Patrick Madden在“多核處理器前途未卜(Multi-core processors face uncertain future)”一文中關(guān)于多核芯片的討論焦點(diǎn)集中于單個(gè)的通用處理器架構(gòu)上，實(shí)際上這種觀點(diǎn)對(duì)使用多處理器來(lái)解決系統(tǒng)架構(gòu)問(wèn)題作出了不必要的限制。正如Madden所言，大型半導(dǎo)體和服務(wù)器處理器供應(yīng)商可以提供多核的對(duì)稱(chēng)多處理器，每個(gè)對(duì)稱(chēng)多處理器都可以運(yùn)行并行的多線程軟件程序。這些多核處理器常在運(yùn)行基于SAMD(single application multiple data)模型應(yīng)用的大型服務(wù)器和筆記本電腦中。SAMD應(yīng)用可回溯至早期的大型機(jī)時(shí)代，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)專(zhuān)注于航班預(yù)定系統(tǒng)和實(shí)時(shí)銀行系統(tǒng)等實(shí)時(shí)應(yīng)用。

    當(dāng)前，嵌入式設(shè)計(jì)中對(duì)稱(chēng)多處理器(SMP)架構(gòu)的應(yīng)用引起了業(yè)界極大的關(guān)注。實(shí)際上，很少應(yīng)用是同時(shí)并行(embarrassingly parallel)的。就像Madden提及，圖像和多媒體處理是同時(shí)并行的，但是這些應(yīng)用已經(jīng)有專(zhuān)用的多媒體芯片處理了，例如IBM的Cell處理器和ATI/Nvidia的圖形處理器。因此，包括Madden在內(nèi)的很多專(zhuān)家都認(rèn)為，對(duì)稱(chēng)多處理器上的并行應(yīng)用已經(jīng)被局限在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)。

軟件工程師不習(xí)慣并行地考慮問(wèn)題

    在Madden的文章中，大多關(guān)于對(duì)稱(chēng)多處理器的討論都會(huì)談到開(kāi)發(fā)工具的問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，依靠軟件工具把一個(gè)巨大的單線程應(yīng)用程序自動(dòng)分配給多個(gè)處理器運(yùn)行是不大可能的。類(lèi)似于Verilog這樣的硬件描述語(yǔ)言可以很容易地表達(dá)并行操作，而像C這樣的軟件語(yǔ)言更適用于單線程算法的實(shí)現(xiàn)。為了讓C語(yǔ)言更適用于并行編程，人們做了很多改進(jìn)嘗試，比如Concurrent C、UPC、mpC、pC等。它們有些通過(guò)特殊的庫(kù)，有些通過(guò)并行的API來(lái)實(shí)現(xiàn)并行進(jìn)程的顯式標(biāo)識(shí)和進(jìn)程間的通信，例如Madden的文章中提到的MPI和OpenMP技術(shù)。

    還有些研究人員試圖用全新的整合了并行編程結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言來(lái)替代C語(yǔ)言。但是業(yè)界對(duì)這些新的編程語(yǔ)言并不認(rèn)可(例如，Ada語(yǔ)言和Inmos公司的Occam語(yǔ)言均以失敗告終)。我們已經(jīng)習(xí)慣于單任務(wù)的算法描述，對(duì)大多數(shù)程序員來(lái)說(shuō)，思考并行程序或多線程操作都相當(dāng)困難。然而，跳出SMP的限制來(lái)擴(kuò)展處理器架構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)至少有兩種利用異構(gòu)而非同構(gòu)的并行方式。使用該兩種便捷并行(convenient concurrency)方式能充分地將軟件開(kāi)發(fā)人員從并行工作的思考中釋放出來(lái)，因?yàn)椴煌牟⑿腥蝿?wù)間的聯(lián)系并非十分緊密。

 
圖1：超級(jí)3G移動(dòng)電話(huà)原理圖

第一種方式

    你可以稱(chēng)這種并行為“組合并行”，因?yàn)檫@種并行操作將不同的子系統(tǒng)組合在一起，而每個(gè)子系統(tǒng)中都包含一個(gè)或多個(gè)針對(duì)特定任務(wù)優(yōu)化過(guò)的處理器。在這種架構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)化的子系統(tǒng)間的通信只在需要時(shí)才相互影響。圖1所示的超級(jí)3G移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng)體現(xiàn)了該思想。圖中共有18個(gè)獨(dú)立的處理模塊(灰色表示部分)，每個(gè)模塊都有清晰的功能定義，因此很容易將整個(gè)系統(tǒng)功能劃分開(kāi)來(lái)用18個(gè)處理器完成設(shè)計(jì)(考慮到子任務(wù)處理的話(huà)，可能需要更多處理器)。

    一些人對(duì)這種架構(gòu)設(shè)計(jì)提出批評(píng)，因?yàn)樘幚砥骱烷T(mén)電路的效率看上去并不是很高，至少在理論上只需用幾個(gè)高時(shí)鐘頻率的通用處理器(或者是SMP多核處理器)就可以替代10個(gè)、20個(gè)或更多的處理器核。實(shí)際上這些批評(píng)并不恰當(dāng)，摩爾定律繼續(xù)促使在一片芯片上可以集成更多的晶體管，而Denard經(jīng)典尺度則提供速度更快、功耗更低的晶體管，但是從90nm開(kāi)始，Denard理論無(wú)法繼續(xù)提供更快的速度和更低的功耗了。在90nm節(jié)點(diǎn)上，功耗和能耗變得很難控制，而且隨著工藝的提高問(wèn)題將更嚴(yán)重。所以嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員從現(xiàn)在開(kāi)始就必須接受降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率以滿(mǎn)足預(yù)期功耗和能耗指標(biāo)的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

