單顆芯片上的超級計算

1、單顆芯片上的超級計算引 :位于美國 Austin 的 Texas大學(xué)的計算機(jī)科學(xué)家們正 在設(shè)計一種革命性的微處理器架構(gòu)，它將解決目前處理器設(shè) 計者所面臨的一些最棘手的問題，例如工作負(fù)載過重以及發(fā) 熱量過大等。這項(xiàng)研究由美國國防部資助，如果研制成功，它將為處理 器的性能和靈活性帶來前所未有的飛躍。據(jù)悉，這種有望在 2012 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的新型微處理器， 將實(shí)現(xiàn)每秒一萬億次的 運(yùn)算速度。挖掘多核處理器的優(yōu)勢在過去幾十年間，芯片中半導(dǎo)體元件的數(shù)量至少每兩年 就翻一番，并且微處理器設(shè)計者都可以充分利用這些為斷進(jìn) 步的半導(dǎo)體元件。先進(jìn)的電路設(shè)計使用了程序流程預(yù)測以及 隨機(jī)測試來建立復(fù)雜的指令“流水線”

2、，通過讓處理器同時 執(zhí)行多條指令，提高其運(yùn)算能力。但是隨著電路設(shè)計復(fù)雜程 度和芯片發(fā)熱量的上升，這種設(shè)計模式將會走到盡頭。處理 器制造商開始另辟蹊徑，不再制造更快的處理器內(nèi)核，而是 將多個內(nèi)核放到同一塊芯片上。Texas大學(xué)計算機(jī)科學(xué)教授 Doug Burger 說，多內(nèi)核設(shè)計 面臨的問題是：要想發(fā)揮多內(nèi)核的優(yōu)勢，程序設(shè)計人員必須 編寫出能夠進(jìn)行并行處理的程序，在某些情況下這是非常困 難甚至不可能實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在處理器面臨的障礙是，某些情況 下程序無法編寫。要想克服這個障礙，關(guān)鍵要看軟件設(shè)計者 的努力，程序員必須為這樣的處理器設(shè)計出相應(yīng)的程序。Burger 和他的同事計劃通過全新的微處理器和指令集

3、架 構(gòu)來解決這個問題，項(xiàng)目的名稱為 Trips（Tera-op Reliable Intelligently Adaptive Processing System ，每秒萬億次運(yùn)算的 可靠智能適應(yīng)處理系統(tǒng) ），其目標(biāo)是充分發(fā)揮并行運(yùn)算的優(yōu)勢 （不管程序是如何設(shè)計的 ） 。Trips 為實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)使用了多種技術(shù)。首先， Trips 的 編譯器將指令以“指令包”的形式發(fā)送給處理器，每個指令 包內(nèi)含有 128 條指令。處理器每次執(zhí)行一個指令包中的所有 指令，就如同執(zhí)行一條指令一樣，這樣可以大大緩解與指令 的處理和列隊(duì)相關(guān)的工作量。其次，每個指令包內(nèi)部包含的指令以“數(shù)據(jù)流”的形式 出現(xiàn)，也就是說只要

4、輸入數(shù)據(jù)抵達(dá)，指令會立刻執(zhí)行，而不是按編譯器或者程序員設(shè)計的流程執(zhí)行。 “從本質(zhì)上說，數(shù) 據(jù)是從指令上流過去的， ” Steve Keckler 解釋說，他也是一 位計算機(jī)科學(xué)教授，和 Burger 一起領(lǐng)導(dǎo) Trips 項(xiàng)目。提高效率另外一種技巧是， 在每個指令包內(nèi)部， Trips 編譯器能夠 將兩條在不同路徑上的指令合并為一個，前提是它們的目標(biāo) 數(shù)和運(yùn)算符相同。與比較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)流設(shè)計模式相比， “我 們的數(shù)據(jù)流模式更好，編譯器能夠輸出更加緊密、更加高效 的代碼，”負(fù)責(zé) Trips 項(xiàng)目編譯器設(shè)計的 Kathryn McKinley 說。最終，數(shù)據(jù)流的執(zhí)行通過“直接目標(biāo)編碼”實(shí)現(xiàn)，也就 是一

5、條指令的執(zhí)行結(jié)果直接作為需要這個結(jié)果的下一條執(zhí) 行的輸入，而不需要臨時存儲到中央寄存器中。這樣將會進(jìn) 一步降低處理器的性能耗費(fèi)，提高計算速度。與提高處理器 性能的傳統(tǒng)方式 （提高時鐘頻率以及實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的流水線 ）相 比，通過上述這些技術(shù)提高性能帶來的功耗增加比較少。在設(shè)計多內(nèi)核處理器的過程中，如何處理功耗問題一直 是處理器設(shè)計者面臨的一大挑戰(zhàn)。 Austin 的 Coherent Logix 公司的工程副總裁 Mark McDermott 以前曾經(jīng)是 Intel 公司工 程師，他說：“注意一下 Pentium 處理器你會發(fā)現(xiàn)， 處理器中 含有大量的控制邏輯、用于控制的元器件，他們不執(zhí)行運(yùn)算 操

