預(yù)言未來(lái)今后的多核CPU是什么？

隨著莫爾定律的發(fā)展，IC設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)他們有許多硅，這些真實(shí)的資產(chǎn)來(lái)繼續(xù)發(fā)展。David Chisnall有些他們要去嘗試的冒險(xiǎn)想法。

預(yù)言未來(lái)

明確的預(yù)言未來(lái)的技術(shù)是非常容易的，這東西將會(huì)變得更小，更快，更便宜。這將會(huì)在幾個(gè)世紀(jì)里實(shí)現(xiàn)并且不大可能發(fā)生改變——至少到我們開(kāi)車(chē)跑起來(lái)不加油的時(shí)候。這會(huì)變得更有趣，并且我們預(yù)計(jì)未來(lái)一些東西會(huì)變得更復(fù)雜。

一些受雇于未來(lái)主義者的人僅僅是盡量預(yù)測(cè)一些東西，和提起語(yǔ)言正在發(fā)生的人們，不久他們就忽略了一些正確的受爭(zhēng)議的預(yù)測(cè)。這些接近工作有個(gè)限度，但是它不是非常有趣。

在計(jì)算機(jī)世界里一項(xiàng)好的技術(shù)看的是在大型計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)工作組上會(huì)發(fā)生什么和預(yù)測(cè)同樣的排序運(yùn)算在個(gè)人電腦領(lǐng)域會(huì)產(chǎn)生怎樣的效果。當(dāng)我在參加一個(gè)IBM 工程師關(guān)于他公司的新虛擬化技術(shù)的討論時(shí)，這條規(guī)則對(duì)于像我開(kāi)車(chē)回家。他談?wù)摰剿墓居许?xiàng)優(yōu)勢(shì)是其他人的工作領(lǐng)域所沒(méi)有的：不論什么時(shí)候他們被難住，他 們會(huì)獨(dú)自去大廳的超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)備那里去詢(xún)問(wèn)如何解決同樣的問(wèn)題在幾十年前。

這種方法在未來(lái)是很好的指導(dǎo)：這些東西通常降下來(lái)，從低到高的消費(fèi)階層。

另一種趨勢(shì)是昂貴高端的變得越來(lái)越小。SGI的錯(cuò)誤是沒(méi)有預(yù)料到這是正確的。大概10年前，SGI是一個(gè)生產(chǎn)高端昂貴圖形硬件的公司。他們一直保持這種定 位；他們最后的硬件允許一些GPU共享同一個(gè)存儲(chǔ)器因此緊緊的結(jié)合在一起工作。不同的是現(xiàn)在NVIDIA生產(chǎn)GPU。很多來(lái)自NVIDIA的人從前是在 SGI工作的，但是他們的管理部門(mén)不想讓他們生產(chǎn)消費(fèi)級(jí)別的圖形加速設(shè)備，直到它能夠和高端昂貴的硬件相媲美時(shí)。這些人們繼續(xù)在自己的公司中，和現(xiàn)在他們 擁有20％的重要市場(chǎng)份額大于與SGI競(jìng)爭(zhēng)的整個(gè)市場(chǎng)份額。更糟的是SGI的前途，一些十年前想要生產(chǎn)高端昂貴硬件的人們現(xiàn)在到了僅僅能夠擔(dān)負(fù)起消費(fèi)稅的 地步。新使用高端昂貴設(shè)備的經(jīng)常會(huì)改變，但是最終消費(fèi)部門(mén)追上。

這個(gè)階段的成就

雙核CPU第一次被商用領(lǐng)域的IBM制造出來(lái)的POWER4在幾年之前。這個(gè)主意簡(jiǎn)單是：一些大型機(jī)器有許多CPU，如果把他們放在一個(gè)CPU中可以減少他們實(shí)際上的體積。

