??? 摘 要:回顧了計算機體系的發(fā)展歷程,并分析了計算機體系的發(fā)展和技術(shù)研究的關(guān)鍵: Cell和多核等新型處理結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" title="可重構(gòu)計算">可重構(gòu)計算" 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??? 關(guān)鍵詞:計算機體系;可重構(gòu);多核
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??? 現(xiàn)代計算機的發(fā)展歷程可以分為2個時代:串行計算時代和并行計算時代。并行計算是在串行計算的基礎(chǔ)上,由一組處理單元組成,處理單元彼此通過相互之間的通信與協(xié)作,共同高速完成一項大規(guī)模的計算任務(wù)。而每一個計算時代都是從體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展開始,然后才是基于該結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)軟件(特別是編譯器與操作系統(tǒng))、應(yīng)用軟件的發(fā)展,最后隨著問題求解和發(fā)展而達(dá)到頂峰。
1 計算機體系的發(fā)展歷程
??? 隨著計算技術(shù)的發(fā)展,計算機體系也在不斷發(fā)展變化。20世紀(jì)60年代初期,隨著晶體管和磁芯存儲器的出現(xiàn),處理單元和存儲器實現(xiàn)小型化,并行計算機開始出現(xiàn)。到了20世紀(jì)60年代末期,單一處理器中可以集成多個功能單元,產(chǎn)生了流水線技術(shù)。該技術(shù)與單純提高CPU時鐘頻率相比,大大提高了并行計算機系統(tǒng)的性能。
??? 當(dāng)時,伊利諾依大學(xué)和Burroughs公司開始著手實施Illiac Ⅳ計劃,研制1臺64顆CPU的SIMD主機系統(tǒng),涉及到相關(guān)硬件技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、I/O設(shè)備、操作系統(tǒng)、程序設(shè)計語言,以及包括應(yīng)用程序在內(nèi)的眾多研究課題。1975年,隨著一臺規(guī)模大大縮小的原型系統(tǒng)(僅使用了16顆CPU)的面世,新的計算技術(shù)也得到了發(fā)展。
??? 首先是存儲系統(tǒng)的概念,提出了虛擬存儲和緩存的思想,大大提高了計算機的整體性能。其次是半導(dǎo)體存儲器開始代替磁芯存儲器,大大縮小了存儲器的體積并提高了訪存速度。集成電路技術(shù)也被廣泛而迅速地應(yīng)用到計算機技術(shù)中。
??? 1976年Cray-1問世,向量計算技術(shù)被應(yīng)用到高性能計算機中。Cray-1對所使用的邏輯電路是經(jīng)過精心設(shè)計的,采用RISC精簡指令集,引入向量寄存器,完成向量運算。
??? 20世紀(jì)80年代開始,微處理器技術(shù)高速發(fā)展。此時,微處理器隨著機器的字長從4位、8位、16位一直增加到32位、64位,其性能也隨之顯著提高??▋?nèi)基·梅隆大學(xué)提出共享存儲多處理器體系結(jié)構(gòu),并在當(dāng)時流行的DEC PDP-11小型計算機的基礎(chǔ)上研制出1臺由16臺PDP-11/40處理機通過交叉開關(guān)與16個共享存儲器模塊相連接而成的共享存儲多處理器系統(tǒng)C.mmp。伯克利加州大學(xué)對基于SMP方式的總線協(xié)議進(jìn)行擴展,提出了Cache一致性問題的處理方案。從此,C.mmp開創(chuàng)出的共享存儲多處理器體系結(jié)構(gòu)便成為服務(wù)器和桌面工作站的主流。
??? 20世紀(jì)80年代中期,基于消息傳遞機制的并行計算機開始出現(xiàn),加州理工學(xué)院將64個i8086/i8087處理器通過超立方體互連結(jié)構(gòu)連接起來。此后,便先后出現(xiàn)了Intel iPSC系列、INMOS Transputer系列、Intel Paragon,以及IBM SP的前身Vulcan等基于消息傳遞機制的并行計算機。
??? 20世紀(jì)80年代末到20世紀(jì)90年代初,共享存儲器方式的大規(guī)模并行計算機又獲得了新的發(fā)展。IBM將大量早期的RISC微處理器通過蝶形互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接起來。斯坦福大學(xué)提出DASH計劃,通過維護(hù)1個保存有每一緩存塊位置信息的目錄結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)分布式共享存儲器的緩存一致性技術(shù),IEEE在此基礎(chǔ)上提出了緩存一致性協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。從20世紀(jì)90年代末開始,以前發(fā)展的主要幾種體系逐步走向融合,同時隨著新技術(shù)的出現(xiàn)又為新的架構(gòu)帶來了新的革命。
2 Cell和多核等新型處理器結(jié)構(gòu)帶來新的方向
??? 隨著人們對計算機CPU速度的不斷追求和微電子技術(shù)的發(fā)展及限制,一種新的處理器結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn),它就是Cell和多核架構(gòu)技術(shù)的實現(xiàn)。
