多核設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)激烈異構(gòu)架構(gòu)漸行

隨著各類用戶對(duì)提升處理器性能的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，多核這一始于服務(wù)器高端領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)始逐漸升溫；65納米技術(shù)的應(yīng)用更是為多核走向個(gè)人電腦、消費(fèi)電子">消費(fèi)電子等領(lǐng)域鋪平了道路。Intel公司現(xiàn)任CEO歐德寧在2004年秋天宣布，Intel公司將重心轉(zhuǎn)向多核處理器市場(chǎng)時(shí)，也正式揭開(kāi)了一場(chǎng)多核處理器新市場(chǎng)的序幕。Intel中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)洪力曾表示，2006年，雙核處理器將成為市場(chǎng)主流，非雙核產(chǎn)品將逐漸淡出。他預(yù)測(cè)，到2006年年底，雙核產(chǎn)品市場(chǎng)占有率有望超過(guò)非雙核產(chǎn)品。除Intel和多內(nèi)核處理器的鼻祖SunMicrosystem外，IBM、AMD等眾多微處理器廠商也都相繼加入到了多核大戰(zhàn)之中。


架構(gòu)變遷

簡(jiǎn)單地說(shuō)，多核處理器就是將多個(gè)計(jì)算內(nèi)核集成在一個(gè)處理器中，從而提高計(jì)算能力。當(dāng)系統(tǒng)中有很多處理器時(shí)，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)運(yùn)行，這種方法可用來(lái)提高絕對(duì)性能或性價(jià)比。

而隨著技術(shù)的成熟，多核處理器近兩年發(fā)生的一個(gè)最顯著的變化就是架構(gòu)的變遷——那就是多核架構(gòu)從通用的對(duì)等設(shè)計(jì)遷移到“主核心+協(xié)處理器”的異構(gòu)架構(gòu)，即處理器中只有一個(gè)或數(shù)個(gè)通用核心承擔(dān)任務(wù)指派功能，而諸如協(xié)處理器、加速器和外設(shè)等功能都可以由專門的DSP硬件核心來(lái)完成，由此實(shí)現(xiàn)處理器執(zhí)行效率和最終性能的最大化。

我們知道，Intel最初的四核處理器采用的就是對(duì)等設(shè)計(jì)，即每個(gè)內(nèi)核地位相同。而在2005年的IDF技術(shù)峰會(huì)上，Intel對(duì)外公布了ManyCore超多核發(fā)展藍(lán)圖。ManyCore采用的就是“主核心+協(xié)處理器”的異構(gòu)架構(gòu)，其中的某一個(gè)或幾個(gè)內(nèi)核可以被置換為若干數(shù)量的DSP邏輯，保留下來(lái)的X86核心執(zhí)行所有的通用任務(wù)以及對(duì)特殊任務(wù)的分派。

而IBM、索尼和東芝等聯(lián)手為游戲打造的強(qiáng)大“細(xì)胞”芯片Cell正是這種新型異構(gòu)架構(gòu)的典范，它是一枚擁有9個(gè)硬件核心的多核處理器。在Cell芯片中，只有一個(gè)是IBM標(biāo)準(zhǔn)的Power處理器，其余8個(gè)內(nèi)核都是為處理圖像而專門設(shè)計(jì)的、用于浮點(diǎn)運(yùn)算的協(xié)處理器。其中，主處理器的主要職能就是負(fù)責(zé)任務(wù)的分配，實(shí)際的浮點(diǎn)運(yùn)算工作都是由協(xié)處理器來(lái)完成。由于Cell中的協(xié)處理器只負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算任務(wù)，所需的運(yùn)算規(guī)則非常簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)的電路邏輯同樣如此，只要CPU運(yùn)行頻率足夠高，Cell就能夠獲得驚人的浮點(diǎn)效能。而由于電路邏輯簡(jiǎn)單，主處理器和協(xié)處理器都可以輕松工作在很高的頻率上——Cell起步頻率即達(dá)到4GHz就是最好的證明。在高效率的專用核心和高頻率的幫助下，Cell可以獲得高達(dá)256Gigaflops（2560億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒）的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，接近超級(jí)計(jì)算機(jī)的水準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越目前所有的X86和RISC處理器。這正是異構(gòu)架構(gòu)所帶來(lái)的好處、

在本期“嵌入式多核設(shè)計(jì)”專題中，TI和ARM的文章將分別就這種異構(gòu)架構(gòu)的多核設(shè)計(jì)和調(diào)試等問(wèn)題進(jìn)行探討。


需要多核嗎？

盡管眾廠商都在追捧多核處理器，但也有人對(duì)它提出質(zhì)疑。理論上，多核處理器架構(gòu)具有無(wú)窮的可擴(kuò)展性。如果有多余的內(nèi)核，設(shè)計(jì)者總是想再增加一個(gè)。增加一個(gè)內(nèi)核雖然會(huì)帶來(lái)性能提升，但SoC中增加的每個(gè)處理器內(nèi)核都會(huì)增加芯片面積，因而MIPS科技更加看好多線程技術(shù)，公司科技工程副總裁PatHays博士說(shuō)：“多核技術(shù)并不能從根本上解決存儲(chǔ)器的瓶頸問(wèn)題，相反對(duì)于多核處理器，處理器多了以后，反而增加了面積和功耗。就共享存儲(chǔ)而言，我們更傾向于多線程技術(shù)。在多線程處理器中，當(dāng)一個(gè)線程停止時(shí)，其它線程立刻進(jìn)入流水線開(kāi)始執(zhí)行，使應(yīng)用吞吐能力顯著增加?！?

PatHays博士認(rèn)為，從面積和能量效率的角度來(lái)說(shuō)，最理想的SoC處理器解決方案應(yīng)當(dāng)使用多線程內(nèi)核作為最基本的處理單元，如果應(yīng)用需要比單內(nèi)核所提供的更高的性能，可在多核配置中復(fù)制這些單元。

TI公司軟件與開(kāi)發(fā)工具工程師BruceLee也認(rèn)為，多核處理器并不適合所有場(chǎng)合。他說(shuō)，隨著處理器功能日益增多，某些多內(nèi)核設(shè)計(jì)可以回退到較傳統(tǒng)的單內(nèi)核設(shè)計(jì)，如單個(gè)DSP、GPP或FPGA。而且，多內(nèi)核SoC可能并不適合單功能設(shè)備，如：無(wú)線電監(jiān)控設(shè)備(radiocontrolwatch)或助聽(tīng)器。此外，對(duì)于那些不需要過(guò)多考慮功耗問(wèn)題的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員一般會(huì)提高時(shí)鐘頻率，以便獲得執(zhí)行單內(nèi)核處理的各種任務(wù)所需要的處理功率，而不一定要用多核產(chǎn)品。