24核中国“芯”降生复旦

http://www.taoguba.com.cn/Article/743922/1
  近日，由复旦大学研究团队开发的24核“复芯”处理器被国际固态电路会议（ISSCC）2013年会正式录用，并将于2月在美国旧金山举办的年会上面向全球发布。这是我国计算机处理器研究的又一重大突破，引起了人们和媒体的关注。那么，处理器多核（心）是什么概念？24核的优越性是什么？处理器的核数是否会有更大的增加？请专家来为我们解读。
      
              4GHz已成单核极限性能再提升靠多核协同
      
              问：您的团队研制出了24核的处理器，首先的一个问题关于计算机处理器，它在计算机中起到什么作用？
      
              虞志益：计算机的处理器称为CPU，即中央处理单元，作用类似于人大脑，因为它负责处理、运算计算机内部的数据，接受程序发出的指令到控制单元，经过运算器的逻辑运算，把数据结果放到寄存器上，然后输出。从结构上说，如果把CPU比作“工厂”，那么这个工厂由控制器、运算器和存储单元三大“车间”组成，每个车间又由多个小车间组成，如控制器中包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器等。目前平板电脑、智能手机已普遍上市，它里面的处理器功能大体上和计算机的CPU相似。
      
              问：衡量一个处理器优劣的标志是什么？
      
              虞志益：对处理器的要求当然是要有更强大的计算能力，表现在单位时间内实现更大量的数据处理，直观上看就是运行速度的提升。此外，也关注功耗，在保证性能的前提下希望功耗越小越好。
      
              问：现在市面上已有双核、4核处理器，多核（心）处理器的“核”是什么？ “核”越多越强大吗？
      
              虞志益：多核（心）是指在一个芯片上集成多个处理器核，而各种处理器核一般都具有固定的逻辑结构：指令级单元、执行单元、一级缓存（L1）、二级缓存（L2）、存储器及其控制单元、总线接口等，一般各个核心有独立的一级缓存，但共享二级缓存，同时也共享存储器、外设。多核设置，形象地理解，就是把很多个单核连起来，协调工作，实现运算和处理能力的提升。
      
              问：单核已到极限了吗？
      
              虞志益：CPU最初是单核的，增强运算能力的主要途径是提高主频。主频标志着每单位时间内CPU能够执行运算指令的数量，所以被不断攀升，21世纪初的几年先后达到了1GHz、2GHz，2002年达到了3GHz。但是再往上提升就遇到困难了，其中最大的瓶颈在于主频不断攀升所引起的发热量增长、功耗增加，当CPU主频达到2GHz以上的时候，功耗也达到了近100W，这已是目前风冷散热技术的极限，同时成本增加、读取和存储的性能提升却趋于缓慢，因此4GHz左右的CPU成为单核发展的极限，依靠不断提高处理器频率提升系统性能的时代即将成为过去。
      
              不是简单的性能翻倍多核存在“内耗”问题
      
              问：但是计算机承担的任务越来越多，互联网的发展需要处理的数据流量越来越大，对运算处理能力的要求不断提升，处理器就必须发展“多核”了吧？
      
              虞志益：是的，互联网高带宽、大流量的发展趋势飞速发展，正如网络产业著名的“吉尔德定律”预言，在未来20多年内，网络带宽将平均6个月增长一倍，其增长速度是“摩尔定律”预测的单核CPU理论增长速度（18个月增一倍）的3倍，虽然这是预测，但是互联主干网增长速度比CPU的增长速度要快得多已成为不争的事实，更何况单核处理器提升遇困境。这就好比一个邮局，每天接收成千上万来自四面八方的包裹，但只有一名快递员工，纵使这名员工技术再娴熟，他的工作效率也是有限的。那就多用几个员工——“多核”登场成为必然。 1996年美国斯坦福大学首次提出片上多处理器（CMP）思想和首个多核结构原型，2001年IBM公司推出第一个商用多核处理器Power4，2005年 Intel和 AMD多核处理器的大规模应用，使多核成为市场主流。
      
