超级级计算机内核并非多多益善

　　已经没有其他方法来进一步提高处理器的性能，芯片制造商们寄望于在日后让同一芯片包含越来越多的内核。位于美国新墨西哥州的桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的工程师已经模拟出了具有8核、18核及32核微处理器的高性能计算机。芯片制造商称其为该行业的未来趋势。

　　但是，最后的结果却令人沮丧。由于有限的带宽以及和超级计算机不相配套的存储器管理方案，多内核并没有让这些计算机的性能得到改善，有的甚至降低了其性能。在信息学的应用中，它们的性能尤其糟糕——而这些数据密集型程序对该实验室在保障国家安全的应用领域越来越重要。

　　面临的麻烦：单个芯片上内核数目的增多将减缓有些程序（红色）的运行速度，除非存储器带宽（黄色）大大增加。

　　高性能计算一直着力于解决描述物理系统的微分方程，如地球大气或氢弹的裂变触发器。这些系统非常宜于划分为不同的栅极，因此处理器或处理器内核的物理位置可以在某种程度上映射出该物理系统，从而尽量减小移动数据所产生的延时。

　　但与日俱增的重大科学及工程问题（更不必说国家安全问题）都是另一种问题。它们被归类在信息学的目录之下，包括计算发生自然灾害时交通网络所遭遇的变化以及寻找预报恐怖袭击或核扩散的模式。这些操作通常要求对海量的信息数据库进行筛选。

　　桑迪亚国家实验室的模拟工作显示，对信息学而言，内核越多并不意味着性能越佳（请看“面临的麻烦”中的红线）。桑迪亚国家实验室的计算、计算机、信息及数学部主任James Peery表示：“在内核数目增加到8之后，性能就不可能再得到改善。16个内核和2个内核并没有什么不同。”在过去的一年里，桑迪亚国家实验室的研究小组与芯片制造商、超级计算机的设计者以及高性能计算机的使用者对这些结果进行了广泛的讨论。Peery和其他人都认为，除非计算机的设计师们找到解决方案，超级计算机的程序员将关掉额外的内核或者让它们在处理主要问题时发挥辅助作用。

　　这个问题的核心在于所谓的“内存墙”，即CPU的数据操作速度与其获得所需数据速度之间越来越大的差异。虽然单个处理器上的内核数目增加了，但芯片与计算机其他部分的连接数并没有增加。因此，时刻保持这些内核处于工作状态便成了一个很大的问题。Sandia的一位高级技术人员Richard C. Murphy解释说，这个问题在信息学应用中尤其严重，这是因为处理器处理的数据与它接下来所需要的数据的存储位置并没有物理联系。这些数据可能并没有存储在相邻内核的缓冲存储器里，而是存储在20米之外机架上的DRAM芯片里。它们必须离开那块芯片，经由一个或多个路由器以及光纤才能达到该处理器。

　　为了让一切回复归到正常的轨道，美国能源部于去年组建了高级系统机构和算法研究所。该研究所位于新墨西哥州的桑迪亚国家实验室和田纳西州的橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory），其主要工作是弄清5到10年后需要什么样的高性能计算机系统结构，并引领这个行业朝该方向发展。

　　Peery认为：“突破这个瓶颈的关键在于将存储器和处理器更紧密，或者说更巧妙地集成在一起。桑迪亚国家实验室正在探寻在处理器上堆栈芯片会产生的影响，以求找到提高存储器带宽的方法。”

　　至少从模拟阶段的结果来看，前景还是相当乐观的。