處理器：更多，更快、更方便

高度并行化處的處理器目前有望達到每秒萬億次運算的性能水平。而可編程性成為這些處理器超越硬連線加速器的優勢，但目前尚不清楚的是，除了數據密集型的工作外，這樣一塊集中了數以百計的內核的芯片是否也可以造福其他的用途?通用電腦仍需要一種能夠像提高頻率那樣提升其性能的解決方案。而且，談到通用性的計算性能時，我估計大多數人都希望這種技術的進化能持續下去，既提升我們的計算機速度，又保持系統兼容性，以讓那些昂貴的程序能繼續體現其價值。

不妨以交通工具的演化為例來說明：從馬匹和馬車，到汽車、電車、火車、輪船、飛機、一直到火箭推進的航天飛機，再到空間站，我們之所以發明這么多種手段，就是為了能跑得更快和改進我們移動自己位置的方式。我們能夠去更多的地方，旅行時間變得更短，而且大多數交通工具的使用也越來越方便。

直到幾年前，電腦的發展也是遵循同樣的方式。提高存儲容量，它就能做得更多；提高主頻，它就能做得更快；改進界面，它的使用就變得更容易。

主頻確實非常重要。不只是因為臺式機和筆記本靠它做賣點，而且也因為它讓我們能攻克某些程序方面的障礙，比如阿蘭圖靈算法。更確切一點，是突破數學、邏輯、程序控制的基本運算方面的障礙。誠然，我們可以把多個指令融合起來，并用一個助記碼來命名。我們如何命名一組指令以及它在編譯程序員看來如何精致都不重要。不論單獨調用還是作為指令集調用，整數求和、邏輯運算或者條件分支仍必需執行。進一步說，還需要把兩個操作數帶進加法器中，把結果寫入寄存器或內存中。

不提高主頻，就無法使我們這些最基本的操作變得更快。不幸的是，主頻的提升撞上了半導體物理技術的“硅墻”。但就像內燃機技術在速度上輸給噴氣發動機一樣，我們還是有希望可以開發能夠繼續提高主頻的技術。畢竟，電腦技術已經從真空管過渡到晶體管平臺了。但就算主頻的提升能夠繼續，我們唯一能夠實現算法加速的途徑仍然是基礎運算的并行執行。

這就是我們面臨的困境：知道如何編制單個引擎，卻不能提高它們的運行頻率；知道如何設計具備數以百計內核的芯片，卻沒有高產出率的軟件來對其進行編程。

不過，幸運的是我們本身就具有并行運算技術。人腦可不是一個在太赫茲頻段運行的單核處理器。并行運算，迫使我們把算法的單核處理器實現方式分解為更多的部分。這就不僅是一個硬件性的任務了。話雖這么說，但與在概念和軟件方面一直期待的突破相反，硬件架構設計再次處于先導地位，已經帶來了數以百種的處理器變種，其發展趨勢也在大家的意料之中。與早年遇到的困難相比，更好的工具的出現，可以使處理器的實現變得更為容易。現在，我們對計算機架構的基本原理有了更好的理解，能更容易地制定出合適的指令集架構定義。很多大學已經與處理器生產廠商聯手發布新的架構。其中幾個實例是斯坦福大學的流處理器架構(StreamProcessors)、麻省理工學院的RAW架構(Tilera的TILE64)、德州大學奧斯汀分校的TRIPS架構。

然而，與過去的成就相比，可以看到軟件在這方面沒有取得任何實質進展。這可能是多年前架構類型為數更少所造成的。

在70年代和80年代，開發難度和具體實現方面的成本僅允許人們在幾個方面進行創新，大多數情況是在單處理器通用架構方面。為數不多的項目則是一個福音。這些都有望帶來系統與應用程序的大量銷售。開發者關注于用大批程序員來開發出更好的工具，而且要讓更多的人來使用它們。軟件可以從存儲容量的提高和處理器性能的提升上獲益。它可以讓應用程序員們撇下匯編語言，而樂于采用像C和C++這樣更高級的語言，雖然其工作效率有所降低，卻具有更高的產出能力。而程序員們能完成更多任務，速度更快并采用可視化語言——它們變得更容易操作。

相比之下，我們就會發現，今天提供的各種并行化的各種內核運算指令集架構(ISA)相互之間基本上是不兼容的。它們將軟件工具和應用程序的目標零散化了。處理器廠商所能提供的只是略加修改的單核處理器工具，因為在對特殊處理器提供支持方面，獨立軟件商們還沒有什么強有力的原動力。

應用程序員現在必須“手工”把代碼分段，再分配到多個處理器中運行。他們需要優化代碼，以利用，或者說適應片上專門化的總線和內存配置。這一類工作，通常是由充滿耐心的數學家和只能靠并行運算才能及時獲得結果的其他科學家們來完成。

不停的嘗試，通過建立架構概念和從科學運算中獲得的教訓，許多軟硬件設計師們創造了優良的、數據密集式引擎和針對高性能應用開發的代碼，如音頻／視頻，基礎設施，信息網絡，影像技術等。大多數內核的指令集架構還是傳統的，并不支持并行結構。編程工具仍然是C和C++，這些工具適合于編寫運行于單核上的程序。

目前號稱采用多個平行引擎的通用處理技術還有待展示。該技術在何處可以不必依賴于上百萬的、為x86等通用處理器編寫代碼的程序員?

Intel、AMD和其他的采用了若干片上內核的生產者們，推進了性能的非凡提升是世所公認的，他們可能有最好的答案。這些公司擁有很好的機會去傳授，并吸引數以百萬計的程序員，經過周密的研究和注意兼容性后，幾個內核上的長線程被變換為多個內核上運行的更短的線程。

嵌入式和通用式電腦的設計師們在實現系統方面總是做出不同的選擇，而他們采用并行處理時，也將繼續體現出不同工作要求所造成的不同的影響。

在嵌入式系統世界里，大多數處理器的用途就是數據密集型應用。來自銷售部門的信息彰現出擁有跟蹤技術的完全可編程的并行引擎的優點，相比之下，包含硬連線芯核的異構結構具有較低的靈活性。

某些需要大規模并行處理器需要應用能提供有力支持，而某些系統代碼很難編寫。對其進行重新編程或增加新的功能和標準十分復雜，所需的時間和費用很可能與開發采用簡單并行段、硬連線加速器和可運行操作系統的處理器異質架構的時間和費用相接近。今天的成功注定只能由上述幾種為數很少的同質的并行處理器所取得，這些處理器要通過良好的功能特色、工具和出色的銷售，來實現其在嵌入式領域中的運用。

臺式電腦和筆記本電腦處理器的設計必須更趨保守。它們的發展將會放緩，因為它們更傾向于采用幾個內核，而不是數十個或上百個內核。研究更多集中在少量的內核和智能高速緩存之間的通信上。其間，軟件開發工具受到的影響很小，但對整體性能的改善將在更多的細節體現和不再那么遙不可及，優于大規模并行處理器在數據密集型領域的應用表現。

終有一天，我們一定能夠以高清標準來玩游戲和看電影。

(譯自《微處理器報告》)