              问：目前市场上已常见双核，还出现了4核、8核、16核，您的团队还实现了24核的突破，那么核数的增加会使处理性能也增加相应的倍数吗？
      
              虞志益：理想的情况是增加相应的倍数，但是往往会有折扣，这个“折扣”的多少取决于整个处理器核间并行处理技术水平的高低。比如双核已经发展最早，但到目前，不管是IBM、Intel还是AMD，其双核的性能都达不到其单核性能的两倍，更别说4核、8核了。因为处理器中核的数目增加时，要面临更多的挑战，诸如核间通信、存储器体系、软硬件协调等，其中最主要的就是如何实现多个内核之间相连、协作和通信，确保高效，所以，核间通信结构研究正是目前学术界关注的重点。这个也好理解，摊子一大、干活的人一多，就形成一个系统了，谁承担哪一部工作、如何分配，各成员之间如何既联系又各司其职，公平有序地完成任务，就是突出的问题了，表现在处理器上就是硬件上的协调问题，而软件程序上如何保证数据在核间的分配和处理，而不是总在一个核里运行，如现在 4核CPU已经上市，但是针对4核优化的应用软件寥寥可数。这些关键点都需很好的解决，是多核发展的瓶颈。
      
              问：大家都在这方面寻求着突破吗？
      
              虞志益：是的，因为并不是多核的简单并列，它们互连之后会出现许多问题，所以提出一种行之有效的核间互连通信方式将对多核处理器的性能发展至关重要，但目前还没有一个完全成熟的技术，特别是到了8核以上，各种多核互连算法和架构的技术处于研究之中，但大多数还无法使用到实际的产品中去。
      
       多核可助CPU“降压”未来核心数有望破百
      
              问：复旦在24核上的突破采用的是什么独特技术？
      
              虞志益：复旦大学团队研究的突破点在于提出了创新性的多核处理器核间通信的方案。从2009年起，复旦团队开始进行16核“复芯”处理器的研究，设计出“简单而高效的融合消息传递和共享存储方案”。形象的说是这样工作的：在16核芯片这个精心设计的“生产车间”里，16名“员工”被分成两组，被称为两个“簇”。每组8个“员工”，被命名为“PCore”，它们分别占据2个九宫格的外围。九宫格的中心是一个名叫“MCore”的共享存储器，它的功能相当于“员工”之间的“寄存总台”。 “员工”与“总台”之间都有双向的“传送带”相连接。去年底，又在24核处理器方面取得研究成果，采用了多个新的技术，包括采用包控制电路交换的双层片上网络来进一步提升多核的核间通信能力，以及异构执行单元阵列来加速某些关键应用。所谓“片上网络”技术，就是芯片上多核之间的通信可以类比于互联网上许多计算机之间的通信，通过这种将类似“互联网”的网络结构“建设”在芯片上，可以迅速组成芯片内多个“核”之间的高速信息交互通路，极大地提高核间通信效率，从而提高这个多核处理器的工作效率。
      
              问：这个24核将应用在哪些地方，是手机还是笔记本，还是大型服务器？ 24核何时能走向市场？
      
              虞志益：多核在路由器、PC、智能手机等上都可用，24核面向的对象主要还是相对专业的领域，如应用于通信及多媒体领域，这需要加快产学研结合，形成成熟的产业化渠道，让研发成果尽快走进寻常百姓家，满足人们使用电脑更高效工作的愿望。
      
              问：随着核心数量的增多，性能是提高了，那么，是否同时会使功耗变大？如果耗能很大，应用在手机等上面，那么电池是否有足够的电量支持较长久运行？
      
              虞志益：核数量的增多带来能耗增加确实是一个必须解决的问题，否则应用会受到影响。通过降电压来降低能耗是解决的一个办法，而性能却不会受到大影响。电压与功率是平方关系，比如电压降为一半，功耗就变成原来的1/4，其性能方面的损失可以用多核并行方式来弥补。
      
              问：那么，未来处理器可以发展到多少核，上百个核集中在一个芯片上是否也有可能？对处理器芯片研究总体而言，我国的处理器芯片研制是否与世界最先进的如Intel等还有差距？
      
              虞志益：多核处理器是未来处理器商用化的一个重要趋势和方向，核数可能会在推动下不断增加，不仅可以出现24核，可能会朝48核、64核甚至上百个核迈进。其实Intel已经有了48核的产品，只不过这些处理器效能的稳定性还没有过关，关键是多核处理器“核间通信”的架构技术还不成熟。未来新材料、新工艺如光互连等的发展和应用，可能会给这种多核架构技术带来更大的提升空间。我国的处理器芯片研制水平在近几年有着长足的进步，在一些技术上有优势，并有了如龙芯等这样著名的处理器芯片。但以整体研发、研制能力来说，我国的处理器研制水平与Intel等还有很大的差距，产品在市场只占很小的市场份额，这需要付出百倍的努力去追赶。http://www.taoguba.com.cn/Article/743922/1
  近日，由复旦大学研究团队开发的24核“复芯”处理器被国际固态电路会议（ISSCC）2013年会正式录用，并将于2月在美国旧金山举办的年会上面向全球发布。这是我国计算机处理器研究的又一重大突破，引起了人们和媒体的关注。那么，处理器多核（心）是什么概念？24核的优越性是什么？处理器的核数是否会有更大的增加？请专家来为我们解读。
      