6、作， 但是會消耗電力。 Trips 的設(shè)計目標(biāo)之一就是要將原本 由處理器完成的部分復(fù)雜工作交給編譯器來完成。 ”他認(rèn)為， Trips 真正發(fā)揮作用的領(lǐng)域是非常高性能的數(shù)據(jù)流嵌入式計 算，比如軟件無線電。但不知道是否存在更好的解決方案， 因?yàn)橄嚓P(guān)的研究還有很多。根據(jù) Trips 設(shè)計者的看法， Trips 的數(shù)據(jù)流技術(shù)可以很好 地支持軟件中常見的三種并行處理情況，分別是指令級、線 程級以及數(shù)據(jù)級。 正因?yàn)檫@個原因， Trips 被認(rèn)為是“多態(tài)的”， 也就是說它能夠在多種不同類型的應(yīng)用程序中表現(xiàn)出 色科學(xué)計算、商業(yè)應(yīng)用以及嵌入式應(yīng)用。這恰恰就是 DARPA( 美國國防部高級研究項(xiàng)目機(jī)構(gòu) )在 其多

7、態(tài)計算架構(gòu) (Polymorphous Computing Architectures) 項(xiàng)目 中所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。 DARPA 為 Trips 項(xiàng)目投入了 1540 萬美 元資金，要求設(shè)計出在很多應(yīng)用領(lǐng)域中都能達(dá)到每秒鐘 1 萬 億次運(yùn)算速度的處理器。商業(yè)化前景及日程Texas 大學(xué)將把 Trips 的設(shè)計方案提交給 IBM 來制造原 型產(chǎn)品，并在 2006年 2月份交付給 Texas大學(xué)。這款原型產(chǎn) 品有兩個內(nèi)核，每個內(nèi)核可以同時執(zhí)行16 條指令。Keckler 說，該產(chǎn)品的運(yùn)行時鐘頻率為 500MHz ，每秒鐘 能夠執(zhí)行 160 億次運(yùn)算。Texas 大學(xué)將會向企業(yè)尋求幫助以對產(chǎn)品進(jìn)行商業(yè)

8、化， 同時計劃在 2012 年時生產(chǎn)出滿足 DARPA 要求的產(chǎn)品， 即運(yùn) 行頻率為 10GHz 、每秒鐘執(zhí)行 1 萬億次運(yùn)算。“我們對產(chǎn)品的商業(yè)化很感興趣，并且正在積極尋找商 業(yè)化合作伙伴， ”Burger 說。廣泛的商業(yè)化也是 DARPA 的愿 望。這種產(chǎn)品具有多態(tài)性的特點(diǎn)，因此美國國防部有可能會 購買這種價格低廉、可以立刻投入使用的產(chǎn)品。目前該部在 一些系統(tǒng)中使用了專門定制的特殊處理器，它們有可能被這 種產(chǎn)品代替。AMD 公司的資深員工 Chuck Moore 認(rèn)為 Trips 具有廣闊 的前景：“它的概念和代碼的實(shí)際執(zhí)行方式高度一致， Trips 的多態(tài)特性可以讓它在各種類型的工作應(yīng)用

9、中有出色表 現(xiàn)?！彼€認(rèn)為，要想成為主流的商業(yè)處理器， Trips 面臨的 一大挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有軟件和系統(tǒng)的兼容，尤其和 x86 兼容。他預(yù)計，實(shí)現(xiàn)兼容的一種途徑是將 Trips 作為協(xié)處理 器使用。“通用處理器 （x86 處理器 ）可以將繁重的工作負(fù)擔(dān)交 給協(xié)處理器完成，而自己完成保持兼容的工作” ，他說。盡管 Trips 技術(shù)很有前途，但是 Moore 仍然謹(jǐn)慎地說： “從市場的層面上看，引入全新的東西往往是非常微妙的。 這意味著它必須首先進(jìn)入某個高端市場，并在那里展示自己 的優(yōu)勢。它必須能夠在一些關(guān)鍵的市場上證明自己的使用價 值，才有可能得到更廣泛的應(yīng)用。 ”Trips 編譯器Tri

10、ps 的神奇之處不僅僅是硬件，還有軟件。這里說的軟件其實(shí)就是指 Trips 的 C 語言以及 Fortran 語 言編譯器。編譯器的設(shè)計目標(biāo)是：通過使用創(chuàng)新技術(shù)，一方 面提高處理器的性能，另一方面又不至于增加程序設(shè)計者的 負(fù)擔(dān)?！拔覀兿嘈牛?Trips 在分配編譯器和硬件所應(yīng)承擔(dān)的任 務(wù)方面達(dá)到了很好的平衡， ”Trips 項(xiàng)目編譯器負(fù)責(zé)人 Kathryn McKinley 說。在早先的數(shù)據(jù)流架構(gòu)中， 例如 MIT 在 1970 和 1980 年代開發(fā)的架構(gòu)，必須要用專門的編程語言簡化編譯器。 “但是 Trips 將數(shù)據(jù)流限制為固定尺寸的指令包， 與早期的數(shù)據(jù)流架 構(gòu)相比可以極大地簡化編譯器的工作， ” Mckinley 說。不過她同時補(bǔ)充說： “我們還沒有完成工作。一些傳統(tǒng) 的優(yōu)化