您可能已經(jīng)習慣了芯片系統(tǒng)(SoC)的multicore處理器這一概念，而現(xiàn)實卻總是在不斷變化。8月份舉行的Hot Chips大會研討中，已經(jīng)清楚的表明multicore正在向many-core發(fā)展：在SoC核心位置，密切相關(guān)的處理器內(nèi)核的數(shù)量在不斷增長，從2個或者4個增加到8個、16個，甚至是很多，很多。
這種增長僅是摩爾定律發(fā)展的另一階段，系統(tǒng)開發(fā)人員還是能清楚的了解這一切嗎?從multicore發(fā)展到many-core是類型的變化，還是僅僅是規(guī)模的變化?這種轉(zhuǎn)變能解決系統(tǒng)開發(fā)人員面臨的問題嗎?
為找到這些問題的答案，我們與一些團隊進行了交流，他們已經(jīng)在many-coreSoC開發(fā)上積累了一些設(shè)計經(jīng)驗。我們向他們提出了一個簡單的問題：您的體驗與使用multicore有什么不同嗎?對于這一簡單的問題，我們得到了各種各樣的回答。
Many-core的發(fā)展
Hot Chips的論文列出了SoC體系結(jié)構(gòu)向many-core領(lǐng)域發(fā)展的三條主要路線。我們從Cavium的Kin-Yip Liu在小規(guī)模無線基站SoC設(shè)計論文中闡述的路線開始，這些設(shè)計包括微基站、微微基站和毫微微基站。
名為Octeon Fusion CNF71xx的設(shè)計如 圖1 所示，包括兩個處理簇，含有四個一組的增強MIPS64內(nèi)核，以及圍繞一個共享L2高速緩存的各種硬件加速器，還有6個為一組的數(shù)字信號處理(DSP)內(nèi)核，每個內(nèi)核都有很多硬件加速器，這些內(nèi)核分布在共享存儲器交換架構(gòu)周圍。
圖1.Cavium的Octeon Fusion體系結(jié)構(gòu)結(jié)合了CPU簇以及相連接的硬件加速器和分立的DSP內(nèi)核簇。
四個CPU還很難說明是many-core設(shè)計。但是有兩個很好的理由讓我們的討論從這一芯片開始。首先，增加6個DSP內(nèi)核使得芯片成為10核異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，表面上看已經(jīng)進入many-core領(lǐng)域。其次，更多的是在理論上，Cavium使用內(nèi)核的方式與傳統(tǒng)的multicore并不相同。
Multicore SoC將線程映射至內(nèi)核的方式一般是靜態(tài)的。而隨著內(nèi)核數(shù)量的增加，這種映射更具流動性。CPU和DSP可以按數(shù)據(jù)流來劃分，也可以構(gòu)成虛擬流水線，每一個完成復(fù)雜任務(wù)的幾級任務(wù)?；蛘撸幚砥骺梢杂^察任務(wù)序列，一旦空閑，就可以執(zhí)行新任務(wù)。不斷增強一個處理器的能力來完成所有數(shù)據(jù)的處理，而這一概念正在轉(zhuǎn)向由很多處理器共同完成一項工作——從固定硬件到軟件與加速器的組合。這種概念上的變化確定了multicore與many-core計算之間的邊界。我們看到這種變化是從本地對稱的Octeon Fusion體系結(jié)構(gòu)開始的。Cavium很顯然同意這一觀點。他們在Hot Chips上的研討表明，目前的芯片只是軟件兼容系列的開始，這些系列能夠從單核發(fā)展到48核。
作為對比，F(xiàn)ujitsu的Takumi Maruyama發(fā)表的論文介紹了公司的16核芯片SPARC64 X將成為服務(wù)器中心處理器。SPARC64 X與Octeon共享了一個重要的體系結(jié)構(gòu)概念：16個SPARC內(nèi)核簇圍繞一個大規(guī)模內(nèi)核——24 Mbyte，共享L2高速緩存。但這也有很大的不同。這就是專用硬件加速器。Fujitsu將其稱之為“芯片軟件”。Fujitsu沒有在CPU之外開發(fā)松耦合加速器，來處理棘手的運算問題(在這個例子中，十進制數(shù)學運算、加密和數(shù)據(jù)庫函數(shù)等)，而是開發(fā)了新的RISC類型指令來加速這些運算，在每一CPU的浮點單元流水線中增加了必要的執(zhí)行硬件。因此，硬件加速并不能靈活的共享L2高速緩存，或者鏈接系統(tǒng)總線，而是成為CPU不可缺少的組成部分。實際上，這些加速器增加了指令，編譯器可以將其優(yōu)化到CPU指令流中。
