軟件支持成“軟肋” 發(fā)展多核困惑重重
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眾“核”難調
即便是在制造上沒(méi)有大問(wèn)題，就處理器的系統結構而言，多核處理器依然面臨大問(wèn)題。如果僅僅簡(jiǎn)單地考慮多核的物理連接，而沒(méi)有充分考慮到處理器的運行和使用模式，將極大限制處理器的利用率，尤其是在處理有資源沖突應用的時(shí)候，多個(gè)核心之間的資源調配就成了效率關(guān)鍵。在目前的算法條件下，還沒(méi)有更好的控制兩個(gè)以上處理器合理調配資源的方法。這并非因為無(wú)法實(shí)現更好的算法從而充分調配處理器資源，而是因為目前多核處理器普遍的算法相對比較簡(jiǎn)單。
總體來(lái)看，算法無(wú)法知道具體的可用資源，并且硬件的搭配因為成本問(wèn)題沒(méi)有充分考慮一些意外情況，因而，以“同類(lèi)”思想考慮的處理器在面對“異類(lèi)”運算時(shí)就會(huì )變得效率低下。
現在，多核處理器有多種安排形式，AMD的雙核、Intel的Pentium D以及IBM的Cell架構乃是其中幾種代表。
Intel很早就通過(guò)超線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現了邏輯上的雙處理器系統，但這不過(guò)是對處理器閑置資源的一種充分利用而已，并且這種充分利用只有在特定的條件下才會(huì )比較合適，尤其是針對流水線(xiàn)比較長(cháng)，而兩種運算并不相互交叉的時(shí)候，才會(huì )有較高的效率。但像編碼解碼、長(cháng)期重復某種矩陣運算、一些沒(méi)有經(jīng)過(guò)仔細編寫(xiě)的軟件，似乎并不能充分利用這個(gè)特性。
即使IBM的Power5架構，也需要跟最新的操作系統進(jìn)行融合，加上運行在其上的軟件，才有可能利用并發(fā)多線(xiàn)程。這是物理上多核系統的資源利用的一個(gè)映射，至少可以說(shuō)明，僅僅通過(guò)操作系統忙乎還遠遠不夠。
目前條件下，Intel的多核系統和AMD有根本不同。根據多核處理器系統強調可擴展性的特點(diǎn)來(lái)看，目前的Pentium D并不是一個(gè)良好的多核解決方案。并且，在流媒體時(shí)代，高清晰的內容需要處理器作為一個(gè)數據中心，不僅告訴處理器數據，還需要高速傳輸數據，僅僅是把兩個(gè)核心安排在一個(gè)處理器內，無(wú)法實(shí)現根本轉變。
I/O成瓶頸
由于兩個(gè)核心只能共用一個(gè)I/O通道，當兩個(gè)核心之間的數據進(jìn)行交流的時(shí)候，就無(wú)法再從外部讀入數據從而利用兩者的時(shí)間差實(shí)現資源的有效搭配和利用。盡管兩個(gè)核心之間可以并行運算，但就整個(gè)系統而言，無(wú)法實(shí)現真正的流水線(xiàn)操作。
加上分離的緩存結構需要取得一致性，兩個(gè)內核之間的交流變得經(jīng)常而且頻繁，這實(shí)際上也會(huì )降低處理器的效率，因此Pentium D在技術(shù)上并不被看好。
AMD因為通過(guò)引入HyperTransport，部分解決了這個(gè)問(wèn)題，并且因為處理器內部自己有獨立的內存控制器，可以獨立訪(fǎng)問(wèn)內存，兩個(gè)核心之間的行為具有相對獨立性，數據相關(guān)變得很小。因而一些測試表明，其隨機處理數據的能力要高于Pentium D。
AMD64的最大特性是引入了HyperTransport，它的良好擴展性使得處理器實(shí)現多核、多處理器系統相對容易一些，并且，多處理器擴展的效果也非常好，這是它能夠在桌面雙核領(lǐng)域暫時(shí)領(lǐng)先的重要原因?？紤]到這些，Intel可能也會(huì )在合適的時(shí)候引入類(lèi)似架構。
