24核中國(guó)“芯”降生復(fù)旦

　　近日，由復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的24核“復(fù)芯”處理器被國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)2013年會(huì)正式錄用，并將于2月在美國(guó)舊金山舉辦的年會(huì)上面向全球發(fā)布。這是我國(guó)計(jì)算機(jī)處理器研究的又一重大突破，引起了人們和媒體的關(guān)注。那么，處理器多核(心)是什么概念?24核的優(yōu)越性是什么?處理器的核數(shù)是否會(huì)有更大的增加?請(qǐng)專家來為我們解讀。

　　4GHz已成單核極限性能再提升靠多核協(xié)同

　　問：您的團(tuán)隊(duì)研制出了24核的處理器，首先的一個(gè)問題關(guān)于計(jì)算機(jī)處理器，它在計(jì)算機(jī)中起到什么作用?

　　虞志益：計(jì)算機(jī)的處理器稱為CPU，即中央處理單元，作用類似于人大腦，因?yàn)樗?fù)責(zé)處理、運(yùn)算計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，接受程序發(fā)出的指令到控制單元，經(jīng)過運(yùn)算器的邏輯運(yùn)算，把數(shù)據(jù)結(jié)果放到寄存器上，然后輸出。從結(jié)構(gòu)上說，如果把CPU比作“工廠”，那么這個(gè)工廠由控制器、運(yùn)算器和存儲(chǔ)單元三大“車間”組成，每個(gè)車間又由多個(gè)小車間組成，如控制器中包括程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序產(chǎn)生器等。目前平板電腦、智能手機(jī)已普遍上市，它里面的處理器功能大體上和計(jì)算機(jī)的CPU相似。

　　問：衡量一個(gè)處理器優(yōu)劣的標(biāo)志是什么?

　　虞志益：對(duì)處理器的要求當(dāng)然是要有更強(qiáng)大的計(jì)算能力，表現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大量的數(shù)據(jù)處理，直觀上看就是運(yùn)行速度的提升。此外，也關(guān)注功耗，在保證性能的前提下希望功耗越小越好。

　　問：現(xiàn)在市面上已有雙核、4核處理器，多核(心)處理器的“核”是什么? “核”越多越強(qiáng)大嗎?

　　虞志益：多核(心)是指在一個(gè)芯片上集成多個(gè)處理器核，而各種處理器核一般都具有固定的邏輯結(jié)構(gòu)：指令級(jí)單元、執(zhí)行單元、一級(jí)緩存(L1)、二級(jí)緩存(L2)、存儲(chǔ)器及其控制單元、總線接口等，一般各個(gè)核心有獨(dú)立的一級(jí)緩存，但共享二級(jí)緩存，同時(shí)也共享存儲(chǔ)器、外設(shè)。多核設(shè)置，形象地理解，就是把很多個(gè)單核連起來，協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算和處理能力的提升。

　　問：?jiǎn)魏艘训綐O限了嗎?

　　虞志益：CPU最初是單核的，增強(qiáng)運(yùn)算能力的主要途徑是提高主頻。主頻標(biāo)志著每單位時(shí)間內(nèi)CPU能夠執(zhí)行運(yùn)算指令的數(shù)量，所以被不斷攀升，21世紀(jì)初的幾年先后達(dá)到了1GHz、2GHz，2002年達(dá)到了3GHz。但是再往上提升就遇到困難了，其中最大的瓶頸在于主頻不斷攀升所引起的發(fā)熱量增長(zhǎng)、功耗增加，當(dāng)CPU主頻達(dá)到2GHz以上的時(shí)候，功耗也達(dá)到了近100W，這已是目前風(fēng)冷散熱技術(shù)的極限，同時(shí)成本增加、讀取和存儲(chǔ)的性能提升卻趨于緩慢，因此4GHz左右的CPU成為單核發(fā)展的極限，依靠不斷提高處理器頻率提升系統(tǒng)性能的時(shí)代即將成為過去。

　　不是簡(jiǎn)單的性能翻倍多核存在“內(nèi)耗”問題

　　問：但是計(jì)算機(jī)承擔(dān)的任務(wù)越來越多，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要處理的數(shù)據(jù)流量越來越大，對(duì)運(yùn)算處理能力的要求不斷提升，處理器就必須發(fā)展“多核”了吧?