Intel和many-core
最后，考慮Intel的Xeon Phi，或者還可以考慮Intel資深首席工程師George Chrysos所介紹的Knights Corner，如 圖2 所示。在Chrysos有些含糊的描述中，該器件是采用了“50多個”x86處理器內(nèi)核的協(xié)處理器，還含有四個GDDR存儲器控制器，以及與主處理器Xeon CPU連接的PCI Express® (PCIe®)接口。每一個處理器都有自己的專用矢量處理單元，以及自己的512 Kbyte L2高速緩存。L2高速緩存、GDDR控制器以及PCIe控制器不是由傳統(tǒng)的交換矩陣連接的，這樣會導(dǎo)致規(guī)模非常大而在物理上無法實現(xiàn)，而是由雙向環(huán)形總線連接。這一總線在每一方向上都有64字節(jié)數(shù)據(jù)通路，通過分布式標簽方案來實現(xiàn)所有L2之間的一致性。遵從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展規(guī)律，Xeon Phi在內(nèi)部與早期的multicore設(shè)計非常相似，即，在PlayStation 3中首次使用的IBM Cell協(xié)處理器。
圖2.Intel的Xeon Phi是50多個x86內(nèi)核構(gòu)成的異構(gòu)陣列，這些內(nèi)核通過兩路跑道型互聯(lián)結(jié)構(gòu)連接起來。
Xeon Phi代表了從multicore向many-core的深入發(fā)展。這里，與Cell不同，沒有專門的加速器或者專用存儲器結(jié)構(gòu)，只有相對簡單的x86處理器，連接了矢量處理單元和高速緩存、DRAM控制器以及PCIe接口。所有這些芯片都專門用于執(zhí)行x86指令代碼。Intel展望了Xeon Phi將用于物理、化學、生物和金融分析等應(yīng)用中。
編程模型
這三種芯片代表了系統(tǒng)軟件開發(fā)人員三種完全不同的模型。Octeon Fusion非常專用：它是芯片基站。編程人員使用它時，將基站應(yīng)用線程映射到CPU、加速器和DSP上，通過中心共享高速緩存來同步線程。雖然可以在CPU之間或者在DSP之間動態(tài)映射任務(wù)，還是需要在不同類型的處理器之間來回遷移一些任務(wù)。
對于軟件設(shè)計人員，16核SPARC64在兩方面是完全不同的。所有這些處理器都是一樣的，都共享一個L2，因此，不需要將線程鎖定某一CPU。硬件加速器位于指令級，由編譯器推斷其使用，而不是由編程器進行調(diào)用。您不需要在分立的硬件加速器之間輸入輸出數(shù)據(jù)，確定正確的線程位于正確的CPU上，或者與松耦合輔助處理器同步。
Xeon Phi在數(shù)量上與Fujitsu SPARC64芯片不同，北向有50個CPU，而不是16個。其互聯(lián)結(jié)構(gòu)也明顯不同，連貫環(huán)上有適度的專用L2，而不是完全共享的L2。毫無疑問，對于與以前IBM相似的Intel體系結(jié)構(gòu)，雙環(huán)是最高效的芯片實現(xiàn)方式。
Intel和Fujitsu芯片都具有同構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，不需要專門調(diào)用硬件加速器，性能與具體位置無關(guān)，沒有跑道方式那么復(fù)雜。軟件設(shè)計人員可以按照自己的方式，將任何混合數(shù)據(jù)流、多線程或者數(shù)據(jù)并行機映射到CPU中。
那么，這到底意味著什么?
