(gè)核很強(qiáng)大，其能提供的總指令吞吐率與其功耗或面積成本呈亞線性關(guān)系，投入產(chǎn)出效率較低，但是如果每個(gè)核很簡(jiǎn)單，那么單線程的性能很低，而不幸的是每個(gè)應(yīng)用程序總是有一部分沒(méi)法并行化，這部分將最終決定整個(gè)程序的性能。一個(gè)程序到底有多大部分是必需串行執(zhí)行的？如果這個(gè)部分很大，那么少數(shù)幾個(gè)強(qiáng)大的單核是比較理想的方案，而如果這個(gè)部分很小，那么傾向于使用更多的較簡(jiǎn)單的核。最為理想的方案是一個(gè)異構(gòu)多核的設(shè)計(jì)，這樣串行的部分能在一個(gè)強(qiáng)大的單核上加速，而可以并行的部分則通過(guò)很多很小的核來(lái)提速。而范德堡韋德的研究團(tuán)隊(duì)正是給每個(gè)內(nèi)核分配一定量的專(zhuān)用存儲(chǔ)空間，從而達(dá)到加快處理器的運(yùn)算速度的目的。

范德堡韋德博士說(shuō)：“雖然這還只是初期概念驗(yàn)證研究，我們?nèi)栽噲D展示對(duì)FPGA編程的便捷方式，令其超高速處理的潛力可以在不久的將來(lái)更為廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備上。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用FPGA芯片，如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器，但它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)臺(tái)式機(jī)上的應(yīng)用卻十分有限。”

不過(guò)，包括英特爾公司和ARM等廠商都曾宣布，他們研制出了將傳統(tǒng)CPU和FPGA結(jié)合在一起的微處理器，這近一步加速了千核“芯”時(shí)代的來(lái)臨。范德堡韋德認(rèn)為此類(lèi)處理器會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，有助于在今后幾年進(jìn)一步提升電腦運(yùn)算速度。”