多核設(shè)計(jì)需要考慮的問題

為什么要采用多核呢？如果設(shè)計(jì)一款兩倍于原來大小的處理器，性能并會(huì)不增加到原來的兩倍，性能大概只會(huì)作平方根的增長(zhǎng)，所以尺寸加倍并不會(huì)帶來同等數(shù)量級(jí)的性能增長(zhǎng)，只會(huì)帶來大概1.4倍于原來的性能，即增長(zhǎng)40%。這個(gè)被稱為Pollack定律(由英特爾工程師Fred Pollack定義)，在單核系統(tǒng)中已經(jīng)得到了證明。而芯片制造商力圖采用多個(gè)核心來提高性能和速度提升的系數(shù)。

但設(shè)計(jì)一個(gè)多核系統(tǒng)面臨一些新的挑戰(zhàn)。

通信的鴻溝

核心之間的通信也許是最關(guān)鍵的問題，因?yàn)樵谝恍┫到y(tǒng)中會(huì)起到至關(guān)重要的作用。無需特別的測(cè)量，一般通信量的增加與核心的數(shù)量n是一個(gè)二次方程(n+1)*n/2的關(guān)系，因此一個(gè)四核系統(tǒng)在通信數(shù)據(jù)量上相比單核系統(tǒng)會(huì)有成十倍的增加，一個(gè)16核系統(tǒng)會(huì)增加到原來的136倍，一個(gè)256核系統(tǒng)會(huì)增加超過32,000倍！因此一個(gè)核心之間的靈活的通信系統(tǒng)對(duì)于多核系統(tǒng)的工作是最基本的。

有幾個(gè)解決方案是采用中心存儲(chǔ)器來緩沖，不過當(dāng)所有的處理器核都與存儲(chǔ)器進(jìn)行內(nèi)部通信時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。一般會(huì)采用信息包開關(guān)網(wǎng)絡(luò)或其他架構(gòu)。

我們可以做一個(gè)有趣的類比，假設(shè)這是一個(gè)人類組織，如果人數(shù)增多，交流就會(huì)變得困難，甚至?xí)砥款i。如果是一個(gè)2個(gè)人或4個(gè)人的小團(tuán)體，交流起來就簡(jiǎn)單得多，如果人數(shù)超過20個(gè)或更多，就需要一個(gè)更有效的交流架構(gòu)，比如每周例會(huì)、技術(shù)小組等等。

實(shí)踐表明一個(gè)6到8個(gè)人的小組是最為有效的。更大的小組需要合理的架構(gòu)和其他形式的咨詢和協(xié)作。在多核系統(tǒng)中也是一樣的道理。

人為設(shè)計(jì)因素

人為設(shè)計(jì)因素同樣會(huì)影響多核系統(tǒng)的架構(gòu)。在1990年我曾經(jīng)在荷蘭埃因霍溫作個(gè)一個(gè)技術(shù)講演，我將設(shè)計(jì)分解為一個(gè)一個(gè)的模塊和模塊之間的互聯(lián)。同樣，連接的數(shù)目也同模塊數(shù)是一個(gè)二次方程的關(guān)系。

解決復(fù)雜問題的方法是應(yīng)用和歸納概念的能力。這里，一些元件被看成是宏元件。

自下而上的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的分解和構(gòu)造各個(gè)元件直到達(dá)到最基本的構(gòu)成 -- 邏輯門或是運(yùn)算單元，例如，采用分級(jí)的方法，復(fù)雜的二次方程問題可以簡(jiǎn)化為線性問題。

在設(shè)計(jì)一個(gè)多核系統(tǒng)中完成通信和設(shè)計(jì)復(fù)雜性的管理，選擇合適的架構(gòu)、設(shè)計(jì)思想、工具的應(yīng)用等等都非常重要。

功耗的平衡

降低多核系統(tǒng)的功耗和散熱處理是工程師面臨的另一個(gè)主要的問題。降低功耗可以通過限制每個(gè)核心的運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，稱為"voltage scaling" -- 每個(gè)核心的頻率和供電電壓可以根據(jù)每個(gè)處理核的任務(wù)運(yùn)算兩來進(jìn)行功耗優(yōu)化。

另一個(gè)要考慮的因素是可以由進(jìn)程推斷的并行處理的數(shù)量，如果并行運(yùn)算很少，采用多核來處理也就沒有什么優(yōu)勢(shì)。

多線程是處理并行運(yùn)算的一個(gè)方法。在通信處理器里面寫軟件是另一個(gè)方法。這些技術(shù)由特殊的運(yùn)算支持，以維持系統(tǒng)的精確度和一致性。

作者：Cees Jan Koomen是皇家飛利浦公司的前執(zhí)行官，目前致力于多家初創(chuàng)公司的投資、風(fēng)險(xiǎn)投資和建設(shè)荷蘭的生態(tài)系統(tǒng)。