??? Cell架構(gòu)是1個單芯片多核處理單元,處理單元之間共享存儲器資源。與多核處理器不同,Cell主要采用協(xié)處理器方式,然后依靠多個處理器并行技術(shù)來實現(xiàn)運算速度的提高。盡管存在應(yīng)用程序難以充分利用的弊病,但是其綜合效率以及功耗控制都非常理想,開創(chuàng)了完全可擴展的架構(gòu)模式。從而為大型機、服務(wù)器、以至包括手機在內(nèi)的所有消費類電子產(chǎn)品提供1個統(tǒng)一的架構(gòu)平臺。只需要改變頻率、內(nèi)核數(shù)量等相關(guān)參數(shù),即可保證在1個機器上開發(fā)、在所有機器上運行,大大節(jié)省了軟件移植所帶來的費用。因此,使用Cell的手機完全可以與相應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)行直接溝通和資源共享,從而把這些小資源集合成為一個龐大的計算資源,構(gòu)成一個真正的信息化時代。在這個資源體系中,每個資源節(jié)點可能是微不足道的,但是每個節(jié)點的運算都可能被整個資源庫無窮放大,從而構(gòu)成一個完整的Cell網(wǎng)絡(luò),為消費類電子的信息網(wǎng)絡(luò)化帶來真正的革命。
??? 多核處理器的出現(xiàn)則是一場新的計算方式的革命[1,2]。2006 年,處理器開始從單核向多核處理器發(fā)展,多核處理器已不再局限于高端服務(wù)器,開始向 PC機普及,多核處理器使 PC 機變成并行式計算機。在多核處理器逐漸成為市場主導(dǎo)后,怎樣利用多核的優(yōu)勢來優(yōu)化并行程序設(shè)計成為一個需要研究和解決的問題。多核設(shè)計的出現(xiàn)為摩爾定律轉(zhuǎn)向基辛格規(guī)則帶來了生命力。英特爾推出了雙核、四核至強和雙核安騰處理器,AMD也推出了雙核、四核皓龍芯片,IBM的Power5+芯片也是雙核設(shè)計,針對HPC和圖形運算的Cell芯片更是擁有1+8個核,SUN公司的Ultrasparc T1擁有8個核,Clearspeed(96核)、思科NPU(192核)、RIKEN(512核)更是推出了擁有數(shù)十個甚至數(shù)百個核的芯片,預(yù)計到2020年,千核CPU也會誕生。同時,多核技術(shù)在高性能計算中也已獲得了廣泛應(yīng)用。
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3可重構(gòu)計算技術(shù)帶來新的亮點
??? 以前的計算機硬件技術(shù)都是固件化的,無法隨著環(huán)境的改變而改變,產(chǎn)生大量的電子垃圾,不利于環(huán)保經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,而可重構(gòu)計算技術(shù)的出現(xiàn)則為我們帶來了曙光??芍貥?gòu)計算就是通過實現(xiàn)硬件的可編程技術(shù)來滿足不同計算任務(wù)的需求,從而達(dá)到最佳性能,且要求這種硬件結(jié)構(gòu)的變化能實時地適應(yīng)計算任務(wù)要求的變化。這種體系結(jié)構(gòu)可變的特點,可以滿足實際應(yīng)用中的多元化需求。實現(xiàn)可重構(gòu)計算的底層技術(shù)有FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)和CPLD編程技術(shù)。
??? 在處理器芯片體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用可重構(gòu)計算技術(shù)的基本思想是通過動態(tài)配置片上大量的處理單元、存儲單元和互連單元,來支持各種不同類型并行性的計算模型,從而能在一個很寬的應(yīng)用范圍內(nèi)達(dá)到高性能,提高片上硬件資源的利用率?;诳芍貥?gòu)計算技術(shù)實現(xiàn)的多型微處理芯片體系結(jié)構(gòu)能夠很好地利用半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展提供的能力,在解決應(yīng)用的多樣性問題的同時,還可解決片上資源利用率、設(shè)計復(fù)雜性、系統(tǒng)可靠性以及降低成本和功耗等多方面的問題??芍貥?gòu)計算技術(shù)在處理器芯片設(shè)計中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的指令集體系結(jié)構(gòu)、微體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)。
??? 可重構(gòu)計算技術(shù)[3-5]使計算機硬件的設(shè)計不再復(fù)雜,硬件不再只是“硬”,也具備“軟”的特性,即硬件可“編程”。在可編程的介質(zhì)中提供強大的計算能力和密度,使得在單片系統(tǒng)上以低硬件復(fù)雜度開發(fā)出各種類型的應(yīng)用, 同時能夠針對應(yīng)用中固有的并行性特征動態(tài)配置多個微體系結(jié)構(gòu)模型,從而大幅度提高計算系統(tǒng)性能、降低功耗和設(shè)計的復(fù)雜性。