那些天，Intel和AMD跳躍到雙核潮流上，它們的競(jìng)爭(zhēng)朝向多核甚至更高。這是一個(gè)必然的開(kāi)發(fā)環(huán)境，相應(yīng)的到摩爾定律——其中一個(gè)重大的觀察錯(cuò)誤會(huì)在計(jì)算 中。莫爾定律的成立是在CPU中晶體管的數(shù)量每增加一倍需要12－24個(gè)月。（這個(gè)精確的周期有時(shí)變化，取決于你什么時(shí)候問(wèn)戈登?摩爾，但是它通常報(bào)出是 18個(gè)月。）如果你想花費(fèi)更多錢(qián)，你可以增加更多的晶體管；舉個(gè)例子，Extreme Edition的Pentium系列把這些放在了更多緩存上。這個(gè)問(wèn)題變成了他們?cè)黾恿硕嘤诘木w管。Pentium 2，1997發(fā)售，用了7.5億晶體管。Itanium 2，2004年發(fā)售，用了592億晶體管。它們大部分是緩存。CPU中加入緩存是好的，是一個(gè)增加晶體管的簡(jiǎn)單方法，緩存很簡(jiǎn)單，增加一些只是比芯片設(shè)計(jì) 的復(fù)制粘貼單元快了一些時(shí)間。不幸的是它開(kāi)始減小，并且直接快速返回。一次全部工作進(jìn)程轉(zhuǎn)載入緩存，加入一些規(guī)則沒(méi)用好處。

另一種手法是加入更多 核心，看最后的兩個(gè)CPU的晶體管個(gè)數(shù)，我們看到2004年有必要生產(chǎn)80核心的Pentium 2。在十年前，它是節(jié)約的，可執(zhí)行的方案來(lái)生產(chǎn)5000個(gè)P6核心。不幸的是，電源設(shè)備僅僅可以提供一個(gè)芯片的，這意味著需要它單獨(dú)的供電設(shè)備。沒(méi)用提到 靠液氮來(lái)冷卻它提供一個(gè)穩(wěn)定的支持。這看起來(lái)盡管像存儲(chǔ)器技術(shù)只會(huì)在這個(gè)它們可以保存部分提供的數(shù)據(jù)的時(shí)期，每個(gè)都有自己的總線，但是你不能最低限度的使 用1000根針腳——64000跟為64位內(nèi)存總線。甚至設(shè)計(jì)他們封裝在一個(gè)芯片上分布象征一個(gè)工程挑戰(zhàn)；設(shè)計(jì)主板將要鏈接存儲(chǔ)器通道和內(nèi)存bank是個(gè) 問(wèn)題，這會(huì)給大部分PCB設(shè)計(jì)者重復(fù)的惡夢(mèng)。

從芯片上拋棄一些緩存工作變慢了點(diǎn)。從芯片上跑多一些核心變得更慢。終于，不管怎么樣，聰明的解決方法將會(huì)出現(xiàn)的。

RISC相對(duì)于CISC

其中一次大辯論在上世紀(jì)80年代和90年代中是否RISC或者CISC指令接近的部分設(shè)計(jì)是否正確。這個(gè)主意在RISC之后提供了個(gè)簡(jiǎn)單的指令用在平臺(tái)的復(fù)雜計(jì)算上，很快人們需要復(fù)雜指令的CISC為了他們自己的需要。

具體化的CISC設(shè)計(jì)是VAX，寫(xiě)VAX匯編和寫(xiě)高級(jí)代碼沒(méi)用太大不同。在稍后的VAX系統(tǒng)中，一些指令是微代碼，這些意味著分解在簡(jiǎn)單些的真是指令后就是 在實(shí)際硬件上運(yùn)行的。在VAX后，Digital發(fā)明了Alpha，這芯片相對(duì)的出色。Alpha有一個(gè)微指令集，但是運(yùn)行的異常快。在幾年里，它是可以 買(mǎi)到的最快的微處理器。甚至到現(xiàn)在，500強(qiáng)計(jì)算機(jī)中還有一些基于Alpha的，一個(gè)不好的事實(shí)是這種芯片不會(huì)在現(xiàn)今的開(kāi)發(fā)環(huán)境中超過(guò)五年。