很顯然，這三種完全不同的many-core芯片對軟件開發(fā)人員提出了不同的需求。但是，如果是這樣，這些SoC究竟給系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了哪些問題呢?由于這些芯片是新出現(xiàn)的，因此，我們向其他公司中有many-core應(yīng)用經(jīng)驗的用戶提出了我們的問題。
他們建議我們應(yīng)深入了解幾個不同的問題。一是配置：SoC需要多大的I/O帶寬、總線帶寬以及外部存儲器帶寬?第二，密切相關(guān)的問題是性能建模。芯片到底需要多大帶寬與它使用數(shù)據(jù)和產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度有關(guān)。第三是控制問題：SoC怎樣處理中斷?芯片初始化調(diào)試操作、電源管理和按序關(guān)斷時，都需要什么條件?還有功耗問題，在另一篇文章中專門解決了這一問題。
有經(jīng)驗的用戶還提出了另一個有用的建議：明確Octeon Fusion等異構(gòu)專用SoC與Xeon Phi等同構(gòu)芯片之間的不同。專家說，這兩方面代表了完全不同的挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)之后
異構(gòu)many-coreSoC盡管在內(nèi)部組織上是圍繞共享存儲器和總線進行構(gòu)建，而實際上用作數(shù)據(jù)流機。在某一工作模式下，已知數(shù)據(jù)流通過芯片的各種處理器來傳送，一般是固定的數(shù)據(jù)無關(guān)碼型。這些約束簡化了系統(tǒng)級分析。
全球研究組織IMEC (比利時Leuven)的軟件無線電(SDR)研究部科學項目總監(jiān)Liesbet Van der Perre解釋說：“這些系統(tǒng)的存儲器數(shù)據(jù)流有很高的可預(yù)測性。在這些系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流定義了處理器和通路。在某些共享總線或者存儲器結(jié)構(gòu)中的某些點上，您會看到瓶頸，但這通常是可以預(yù)測的。”
Van der Perre的計劃是采用可重新定義的粗粒度處理器陣列來實現(xiàn)移動SDR。芯片配置會隨著射頻工作模式而變化，但是，當射頻保持在某一模式上時，配置會保持穩(wěn)定。那么，在某一模式下，陣列的行為實際上與靜態(tài)異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)非常相似。一旦您理解了數(shù)據(jù)流之后，就比較容易對帶寬需求和功耗進行建模。其實施要求主要來自算法級模型。
這種實現(xiàn)方法是應(yīng)用異構(gòu)多處理器常用的方法，能夠以同樣的方式來使用同構(gòu)many-core系統(tǒng)。對于某一工作模式，可以將任務(wù)固定映射至處理器和存儲器，明確設(shè)計團隊的配置需求，能夠解釋數(shù)據(jù)。由于這種映射，分析SoC體系結(jié)構(gòu)和算法描述體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計人員是否具有這方面的設(shè)計技巧。這也是Mercury計算機公司成名的原因之一，該公司是高端嵌入式計算公司，在PowerPC早期就使用了multicore和many-core體系結(jié)構(gòu)，并率先使用了圖像處理單元(GPU)進行信號處理。Mercury公司的技術(shù)總監(jiān)Scott Thieret說：“這成為我們增值的主要來源，使我們能夠與客戶一起工作，將數(shù)據(jù)流映射到硬件中。”
通過固定映射，至少有信心在理論上對數(shù)據(jù)流和功耗建模。但這并不意味著很容易實現(xiàn)。Thieret說：“對這些系統(tǒng)建模和優(yōu)化來自于經(jīng)驗。您需要進行很多測試。有一些重要的指南，例如，讓數(shù)據(jù)盡可能靠近處理器，利用芯片最佳數(shù)據(jù)移動模型等。但這要依靠經(jīng)驗。”
動態(tài)挑戰(zhàn)