Cell的多核實(shí)現起來(lái)并不完全一樣，因為制造太復雜，估計到65nm的時(shí)候，這個(gè)處理器才能夠在成本上具有競爭力。與其他基于對稱(chēng)多處理器不同的是，這個(gè)處理器把重心放在了運算基元之上，從而能夠把處理器應用到面對不同的應用類(lèi)型，它其中包含的核心更多是以運算的基礎元件形式存在的。因而，即便在內部，也是按照一個(gè)系統的思想來(lái)實(shí)現的，各個(gè)運算單元之間有高速的連接通道，除了主控處理器用來(lái)分配任務(wù)從而形成運算的流水線(xiàn)思想外，其余幾個(gè)并不是具有很完善的運算能力。這幾種系統都面臨同樣的問(wèn)題：I/O將是最嚴重的瓶頸。
虛擬化在一定程度上能夠處理一些因為多核帶來(lái)的問(wèn)題，可以讓?xiě)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/軟件">軟件和操作系統在透明的環(huán)境下對處理器資源進(jìn)行分配和管理。
軟件是軟肋
即使桌面操作系統支持雙處理器，也需要很長(cháng)一段時(shí)間。目前在對稱(chēng)多處理器方面，操作系統對資源的分配和管理并沒(méi)有本質(zhì)的改變，多以對稱(chēng)的方式進(jìn)行平均分配。
也就是說(shuō)，在操作系統層面，當一個(gè)任務(wù)到來(lái)時(shí)，剝離成為兩個(gè)并行的線(xiàn)程，因為線(xiàn)程之間需要交流以及操作系統監管，它導致的效率損失要比硬件層面的大得多。并且，多數軟件并沒(méi)有充分考慮到雙核乃至多核的運行情況，導致線(xiàn)程的平均分配時(shí)間以及線(xiàn)程之間的溝通時(shí)間都會(huì )大大增加，尤其是當線(xiàn)程需要反復訪(fǎng)問(wèn)內存的時(shí)候。比如做一個(gè)FFT測試時(shí)，由軟件和硬件構成的系統將呈現出巨大差異，這時(shí)Pentium D將被完全擊倒。這不是Pentium D的錯，多數操作系統還沒(méi)有完全實(shí)現自由的資源分配。IBM也是通過(guò)AIX 5.3L在支持更自由的虛擬化Power5上，實(shí)現了資源的動(dòng)態(tài)調配和劃分。
從長(cháng)遠來(lái)看，需要使用虛擬化技術(shù)才可能實(shí)現操作系統對任務(wù)的具體劃分，這很可能改變一些通用的編程模式。不僅操作系統層面無(wú)法完全解決這個(gè)問(wèn)題，就是軟件在編寫(xiě)的時(shí)候其編譯器都無(wú)法充分解決這個(gè)問(wèn)題。
面對多核系統，需要有并行編程的思想才有可能充分利用資源，而人類(lèi)的思維模型習慣于線(xiàn)性思維，對“面”或者更為復雜的立體編程模式，效率會(huì )下降很多。
軟件的缺失給多核蒙上了一些陰影。盡管用戶(hù)在充滿(mǎn)希望地期待著(zhù)，但思維完全的改變，不是一朝一夕的事情。更重要的是，一些表現多核處理能力的輸出系統無(wú)法承受這樣的運算量。
現在能充分享受到多核系統的用戶(hù)依然還是企業(yè)級用戶(hù)，那些專(zhuān)門(mén)進(jìn)行密集計算的用戶(hù)可以充分利用多核節省下來(lái)的空間，大大增加計算密度，從而降低整體管理費用。
對于一些線(xiàn)性模型，如Google的查找算法，對處理器系統的要求是多多益善。一些用于網(wǎng)絡(luò )游戲的服務(wù)器，也能夠從多核之中看到可支持用戶(hù)數量的成倍增長(cháng)。對于一些需要科學(xué)運算的石化、石油勘探等大量數據轉換來(lái)說(shuō)，不僅需要多核，還需要大量的顯示芯片實(shí)現數據的可視化。
本來(lái)，多核在可視化領(lǐng)域具有遠大前途，渲染速度可以加倍，矩陣運算容量可以大增，可惜現在的OpenGL還太可惡，很難拆分數據封裝。
在仿真領(lǐng)域，大量的多核可以充分模擬仿真的網(wǎng)格特性，因而可以充分利用在氣象等高密度計算中。
有人說(shuō)，多核系統可以提高多任務(wù)的性能，可以同時(shí)做很多事情，但須知，人是需要專(zhuān)心的動(dòng)物。我看，多核的真正春天要寄托在家庭服務(wù)器上，只有這時(shí)候，電腦轉變成為數字家庭的數據存儲和運算中心，它的多核意義才會(huì )凸顯。
無(wú)論如何，需要把眼光放在軟件端才是正途，至于使用幾個(gè)核的處理器，讓開(kāi)發(fā)人員去思考好了。
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