在早些年，RISC做到很好。編譯器編寫(xiě)者喜歡這種芯片；它可以簡(jiǎn)單明白指令集，和它在構(gòu)建RISC指令集上比在CISC上更簡(jiǎn)單的了解復(fù)雜語(yǔ)言。

第一個(gè)問(wèn)題在RISC上的原理變得明顯改善在操作部分。早期RISC芯片沒(méi)有除法指令；一些甚至不能有乘法指令。相反的，他們創(chuàng)建了一連串的超過(guò)早期的指 令，像變換操作。這不是一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題；他們會(huì)僅復(fù)制一連串的指令以在機(jī)器結(jié)構(gòu)內(nèi)部完成除法，放一個(gè)宏指令在某些地方，用它像我們有一個(gè)除法指令時(shí)。這 樣一些人找到一個(gè)高效的方法使用除法。下一代CPU的除法指令執(zhí)行操作在幾個(gè)循環(huán)中，直到那些循環(huán)外部的數(shù)據(jù)執(zhí)行一系列的數(shù)據(jù)用起來(lái)像個(gè)代替品。這帶到更 遠(yuǎn)的一步是Intel最后一代核心的微代碼結(jié)構(gòu)。一些連續(xù)的簡(jiǎn)單的x86操作現(xiàn)在是一個(gè)簡(jiǎn)單的指令集合。

RISC原理的一些部分繼續(xù)存在。它一直 廣泛的被關(guān)注像是一個(gè)好主意在指令集的正交上，舉個(gè)例子，因?yàn)樘峁┏朔ㄟ\(yùn)算的方法做一件事是在浪費(fèi)硅晶體。不管怎樣，簡(jiǎn)單指令集的方法被列出。甚至現(xiàn)在的 PowerPC和SPARC芯片是占有了占有市場(chǎng)像RISC處理器一樣沒(méi)能意識(shí)到那些RISC創(chuàng)造的周期。

SIMD和更多

后來(lái)一個(gè)相對(duì)普通的特點(diǎn)在高性能計(jì)算機(jī)領(lǐng) 域，Pentium MMX是第一個(gè)x86芯片加入單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）指令集。這些指令精確列舉他們的建議，提供一種方法執(zhí)行同樣的數(shù)據(jù)乘法操作。稍后傳統(tǒng)（數(shù)量）指 令回去掉從另一處來(lái)的數(shù)據(jù)，SIMD對(duì)應(yīng)的能去掉四個(gè)數(shù)據(jù)從四個(gè)數(shù)據(jù)中，執(zhí)行同樣的操作在四次輸入上。這種運(yùn)算用在許多圖片和視頻程序上。

SIMD 指令加入CPU是相對(duì)便宜的，提供一個(gè)好的回報(bào)在投入上。如果你的進(jìn)程消耗你10％的CPU你要升級(jí)，你不太可能注意到這現(xiàn)在僅僅花費(fèi)5％。有過(guò)你有個(gè)進(jìn) 程占用了100％的CPU，你會(huì)很幸運(yùn)的注意到，如果原來(lái)需要10分鐘運(yùn)行的程序現(xiàn)在需要2分鐘。許多應(yīng)用SIMD的好處是從SIMD到后面的類(lèi)型——運(yùn) 行用了大量CPU能源——因此允許它們運(yùn)行的更快提供一個(gè)可察覺(jué)的改善。

超過(guò)SIMD，一些進(jìn)程有合適的指令進(jìn)行特定運(yùn)算。VIA的C3，舉個(gè)例 子，有些指令專(zhuān)門(mén)用于為AES加密運(yùn)算加速。C7加入了一些為SHA-1和SHA-256哈希運(yùn)算的加速。像圖形，關(guān)于密碼的計(jì)算典型的基于CPU。他們 像是更加重要在將來(lái)，像這樣的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，更多的機(jī)器和移動(dòng)設(shè)備上。這不是罕見(jiàn)的在偷竊時(shí)查看為一個(gè)便攜電腦硬件所進(jìn)行的AES加密運(yùn)算；加快AES 運(yùn)算在機(jī)器上用磁盤(pán)做更快。硬件加速密碼破譯不是新的。一些公司生產(chǎn)PCI卡形式的密碼加速器。

