多核的未来之路

2006-06-30 09:11:27来源: 计世网

  似乎在一夜之间,处理器就进入了多核时代。但是从多核(Multi-core)到很多核(Many Core)还面临着巨大的挑战,尤其在软件并行化和应用模式方面。同时,计算和通信传输性能提升的异步还有可能进一步拉大,而硅光子技术的逐渐成熟有望解决这一难题。

从“多”核到“很多”核

  多核处理器的一个基本思路就是将计算任务经过合理的分解,再想办法提高指令执行的并行度。但是如何将很多任务有效地分解,目前在软件方面还存在较大的难度。因此当处理器的内核数上升时,如果处理不当,很有可能会出现性能反而下降的问题。

  6月7-8日,英特尔司在北京举行了中国研究论坛活动。记者在论坛上采访英特尔数字企业部编译器与架构高级开发部门总监Geoff Lowney博士的时候曾经提到过这一问题,他表示虽然未来多核处理器中单核的面积尺寸相对较小,但这并不意味着单核的性能会下降,相反还会继续上升。

  英特尔处理器包含的晶体管数量总是很引人关注,因为这经常会被当做摩尔定律是否还继续有效的一个直接判据。其实从2001年奔腾架构确立以后,晶体管数量的快速上升主要是因为处理器内部放置了大容量缓存造成的,实际的计算内核晶体管数量上升并不像表面上看到的那么恐怖。

  从英特尔以前几代处理器的结构来看,第一款专用移动处理器Banias的核心晶体管数量在500万到2000万之间,而第一个双核移动处理器Yonah的核心晶体管数量大约为3000万个,相较其晶体管总数1.56亿个还较有限。从这一点来看,处理器内核的晶体管数量是逐步上升的,处理能力也不断增强。尽管随着工艺的进步,在单位面积上所能部署的晶体管数量还会继续上升(ITRS预测到2010年单芯片上晶体管数量将达到22亿个),但是晶体管数量的上升有一定的限度,尤其是8内核以上处理器诞生时,过于复杂的内核其部署所占的空间和功耗等问题也越来越不容忽视。

  同时,多核对应用带来的影响也将越来越不同。对于单纯的诸如Word这种软件,更多核处理器的性能提升可能将越来越不明显。但是在一些新兴的领域,比如对多媒体信息尤其是在视频信息中进行搜索、处理时以及视频挖掘等,是多核技术今后要重点面对的问题。同时运行越多的程序,多核的性能表现就越强(如图1所示)。


图1 100瓦、48MB高速缓存、40亿个晶体管和22纳米工艺状态下多核性能表现

  从多核到很多核时代,走向异构多核化是一个很值得关注的趋势(如图2所示)。一方面功能强大的内核其结构必然复杂,大马拉小车不说,执行特定任务的时候效率会受影响,功耗也难以控制。而对于一些特定的任务,比如XML、多媒体信息、TCP/IP协议处理等,一些专用硬件在性能和功耗方面很可能会比通用处理器更有优势。英特尔微处理器技术实验室总监Shekhar Borker表示,目前公司对异构双核还处于研究阶段,到底是用通用内核配合特定软件还是通过专用硬件来实现还未确定。


图2 由通用内核(GP)与专用硬件(SP)组成的异构多核处理器

  多个内核之间的连接也很有学问。目前英特尔在研的CSI(Common System Interconnect)串行高速互联总线可以实现处理器内核与芯片组以点对点的方式连接,而CSI总线还可以实现不同速率内核的互联,这与目前的双前端总线只能支持同频内核形成了鲜明的反差。

  CSI的优势和研究重点在于更低的延迟和更高的灵活性。由于可以连接不同工作频率的内核,CSI可能带来的一个好处是允许在同一个系统中同时使用两种甚至多种处理器,从而降低系统开发成本,以实现通用计算平台方案。

硅光子通信: 延续摩尔定律

  毫无疑问,在信息技术领域最重要的计算和传输两个领域中,目前传输部分显然拖了计算的后腿。

  在计算机系统中,长久以来使用电路来传送数据,但随着处理器和相关部件运行频率的提高,干扰大、带宽有限和传输距离小等电路传输的缺陷逐渐显现出来。而光纤在这些方面的独特优势也伴随着计算机系统内这些问题的突出而逐渐显露出来。

  目前光纤通信在长距离上很成功,但是短距离通信还面临很多问题。

  与晶体管主要依赖于硅材料不同,光子技术采用的基础材料是玻璃。但由于光的波长对硅来说是透明的(不会干扰),因此理论上可以通过在硅中集成光波导通路来传输信号。这就是硅光子理论的可行性基础。不过硅材料并不适合做激光器。因此要在硅技术的基础上产生激光尤其是连续激光是一件非常困难的事情,长期以来并没有很大的进展。去年英特尔所做的拉曼连续硅激光器就是这一领域的一个重要突破。英特尔硅光子实验室科学家荣海生表示,研制成连续拉曼硅激光器在信心上的意义甚至要大于在技术上的意义。

  当电路的频率增长,电阻也随之增大,光技术就会取代电子技术。不过,除了技术上的难度以外,目前光子技术的成本也较高,荣海生博士很谨慎地预测大约10年左右的时间两者的成本会基本一致,到时也是硅光子技术全面取代电子技术的转折点。从电布线到光布线是一个巨大的技术进步,安捷伦目前正在研究全光PCB布线。这也让人们看到了近距离(几十厘米)光通信的美好前景。

  从现实来讲,硅光子在计算机系统中的应用最早还是从芯片间互联开始。这一方面是因为计算机系统的性能瓶颈目前还主要在处理器和外围芯片以及存储设备(比如内存)之间,同时在技术上实施也要简单一些。更长远地,硅光子技术还可能走进处理器芯片内部,至于介质是采用玻璃光纤,还是塑料光纤,亦或是硅材料,目前还没有确定的方案。

  当然,硅光子技术从实验走向实用也面临着巨大的挑战。荣海生博士指出,最严峻的一个问题是损耗还比较大: 目前光纤可以做到0.2db/公里,硅光子由于依靠腐蚀硅材料的办法做波导,目前典型的数据是0.2db/厘米,信号衰减还比较大。

  荣海生博士透露,英特尔目前正在研究20英寸(50cm)左右距离的硅光子传输实用化技术,这是硅光子走向板级应用的前兆。

  一旦硅光子技术达到实用的目标,其高带宽、高速率、低干扰特性将给芯片间互联、底板布线技术带来革命性的变化,并将彻底改变目前计算机系统中通信速度和带宽远远落后于处理器芯片运算速度的现状,从而从系统层级上帮助延续摩尔定律。

关键字:光子  晶体管  处理器

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