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从多核到众核处理器( 二 )

处理器


总结一下，多核系统的出现是摩尔定律与物理规律限制相互作用的结果，三个主要的限制是：功耗、互连、设计复杂度 。一个处理器上的晶体管数越来越多，但是他们却因为功耗和互连线的限制并不能直接提供很高的性能，那么怎么办呢？一个最简单的办法就是用在一个处理器中集成多个简单的处理器核 。这样既把多出来的晶体管用上了，而每个处理器核就像前一代的处理器一样简单，因此不必提高他们的翻转速度，各个处理器核只需要自己交换数据，因此没有很长的连线延迟 。这也就是Intel放弃Pentium IV采用Core 2结构的缘由，也是本篇文章最本质的原理 。
从单核到多核乃至未来众核的变化并不是芯片设计公司根据客户需求，市场趋势做出的主动选择，而是在物理规律限制不得已的情况下被逼走上的道路 。这意味着以前那种处理器频率越来越高的时代已经一去不复返了 。在那个已经过去的黄金时代，程序员不需要怎么优化程序，因为优化程序所花的功夫和时间还不一定值得去市场上买一个新款处理器 。这也就使得Microsoft敢于做越来越慢的软件 。他不怕因为软件太慢卖不出去，因为处理器的翻转速度的增长会使得他本来很慢的软件，不久就会快得可以接受 。但是这个故事已经结束了，现在的新款处理器跑老程序并不会快到哪里去，而当你买了新处理器还得对老程序作进一步的优化才能利用上新增的晶体管 。这可能也就是微软的Vista按照老路子设计，但卖得没那么好的原因，也带来了微软裁员5000人，但是linux却还是比较红火的结果 。下面这个图是09年初Redhat Linux和windows的股票走势，可以比较明显的看出来，当处理器速度不再翻倍的时候，当人们没钱总是换硬件的时候，微软的表现就不是那么好了 。因为Windows Vista是微软沿用了以前处理器发展规律设计的操作系统，因此并不叫座 。微软公司不得不花大力气重写了他们的内核代码，推出了Windows 7来收拾Vista的残局 。

从多核到众核处理器

文章插图
 
多核虽然说着容易，做起来也不难，但是难得却不在多核本身上，下面的内容简单地揭开了多核设计貌似困难实则简单地面纱，同时也指出多核之难不在核上，而在互连与编程两大挑战 。
多核处理器是什么样子的？多核处理器的发展其实很大程度上是一个学术界最早提出但是由工业界引领的题目，从本质上来说设计一个多核处理器本身没有什么有深度的挑战，难点其实是互连和编程的问题 。不过在我们深入了解这两个问题前还是先回顾一下多核处理器的发展之路，目的是看看人们怎么从单核走到多核的 。
多核的点子最早学术界提出的 。典型的有四个：斯坦福的Hydra（1996），斯坦福的Imagine (2000)，MIT的RAW（2002），以及UT奥斯丁的TRIPS（2003） 。在这个问题上，是不得不佩服美国的创造力，要知道直到在2000年左右，所有的人都还在为处理器频率按照摩尔定律翻翻而狂热，美国的顶尖研究员就早已看到了这条路的尽头并指出未来处理器的发展之路 。
如果从学术界多核处理器的发展上学到一点最关键的内容的话，那就是：做一个多核的处理器不是一件有理论困难的事情 。曾有人据此预测说多核设计给了学术界一次超越工业界的机会，就像当年一个随便的学生project做出来的RISC处理器就能胜过工业界的CISC处理器一样 。但是就目前看来这件事情并没有如期发生 。真正的难点并不在处理器设计上，当工业界用各自不同的方式实现多核处理器后，一个重要经验就是：真正的难点在提供一个多核平台上的编程环境 。
在介绍多核处理器的设计的时候我们将学术和工业界的研究情况结合在一起 。多核处理器架构的学术深度是有限的，但是工业界的实现却是多种多样的，SUN、IBM、Intel、AMD、甚至ARM都相继设计并推出了了自己的多核处理器 。面对不同的客户市场，不同的公司推出的不同多核处理器具有截然不同的特点 。
多核处理器的设计依照大致可以分为三类:总线或者交换开关互连的或和设计,流处理器和图形处理器,以及网络互连的处理器：
以总线或交换开关为基本互连架构的多核设计
最初的多核处理器集成的处理器核数量较小，典型的特点就是互连方式是以总线和交换开关为主，而每个核结构相似功能较为强大 。这种设计也该可以看作传统一个主板上多处理器结构在片上的集成，主要的创新来源于摩尔定律指导下半导体技术进步带来的集成度提高，体系结构的创新并不明显 。这种结构的始祖（当然也是片上多核的始祖）是Hydra 。


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