一些規(guī)劃人員認為many-core系統(tǒng)的未來是在另一方向：不是將任務(wù)靜態(tài)映射至處理器，而是流動的、虛擬化系統(tǒng)，其中任何線程都可能隨時占用任何資源。在這一環(huán)境中，預(yù)測帶寬需求、處理負載甚至是功耗都會成為很復(fù)雜的任務(wù)。
一家經(jīng)驗豐富的many-core系統(tǒng)開發(fā)公司內(nèi)部人士評論說：“出于這一原因，發(fā)售的很多系統(tǒng)性能都不是太好。開發(fā)人員能夠?qū)ο到y(tǒng)平均帶寬需求進行建模，但是，他們低估了峰值需求，遇到了無法預(yù)測的瓶頸問題。使其能夠正常工作的唯一方法是降低系統(tǒng)性能。”
他繼續(xù)解釋說：“很難預(yù)測這些系統(tǒng)中的總線競爭或者峰值帶寬。設(shè)計人員一般甚至都不會進行嘗試；他們只是盡量做好總線和外部存儲器配置。他們設(shè)計，測試，并不斷重復(fù)。”
這種不確定性意味著，在工程開始時，如果缺少工作參考設(shè)計，則無法知道某一many-coreSoC是否能夠滿足一些特殊的要求。解決的唯一方法是為系統(tǒng)提供過多的資源，使得資源競爭不會超出能夠使用的資源范圍。
這樣做必然的結(jié)果就是增大了功耗。如果不能提前預(yù)測哪些處理器會全速運行，哪些會降速工作，哪些會在某些時刻關(guān)斷，那么，很難估算SoC和DRAM的功耗或者溫度。Thieret認為：“很難預(yù)測功耗?？偣牡葦?shù)據(jù)指標幾乎與系統(tǒng)中的實際功耗不相干。您最好的做法是借鑒以前工程的經(jīng)驗，進行大量的測試。在FPGA行業(yè)以外，還沒有很好的工具來進行早期功耗估算。”
誰在控制?
如果理解了many-coreSoC的性能和功耗是很大的挑戰(zhàn)，那么，也就知道這些芯片的系統(tǒng)控制同樣是棘手的問題。與前兩個問題不同，對于異構(gòu)、靜態(tài)映射的系統(tǒng)，系統(tǒng)控制并不那么簡單。也不能通過過度設(shè)計來解決這一問題。Thieret提醒說：“系統(tǒng)控制是一個基本問題，隨著處理器數(shù)量的增加，會越來越復(fù)雜。但是，您必須解決這一問題。”
最基本的難點在于將不同處理器中的任務(wù)與外部異步事件同步，例如，中斷、調(diào)試信號或者掉電等。即使是以清晰數(shù)據(jù)流模型為主的靜態(tài)系統(tǒng)，如果需要對某一處理器中的任務(wù)進行中斷，以響應(yīng)某一事件，那么，也很難弄清楚應(yīng)該啟動、暫?；蛘咧匦峦侥男┤蝿?wù)。
在同構(gòu)虛擬系統(tǒng)中，只有系統(tǒng)管理程序知道某一任務(wù)所在的位置，幾乎不可能在正確的地方及時執(zhí)行中斷，在嵌入式操作系統(tǒng)中，會很難完成這一過程。系統(tǒng)設(shè)計人員可能要考慮中斷的替代方案，例如，讓一個處理器專門用于輪詢外部事件，或者使用中斷信號來啟動新服務(wù)線程，而不是中斷現(xiàn)有線程。這些方法都不能很好的解決SoC內(nèi)部和外部之間復(fù)雜的仲裁問題。
初始化和關(guān)斷是同樣的難題。只是停止所有處理器上的所有線程，并不是一種好選擇，這可能會破壞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，或者使得受控機處于危險狀態(tài)中。在出現(xiàn)電源完全失效等情況時，也會很難理解系統(tǒng)是怎樣工作的。一開始就會很難。一些設(shè)計團隊已經(jīng)證實，能夠設(shè)計無法初始化的芯片。一些設(shè)計支持有序啟動，但是不在系統(tǒng)要求的時間范圍內(nèi)。Thieret看到：“不同的應(yīng)用有不同的需求。有時候，您有一個小時的重新啟動時間，而有時候，只有四秒的時間。” Many-core計算的前景很直觀：這是摩爾定律向前發(fā)展的唯一途徑。而采用many-core SoC來實際實現(xiàn)系統(tǒng)時，在系統(tǒng)理解、估算、配置和控制等方面會帶來很多新問題。SoC設(shè)計人員和系統(tǒng)設(shè)計人員一般通過參考設(shè)計來互相理解，這樣才能夠推動向前發(fā)展。
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