　　虞志益：是的，互聯(lián)網(wǎng)高帶寬、大流量的發(fā)展趨勢(shì)飛速發(fā)展，正如網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)著名的“吉爾德定律”預(yù)言，在未來20多年內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)帶寬將平均6個(gè)月增長(zhǎng)一倍，其增長(zhǎng)速度是“摩爾定律”預(yù)測(cè)的單核CPU理論增長(zhǎng)速度(18個(gè)月增一倍)的3倍，雖然這是預(yù)測(cè)，但是互聯(lián)主干網(wǎng)增長(zhǎng)速度比CPU的增長(zhǎng)速度要快得多已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，更何況單核處理器提升遇困境。這就好比一個(gè)郵局，每天接收成千上萬來自四面八方的包裹，但只有一名快遞員工，縱使這名員工技術(shù)再嫻熟，他的工作效率也是有限的。那就多用幾個(gè)員工——“多核”登場(chǎng)成為必然。 1996年美國(guó)斯坦福大學(xué)首次提出片上多處理器(CMP)思想和首個(gè)多核結(jié)構(gòu)原型，2001年IBM公司推出第一個(gè)商用多核處理器Power4，2005年 Intel和 AMD多核處理器的大規(guī)模應(yīng)用，使多核成為市場(chǎng)主流。

　　問：目前市場(chǎng)上已常見雙核，還出現(xiàn)了4核、8核、16核，您的團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了24核的突破，那么核數(shù)的增加會(huì)使處理性能也增加相應(yīng)的倍數(shù)嗎?

　　虞志益：理想的情況是增加相應(yīng)的倍數(shù)，但是往往會(huì)有折扣，這個(gè)“折扣”的多少取決于整個(gè)處理器核間并行處理技術(shù)水平的高低。比如雙核已經(jīng)發(fā)展最早，但到目前，不管是IBM、Intel還是AMD，其雙核的性能都達(dá)不到其單核性能的兩倍，更別說4核、8核了。因?yàn)樘幚砥髦泻说臄?shù)目增加時(shí)，要面臨更多的挑戰(zhàn)，諸如核間通信、存儲(chǔ)器體系、軟硬件協(xié)調(diào)等，其中最主要的就是如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)內(nèi)核之間相連、協(xié)作和通信，確保高效，所以，核間通信結(jié)構(gòu)研究正是目前學(xué)術(shù)界關(guān)注的重點(diǎn)。這個(gè)也好理解，攤子一大、干活的人一多，就形成一個(gè)系統(tǒng)了，誰承擔(dān)哪一部工作、如何分配，各成員之間如何既聯(lián)系又各司其職，公平有序地完成任務(wù)，就是突出的問題了，表現(xiàn)在處理器上就是硬件上的協(xié)調(diào)問題，而軟件程序上如何保證數(shù)據(jù)在核間的分配和處理，而不是總在一個(gè)核里運(yùn)行，如現(xiàn)在 4核CPU已經(jīng)上市，但是針對(duì)4核優(yōu)化的應(yīng)用軟件寥寥可數(shù)。這些關(guān)鍵點(diǎn)都需很好的解決，是多核發(fā)展的瓶頸。

　　問：大家都在這方面尋求著突破嗎?

　　虞志益：是的，因?yàn)椴⒉皇嵌嗪说暮?jiǎn)單并列，它們互連之后會(huì)出現(xiàn)許多問題，所以提出一種行之有效的核間互連通信方式將對(duì)多核處理器的性能發(fā)展至關(guān)重要，但目前還沒有一個(gè)完全成熟的技術(shù)，特別是到了8核以上，各種多核互連算法和架構(gòu)的技術(shù)處于研究之中，但大多數(shù)還無法使用到實(shí)際的產(chǎn)品中去。

　　多核可助CPU“降壓”未來核心數(shù)有望破百

　　問：復(fù)旦在24核上的突破采用的是什么獨(dú)特技術(shù)?