組合并行設(shè)計(jì)具有很多優(yōu)點(diǎn)

* 將運(yùn)算任務(wù)分配給幾個(gè)片上處理器來(lái)運(yùn)行是典型的增加晶體管數(shù)量換取低主頻以降低功耗和能耗的方法。這是一種很好的工程折衷，由于時(shí)鐘速度和內(nèi)核工作電壓之間的緊密關(guān)系，時(shí)鐘頻率的提高將使功耗呈超線性增長(zhǎng)。此外，較低時(shí)鐘速度的處理器不必采用最新的制程工藝。相同光刻節(jié)點(diǎn)情況下，采用速度較慢的低功耗制程的靜態(tài)漏電流水平比采用高性能制程的漏電流水平小三個(gè)數(shù)量級(jí)。

* 當(dāng)不需用到某個(gè)專(zhuān)用子系統(tǒng)時(shí)，可以切斷其電源供應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)人員可以很容易地確定何時(shí)使用或不使用這些專(zhuān)用子系統(tǒng)。

* ASIP可以比通用處理器具備更高效的利用面積和功耗，而用作組合并行系統(tǒng)中的任務(wù)處理器。由于所使用的通用處理器核很少，也相應(yīng)地減少了晶體管的數(shù)量。組合并行的設(shè)計(jì)避免了與SMP硬件設(shè)計(jì)和多線程代碼相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)所需的復(fù)雜交互與同步。一個(gè)四內(nèi)核的SMP系統(tǒng)帶有音頻、視頻和照相功能，在運(yùn)行其他任務(wù)時(shí)仍不會(huì)撤消911緊急電話(huà)，因此通常需要進(jìn)行大量的仿真與分析。而高層實(shí)現(xiàn)交互的獨(dú)立子系統(tǒng)能很容易地進(jìn)行單獨(dú)和組合的驗(yàn)證操作?；赟ystemC的系統(tǒng)仿真工具已經(jīng)可以方便地對(duì)組合并行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。不同的子系統(tǒng)可以用C語(yǔ)言來(lái)描述，并分別進(jìn)行驗(yàn)證，然后利用指令集仿真器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，這比進(jìn)行RTL仿真快幾百甚至上千倍。值得注意的是，C語(yǔ)言已經(jīng)為嵌入式程序員廣泛接受并采用，因此軟件工程師無(wú)需學(xué)習(xí)新的語(yǔ)言。

第二種方式

    計(jì)算通?？梢詣澐譃橛瑟?dú)立任務(wù)引擎構(gòu)成的流水線，因此便捷并行的第二種方式就是流水式數(shù)據(jù)流。各個(gè)流水式任務(wù)引擎都接收、處理并輸出數(shù)據(jù)塊，一旦處理任務(wù)完成后，數(shù)據(jù)塊就被送到下一級(jí)引擎。非對(duì)稱(chēng)多處理算法常常出現(xiàn)在信號(hào)處理和圖像處理應(yīng)用上，諸如移動(dòng)電話(huà)的基帶處理、視頻處理和靜態(tài)圖像處理等。流水線不但允許并行處理，而且還允許執(zhí)行基于ASIP的應(yīng)用，因?yàn)榱魉€中的每一個(gè)處理器都能高度集中于執(zhí)行某一部分的任務(wù)。

    上述兩種便捷并行是互補(bǔ)的。因此，各個(gè)子系統(tǒng)的非對(duì)稱(chēng)多處理能和流水式設(shè)計(jì)的組合子系統(tǒng)進(jìn)行融合。消費(fèi)類(lèi)、便攜式和多媒體應(yīng)用產(chǎn)品可能需要10到100個(gè)處理器，而這些處理器都將針對(duì)產(chǎn)品功能的特定任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)基于非對(duì)稱(chēng)多處理器的應(yīng)用進(jìn)行編程要比基于對(duì)稱(chēng)多處理器的容易得多，因?yàn)椴槐乜紤]太多的交互任務(wù)依賴(lài)關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)表明通過(guò)這種方式能更清晰地編寫(xiě)軟件，而且可以避免在同構(gòu)多處理器上運(yùn)行多線程應(yīng)用所帶來(lái)的大量?jī)?yōu)化問(wèn)題。

    采用這兩種便捷并行方式可以巧妙地避開(kāi)阿姆達(dá)爾定律。因?yàn)樵S多并行算法可分別地使用組合并行設(shè)計(jì)來(lái)加速，而單一算法的諸多部分(例如視頻編解碼)可以使用流水式設(shè)計(jì)進(jìn)行加速，所以整個(gè)系統(tǒng)的代碼將被分解為眾多小塊以分別進(jìn)行優(yōu)化加速?？梢钥闯觯捎诓o(wú)增加軟件開(kāi)發(fā)的需求，所以采用多核設(shè)計(jì)得到的益處要比阿姆達(dá)爾定律預(yù)測(cè)的大得多。

    當(dāng)然，獲得這些益處的同時(shí)是要付出一定代價(jià)的。在多顆處理器之間進(jìn)行任務(wù)劃分和算法加速會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)需要使用更多的晶體管，這通常是采用分治的設(shè)計(jì)方法所必需的。然而，摩爾定律此時(shí)勝過(guò)了阿姆達(dá)爾定律，它使得增加的晶體管的成本非常低。相比之下，由高主頻和高性能處理技術(shù)造成的高能耗以及多線程軟件的開(kāi)發(fā)復(fù)雜度所引發(fā)的成本問(wèn)題則更為嚴(yán)重。