??? 在設(shè)計中通常采用“自頂向下”的方法,即把系統(tǒng)分為若干模塊。原則是使得每個模塊有較獨立的功能,模塊之間的耦合盡可能?。ㄍǔ1憩F(xiàn)為相互通信盡量簡單)。劃分之后,再分別實現(xiàn)每個模塊,最后把模塊像搭積木似地組裝起來。其中某些模塊可以做成現(xiàn)成的,可供設(shè)計時使用,即IP核心,它可以重復(fù)使用,從而提高了設(shè)計效率。再配合成熟的EDA工具作為設(shè)計流程的工具鏈,這樣設(shè)計就顯得相對容易。當(dāng)然相對使用高級語言的軟件編程,仍然是難于設(shè)計和缺乏靈活性的,其實IP的思想與軟件的靜態(tài)鏈接庫很相似??梢园袸P核心封裝成軟件可調(diào)用的庫的形式。庫分為靜態(tài)庫和動態(tài)庫,動態(tài)庫允許在程序執(zhí)行時按需加載和卸載。這相當(dāng)于硬件在設(shè)計運行時,IP核心可以動態(tài)地載入和卸出,當(dāng)然前提是并不破壞原有程序和數(shù)據(jù)。把IP核心封裝成動態(tài)庫,將是可重構(gòu)計算平臺最為核心的思想。
??? 隨著芯片設(shè)計技術(shù)的SoC化,如何在1個芯片中集成很多現(xiàn)有的IP核,快速設(shè)計系統(tǒng)成為未來研究發(fā)展的重點。這時,IP核的可重用性和可更改性就成了最關(guān)鍵的技術(shù),而開放源碼的IP核將提供方向。中國有案可查的開放源碼硬件項目是2001年3月啟動的OpenARM項目,在“中國芯”盛行的那幾年里,不少學(xué)校和研究單位參考開放源碼的處理器設(shè)計了自己的微處理器。這個時期,中國利用開放源碼硬件的資源進(jìn)行IC設(shè)計的方法開始悄然流行。中國工程院院士許居衍的論文《半導(dǎo)體特征循環(huán)與可重構(gòu)芯片》中基于此技術(shù)的發(fā)展提出 “許氏循環(huán)”[3],半導(dǎo)體產(chǎn)品的主要特征將沿著“通用”與“專用”循環(huán)波動,每10年1次,從2018年~2028年,將會重新走向通用?!霸S氏循環(huán)”發(fā)展圖如圖2所示。
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??? 許居衍的依據(jù)是,因為“可重構(gòu)計算是1個難度頗大、涉及面甚廣的課題,盡管當(dāng)前很多人在研究,但是無論在器件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還是在設(shè)計方法學(xué)方面,均存在不少問題,仍有很長的路要走??芍貥?gòu)計算技術(shù)的發(fā)展,最終將推動主流應(yīng)用進(jìn)入U-SoC通用波動。只通過對‘毛坯芯片’(Raw Chip)的配置編程就可以得到用戶自定義的功能電路,從而引導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演變,最終促進(jìn)芯片應(yīng)用創(chuàng)新Designless 模式的興起”。所謂的Designless,就是無需設(shè)計、自動生成集成電路,工程師只需要關(guān)注應(yīng)用和功能層面即可。但實現(xiàn)Disignless的前提是必須軟硬件都開放。因為如果只開放軟件,不知硬件細(xì)節(jié),還是無法生成一個完整設(shè)計。因此,一個邏輯的發(fā)展應(yīng)是“硬”、“軟”均可編程,即算法可編程、可重構(gòu)器件也可編程的U-SoC。
4 可重構(gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的融合
??? 自從計算機發(fā)明以來,馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)一直占據(jù)計算機體系結(jié)構(gòu)的統(tǒng)治地位,科學(xué)家和工程師們在此基礎(chǔ)上不斷研究硬件和軟件,使CPU和存儲器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,也為信息化、網(wǎng)絡(luò)化奠定了基礎(chǔ)。隨著人們對信息化的要求越來越高,馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足人們的技術(shù)需求和發(fā)展要求,對計算機的要求不再僅僅是高速計算,同時更應(yīng)具備信息處理和智能升級能力??芍貥?gòu)技術(shù)與多核技術(shù)的出現(xiàn)為此提供了基礎(chǔ)。筆者認(rèn)為新的計算機體系結(jié)構(gòu)將是:(1)CPU將不再由1個核組成,而是由多個核組成的Cell;(2)存儲器將不是中心,取而代之的將是信息通路;(3)計算機不再是五大部件,而是由多個信息處理節(jié)點構(gòu)成,每個節(jié)點的智能化[5]和集成化越來越高;(4)程序設(shè)計將包括軟件和硬件設(shè)計,生產(chǎn)商們提供的產(chǎn)品將是一個個封裝好的中間件,作為應(yīng)用者將勿需關(guān)心程序設(shè)計,只需要關(guān)注專業(yè)設(shè)計,對于應(yīng)用者將會更加友好。新的計算機體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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??? 全文回顧了計算機體系的發(fā)展歷程和新技術(shù),并分析了目前計算機體系的發(fā)展和技術(shù)研究的關(guān)鍵: Cell和多核等新型處理結(jié)構(gòu)和可重構(gòu)計算技術(shù),提出了新的計算機體系結(jié)構(gòu),為計算機研究和應(yīng)用提供了參考。
參考文獻(xiàn)
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