　　虞志益：復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)研究的突破點(diǎn)在于提出了創(chuàng)新性的多核處理器核間通信的方案。從2009年起，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行16核“復(fù)芯”處理器的研究，設(shè)計(jì)出“簡(jiǎn)單而高效的融合消息傳遞和共享存儲(chǔ)方案”。形象的說是這樣工作的：在16核芯片這個(gè)精心設(shè)計(jì)的“生產(chǎn)車間”里，16名“員工”被分成兩組，被稱為兩個(gè)“簇”。每組8個(gè)“員工”，被命名為“PCore”，它們分別占據(jù)2個(gè)九宮格的外圍。九宮格的中心是一個(gè)名叫“MCore”的共享存儲(chǔ)器，它的功能相當(dāng)于“員工”之間的“寄存總臺(tái)”。 “員工”與“總臺(tái)”之間都有雙向的“傳送帶”相連接。去年底，又在24核處理器方面取得研究成果，采用了多個(gè)新的技術(shù)，包括采用包控制電路交換的雙層片上網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)一步提升多核的核間通信能力，以及異構(gòu)執(zhí)行單元陣列來加速某些關(guān)鍵應(yīng)用。所謂“片上網(wǎng)絡(luò)”技術(shù)，就是芯片上多核之間的通信可以類比于互聯(lián)網(wǎng)上許多計(jì)算機(jī)之間的通信，通過這種將類似“互聯(lián)網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)“建設(shè)”在芯片上，可以迅速組成芯片內(nèi)多個(gè)“核”之間的高速信息交互通路，極大地提高核間通信效率，從而提高這個(gè)多核處理器的工作效率。

　　問：這個(gè)24核將應(yīng)用在哪些地方，是手機(jī)還是筆記本，還是大型服務(wù)器? 24核何時(shí)能走向市場(chǎng)?

　　虞志益：多核在路由器、PC、智能手機(jī)等上都可用，24核面向的對(duì)象主要還是相對(duì)專業(yè)的領(lǐng)域，如應(yīng)用于通信及多媒體領(lǐng)域，這需要加快產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，形成成熟的產(chǎn)業(yè)化渠道，讓研發(fā)成果盡快走進(jìn)尋常百姓家，滿足人們使用電腦更高效工作的愿望。

　　問：隨著核心數(shù)量的增多，性能是提高了，那么，是否同時(shí)會(huì)使功耗變大?如果耗能很大，應(yīng)用在手機(jī)等上面，那么電池是否有足夠的電量支持較長(zhǎng)久運(yùn)行?

　　虞志益：核數(shù)量的增多帶來能耗增加確實(shí)是一個(gè)必須解決的問題，否則應(yīng)用會(huì)受到影響。通過降電壓來降低能耗是解決的一個(gè)辦法，而性能卻不會(huì)受到大影響。電壓與功率是平方關(guān)系，比如電壓降為一半，功耗就變成原來的1/4，其性能方面的損失可以用多核并行方式來彌補(bǔ)。

　　問：那么，未來處理器可以發(fā)展到多少核，上百個(gè)核集中在一個(gè)芯片上是否也有可能?對(duì)處理器芯片研究總體而言，我國(guó)的處理器芯片研制是否與世界最先進(jìn)的如Intel等還有差距?

　　虞志益：多核處理器是未來處理器商用化的一個(gè)重要趨勢(shì)和方向，核數(shù)可能會(huì)在推動(dòng)下不斷增加，不僅可以出現(xiàn)24核，可能會(huì)朝48核、64核甚至上百個(gè)核邁進(jìn)。其實(shí)Intel已經(jīng)有了48核的產(chǎn)品，只不過這些處理器效能的穩(wěn)定性還沒有過關(guān)，關(guān)鍵是多核處理器“核間通信”的架構(gòu)技術(shù)還不成熟。未來新材料、新工藝如光互連等的發(fā)展和應(yīng)用，可能會(huì)給這種多核架構(gòu)技術(shù)帶來更大的提升空間。我國(guó)的處理器芯片研制水平在近幾年有著長(zhǎng)足的進(jìn)步，在一些技術(shù)上有優(yōu)勢(shì)，并有了如龍芯等這樣著名的處理器芯片。但以整體研發(fā)、研制能力來說，我國(guó)的處理器研制水平與Intel等還有很大的差距，產(chǎn)品在市場(chǎng)只占很小的市場(chǎng)份額，這需要付出百倍的努力去追趕。