              4GHz已成单核极限性能再提升靠多核协同
      
              问：您的团队研制出了24核的处理器，首先的一个问题关于计算机处理器，它在计算机中起到什么作用？
      
              虞志益：计算机的处理器称为CPU，即中央处理单元，作用类似于人大脑，因为它负责处理、运算计算机内部的数据，接受程序发出的指令到控制单元，经过运算器的逻辑运算，把数据结果放到寄存器上，然后输出。从结构上说，如果把CPU比作“工厂”，那么这个工厂由控制器、运算器和存储单元三大“车间”组成，每个车间又由多个小车间组成，如控制器中包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器等。目前平板电脑、智能手机已普遍上市，它里面的处理器功能大体上和计算机的CPU相似。
      
              问：衡量一个处理器优劣的标志是什么？
      
              虞志益：对处理器的要求当然是要有更强大的计算能力，表现在单位时间内实现更大量的数据处理，直观上看就是运行速度的提升。此外，也关注功耗，在保证性能的前提下希望功耗越小越好。
      
              问：现在市面上已有双核、4核处理器，多核（心）处理器的“核”是什么？ “核”越多越强大吗？
      
              虞志益：多核（心）是指在一个芯片上集成多个处理器核，而各种处理器核一般都具有固定的逻辑结构：指令级单元、执行单元、一级缓存（L1）、二级缓存（L2）、存储器及其控制单元、总线接口等，一般各个核心有独立的一级缓存，但共享二级缓存，同时也共享存储器、外设。多核设置，形象地理解，就是把很多个单核连起来，协调工作，实现运算和处理能力的提升。
      
              问：单核已到极限了吗？
      
              虞志益：CPU最初是单核的，增强运算能力的主要途径是提高主频。主频标志着每单位时间内CPU能够执行运算指令的数量，所以被不断攀升，21世纪初的几年先后达到了1GHz、2GHz，2002年达到了3GHz。但是再往上提升就遇到困难了，其中最大的瓶颈在于主频不断攀升所引起的发热量增长、功耗增加，当CPU主频达到2GHz以上的时候，功耗也达到了近100W，这已是目前风冷散热技术的极限，同时成本增加、读取和存储的性能提升却趋于缓慢，因此4GHz左右的CPU成为单核发展的极限，依靠不断提高处理器频率提升系统性能的时代即将成为过去。
      
              不是简单的性能翻倍多核存在“内耗”问题
      
              问：但是计算机承担的任务越来越多，互联网的发展需要处理的数据流量越来越大，对运算处理能力的要求不断提升，处理器就必须发展“多核”了吧？
      
              虞志益：是的，互联网高带宽、大流量的发展趋势飞速发展，正如网络产业著名的“吉尔德定律”预言，在未来20多年内，网络带宽将平均6个月增长一倍，其增长速度是“摩尔定律”预测的单核CPU理论增长速度（18个月增一倍）的3倍，虽然这是预测，但是互联主干网增长速度比CPU的增长速度要快得多已成为不争的事实，更何况单核处理器提升遇困境。这就好比一个邮局，每天接收成千上万来自四面八方的包裹，但只有一名快递员工，纵使这名员工技术再娴熟，他的工作效率也是有限的。那就多用几个员工——“多核”登场成为必然。 1996年美国斯坦福大学首次提出片上多处理器（CMP）思想和首个多核结构原型，2001年IBM公司推出第一个商用多核处理器Power4，2005年 Intel和 AMD多核处理器的大规模应用，使多核成为市场主流。
      