圖形處理單元（GPU）

后來(lái)只有一些電腦有一個(gè)專(zhuān)用的密碼加速卡，大部分有個(gè)圖形處理器。每代GPU越來(lái)越相同。這些天，GPU用在很多高性能計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，因?yàn)镚PU有龐大的計(jì)算能力。在效果上，GPU時(shí)個(gè)超標(biāo)量流頂點(diǎn)處理器，它并行處理一些SIMD指令流在很快。

在設(shè)計(jì)上，GPU和Pentium 4有許多相同的地方。他們都用了超長(zhǎng)管線允許他們一次使用許多指令。他們執(zhí)行起來(lái)很糟糕如果其中一個(gè)管線預(yù)報(bào)了錯(cuò)誤。這是Pentium 4的一個(gè)問(wèn)題直到這個(gè)支流被發(fā)現(xiàn)，平均大約每7個(gè)指令。它對(duì)于GPU不是大問(wèn)題，這樣的設(shè)計(jì)時(shí)為了執(zhí)行特殊運(yùn)算，不會(huì)陷入更多的錯(cuò)誤分歧中。

現(xiàn)在 的環(huán)境在PC世界中很像20年前。回到那時(shí)，電腦有幾個(gè)處理器時(shí)不尋常的，一個(gè)時(shí)我們?yōu)槭裁匆凶龅闹醒胩幚砥鳎–PU）。CPU的一般目的時(shí)計(jì)算和協(xié)調(diào) 與其他CPU的活動(dòng)。通常，工作站和高端昂貴PC有一個(gè)浮點(diǎn)處理器（FPU）進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算。始于80486，F(xiàn)PU同CPU在相同的領(lǐng)域消失了。另外的普 通加法運(yùn)算時(shí)內(nèi)存管理單元。這個(gè)單元控制物理和虛擬內(nèi)存之間的轉(zhuǎn)換；那些日子里，你很難找到CPU里沒(méi)用MMU單元的。一個(gè)現(xiàn)代電腦有一個(gè)CPU和并行的 浮點(diǎn)運(yùn)算器。它不需要很大的飛躍來(lái)想象Intel最終要把一個(gè)或兩個(gè)GPU核心加入CPU中。

在這點(diǎn)上，你或許想這是可能升級(jí)的范圍，因此它值得 向后退一步看CPU的發(fā)展。2005年，蘋(píng)果的便攜式電腦首次銷(xiāo)量上超過(guò)了臺(tái)式電腦。這依然在工業(yè)上跟隨。這個(gè)增長(zhǎng)范圍在移動(dòng)GPU的銷(xiāo)量上大大超過(guò)了在 桌面GPU上的銷(xiāo)量，Intel在CPU和GPU市場(chǎng)時(shí)最大的玩家。很少的人升級(jí)他們的GPU在便攜式電腦上。

浮點(diǎn)處理器，內(nèi)存控制單元和 頂點(diǎn)處理器已經(jīng)準(zhǔn)備加入現(xiàn)代的處理器中。數(shù)字信號(hào)處理單元（DSP）已經(jīng)加入了一部分?jǐn)?shù)量的處理器中，它們像是他們將要發(fā)現(xiàn)他們的方法不久在消費(fèi)者的 CPU中。第一次用到附加的晶體管時(shí)加入了許多執(zhí)行單元，制造深流水線和更寬的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，和更多的緩存?，F(xiàn)在我們加入整個(gè)同種的處理單元。盡管只有一些 級(jí)別透過(guò)范圍。這一步從單核到雙核是巨大的改善；在我的電腦的一個(gè)CPU上分配75％的CPU資源是少有的，更多普通的將要分配50％，將要在停止共享和 其他程序或核心之間。

從雙核到四核將會(huì)是一個(gè)非常小的改善，單仍有意義。當(dāng)年升級(jí)到32核或64核，事情就變得有趣了。它經(jīng)常是必須的寫(xiě)線程代碼 在某些程度上并且使用起來(lái)不能有很多漏洞。這些應(yīng)用一個(gè)異步信息很容易，接近于穿過(guò)，但是流行的桌面開(kāi)發(fā)環(huán)境API沒(méi)有設(shè)計(jì)圍繞這個(gè)模式。在實(shí)際上，很少 的桌面軟件用到這些。一些例如，視頻編輯。舉例子，能吃掉不少拋出的像你將來(lái)預(yù)料到的CPU資源。已經(jīng)收縮的高端性能將會(huì)繼續(xù)。那些日子里，一些人主意到 1GHz Athlon和3GHz Core 2 Duo的區(qū)別在絕大多數(shù)時(shí)候。一些人需要最快的電腦可買(mǎi)到的已經(jīng)相當(dāng)小。需要中檔速度機(jī)器的人的數(shù)量將要收縮。

移動(dòng)計(jì)算和精確數(shù)據(jù)中心的繼續(xù)增長(zhǎng)，電的消耗變得更加重要。猜想一個(gè)32核CPU允許你關(guān)閉核心當(dāng)你不使用它的時(shí)候。在移動(dòng)領(lǐng)域，你大概最好需要2到3個(gè)核心。

不同類(lèi)型核心的CPU

如果你只有一少部分核心在你的進(jìn)程上，你就開(kāi)始驚嘆為什么它們存在。少數(shù)應(yīng)用程序需要所有核心為了加快運(yùn)行速度在專(zhuān)門(mén)的硬件上，因此我們用什么代替它？

我們開(kāi)始看這個(gè)將要形成的趨勢(shì)。例子包含了蘋(píng)果的Core視頻；它將會(huì)運(yùn)行在你的CPU上如果你需要，它有在CPU的頂點(diǎn)單元如果有，或者GPU需要更快。 OpenSSL將會(huì)運(yùn)行在密碼加速卡上如果它存在，或者運(yùn)行在CPU上如果它沒(méi)有。存在于普通運(yùn)算的抽象接口是一種功能使它更加容易在硬件上執(zhí)行；只有一 些小的變化是必須使用一些功能的優(yōu)勢(shì)。我們看到OpenGL上的一些相同的東西；頂點(diǎn)變換和光線運(yùn)算在圖形硬件上必須有個(gè)新驅(qū)動(dòng)要寫(xiě)，但是不能修改現(xiàn)行的 應(yīng)用代碼。最重要的，專(zhuān)用的硅制造的硬件的效率比一般用途的硬件效率高在未來(lái)的工作上，電能的消耗像是更少。

如果讓硅進(jìn)入太空，為什么沒(méi)有讓一個(gè) CPU進(jìn)入死亡？一個(gè)密碼加速器呢？專(zhuān)用硬件在其它昂貴的邏輯計(jì)算上如何？當(dāng)他們不用時(shí)，你可以關(guān)閉他們。當(dāng)年需要時(shí)，他們將會(huì)占用一點(diǎn)能源允許同樣的計(jì) 算在普通硬件上，第一步這里整合了FPU和SIMD單元。下一步將要像整合GPU那樣在一起。超越這些，它好像關(guān)系到大多數(shù)專(zhuān)用硬件的優(yōu)勢(shì)。在一些實(shí)例 上，我們將會(huì)簡(jiǎn)單的看到擴(kuò)展的基本指令集（像發(fā)生在浮點(diǎn)和SIMD指令的）提供運(yùn)算一些在邏輯上的傳統(tǒng)運(yùn)算。終于，我們看起來(lái)像是那些引申的超過(guò)單指令。

我看起來(lái)有個(gè)主意是封裝到FPGA中像是十分動(dòng)人的。這將允許許多靈活的運(yùn)算，但是像一個(gè)有意義的能源消耗。

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