              问：目前市场上已常见双核，还出现了4核、8核、16核，您的团队还实现了24核的突破，那么核数的增加会使处理性能也增加相应的倍数吗？
      
              虞志益：理想的情况是增加相应的倍数，但是往往会有折扣，这个“折扣”的多少取决于整个处理器核间并行处理技术水平的高低。比如双核已经发展最早，但到目前，不管是IBM、Intel还是AMD，其双核的性能都达不到其单核性能的两倍，更别说4核、8核了。因为处理器中核的数目增加时，要面临更多的挑战，诸如核间通信、存储器体系、软硬件协调等，其中最主要的就是如何实现多个内核之间相连、协作和通信，确保高效，所以，核间通信结构研究正是目前学术界关注的重点。这个也好理解，摊子一大、干活的人一多，就形成一个系统了，谁承担哪一部工作、如何分配，各成员之间如何既联系又各司其职，公平有序地完成任务，就是突出的问题了，表现在处理器上就是硬件上的协调问题，而软件程序上如何保证数据在核间的分配和处理，而不是总在一个核里运行，如现在 4核CPU已经上市，但是针对4核优化的应用软件寥寥可数。这些关键点都需很好的解决，是多核发展的瓶颈。
      
              问：大家都在这方面寻求着突破吗？
      
              虞志益：是的，因为并不是多核的简单并列，它们互连之后会出现许多问题，所以提出一种行之有效的核间互连通信方式将对多核处理器的性能发展至关重要，但目前还没有一个完全成熟的技术，特别是到了8核以上，各种多核互连算法和架构的技术处于研究之中，但大多数还无法使用到实际的产品中去。
      
       多核可助CPU“降压”未来核心数有望破百
      
              问：复旦在24核上的突破采用的是什么独特技术？
      
              虞志益：复旦大学团队研究的突破点在于提出了创新性的多核处理器核间通信的方案。从2009年起，复旦团队开始进行16核“复芯”处理器的研究，设计出“简单而高效的融合消息传递和共享存储方案”。形象的说是这样工作的：在16核芯片这个精心设计的“生产车间”里，16名“员工”被分成两组，被称为两个“簇”。每组8个“员工”，被命名为“PCore”，它们分别占据2个九宫格的外围。九宫格的中心是一个名叫“MCore”的共享存储器，它的功能相当于“员工”之间的“寄存总台”。 “员工”与“总台”之间都有双向的“传送带”相连接。去年底，又在24核处理器方面取得研究成果，采用了多个新的技术，包括采用包控制电路交换的双层片上网络来进一步提升多核的核间通信能力，以及异构执行单元阵列来加速某些关键应用。所谓“片上网络”技术，就是芯片上多核之间的通信可以类比于互联网上许多计算机之间的通信，通过这种将类似“互联网”的网络结构“建设”在芯片上，可以迅速组成芯片内多个“核”之间的高速信息交互通路，极大地提高核间通信效率，从而提高这个多核处理器的工作效率。
      
              问：这个24核将应用在哪些地方，是手机还是笔记本，还是大型服务器？ 24核何时能走向市场？
      
              虞志益：多核在路由器、PC、智能手机等上都可用，24核面向的对象主要还是相对专业的领域，如应用于通信及多媒体领域，这需要加快产学研结合，形成成熟的产业化渠道，让研发成果尽快走进寻常百姓家，满足人们使用电脑更高效工作的愿望。
      
              问：随着核心数量的增多，性能是提高了，那么，是否同时会使功耗变大？如果耗能很大，应用在手机等上面，那么电池是否有足够的电量支持较长久运行？
      
              虞志益：核数量的增多带来能耗增加确实是一个必须解决的问题，否则应用会受到影响。通过降电压来降低能耗是解决的一个办法，而性能却不会受到大影响。电压与功率是平方关系，比如电压降为一半，功耗就变成原来的1/4，其性能方面的损失可以用多核并行方式来弥补。
      
              问：那么，未来处理器可以发展到多少核，上百个核集中在一个芯片上是否也有可能？对处理器芯片研究总体而言，我国的处理器芯片研制是否与世界最先进的如Intel等还有差距？
      
              虞志益：多核处理器是未来处理器商用化的一个重要趋势和方向，核数可能会在推动下不断增加，不仅可以出现24核，可能会朝48核、64核甚至上百个核迈进。其实Intel已经有了48核的产品，只不过这些处理器效能的稳定性还没有过关，关键是多核处理器“核间通信”的架构技术还不成熟。未来新材料、新工艺如光互连等的发展和应用，可能会给这种多核架构技术带来更大的提升空间。我国的处理器芯片研制水平在近几年有着长足的进步，在一些技术上有优势，并有了如龙芯等这样著名的处理器芯片。但以整体研发、研制能力来说，我国的处理器研制水平与Intel等还有很大的差距，产品在市场只占很小的市场份额，这需要付出百倍的努力去追赶。