核心数量攀升为哪般？破解多核处理器的功耗挑战

ZDNet至顶网服务器频道 05月28日 新闻消息： 随着主流处理器在运算核心数量上的不断攀升，预计该数字很快就会突破数百大关，来自英国的研究团队正在努力工作，希望解决由此带来的功耗失控难题。

今年，第一款八核智能手机将投放市场，手机与平板等移动设备核心数量上的增长，电池寿命却经受着严峻考验。一味增加处理器核心数量的做法也带来了致命难题——能源利用率无法随核心数量的增长一同提高。随着运算核心的激增，电力消耗的提升速度远高于性能增幅。

多核心处理器为能源带来了挑战

由各英国大学研究人员组成的技术团队的粗略估算显示，如果我们把16核心处理器塞进一台现代智能手机，那么其最大电池寿命将骤降至三个小时；而如果使用100核心处理器，现有电池将仅能维持一个小时左右。

严格扼制多核心处理器对电力的贪婪吞噬绝不仅仅是为了支持移动计算设备；随着Gmail、Salesforce.com以及Spotify等云服务的进一步普及，这种仅通过互联网访问即可满足计算需求的方案导致数据中心内的服务器集群数量大幅走高，由此引发的能源难题也愈发迫切。

如果得不到有效解决，多核心处理器导致的功耗上升会严格限制计算性能的发展；据预测，未来三代CPU将需要将设计电路数量降低50%，否则将无法控制能源需求膨胀、甚至造成大量芯片因过热而受到破坏。

众多厂商开始尝试新技术解决多核带来的难题

                                                            英特尔公司的至强Phi协处理

为什么我们要费心解决数百核心处理器的功耗限制问题？这听起来纯粹是学术层面的研讨，至少在未来十年中主流处理器还不会遇到这类麻烦。但需要注意的是，多核心处理器的进一步升级并不像我们想象的那么遥远——尤其是在八核心处理器已经在台式机与服务器领域广泛出现的今天。另外，以至强Phi协处理器为代表的特制多核心处理器已然登场，而且根据摩尔定律的推算、到2020年处理器中的晶体管数量将达到目前主流水平的16倍。

2011半导体国际技术路线图由技术专家制定，对全球半导体厂商的未来发展做出预测。根据路线图的推断，到2015年将出现拥有近450个处理器核心的电子产品，而到2020年这一数字将进一步飙升至1500个。

芯片设计师们正在尝试通过各种新鲜思路攻克多核心设备中的功耗难题。ARM公司的big.LITTLE配置就是一例，该项目尝试将高性能高功耗的处理器与高能效低性能的处理器进行搭配，以平衡设备的整体能耗水平。

不过将低功耗芯片与高功耗芯片相结合的思路在提高能源利用率方面存在瓶颈，南安普敦大学电子与计算机科学系教授Bashir Al-Hashimi指出，他同时也在主持着一个新项目、希望能为功耗难题带来更具长效视野的解决方案。

南安普敦大学与包括英国芯片设计厂商ARM及微软在内的诸多高校与企业共同建立起研究团队，全力向PRiME（代表能源效率、可靠性以及多核心嵌入式系统）项目发起冲击。该项目将研究如何对处理器、操作系统以及应用程序进行重新设计，以保证CPU能根据当前运行的应用程序更精确地匹配合理功耗。

“从长远角度看，项目的关注重点不会局限于硬件本身，系统软件也需要更具智能特性、以便与硬件展开默契配合，”Al-Hashimi解释道。

他同时指出，为了确保处理器在任何时候都不会消耗比必要更多的能源，他们需要为操作系统开发出更加智能的电源管理体系，借以匹配CPU的实际运行状况。以时钟及功耗控制为代表的一些现有低功耗技术已经被整合至芯片设计当中，并在芯片运转时加以调用。

“这一切都在设计过程中就需要考虑周全，所以我们必须深入理解甚至准确预测各应用程序的执行情况，并抓住各种机会削减其计算功耗，或者在非有效运行状态下彻底剔除其计算需求，”他告诉我们。

PRiME项目将采用一套动态电源管理模式，其中处理器将与操作系统内核共同协作，并通过关闭某些运算核心或调整CPU时钟频率的方式在降低功耗的同时为应用程序精确提供“刚好够用”的处理性能。

新方案解读

这种动态电源管理机制需要技术人员对现有计算机硬件、操作系统以及应用程序做出全方位改动。

额外电路，例如性能与能源计数组件，将成为处理器的一部分，用于捕捉更多关于CPU运行强度以及工作负载在各运算核心间分布情况的数据。这些数据包括当前功耗水平以及每个核心的工作频率。

数据汇总完成后将被提交给操作系统，用于制作当前处理器负载及CPU运算情况的快照资料。根据数据的具体内容，操作系统内核中的电源管理程序将对能源分配做出对应调整。

最后，每款应用程序可能都需要在操作系统内核的电源管理系统中保存一个配置文件，用于描述该应用的功耗与性能需求。Al-Hashimi认为比较可行的方案之一是在应用程序开发流程中制作该文件，并利用软件工具检测其在特定处理器架构上的实际性能需求。

所有这些变更都要求操作系统不断监控CPU的性能及电源使用情况，并根据配置文件中所列出的应用程序需求精确调整对应用电量。这部分调整主要通过降低CPU时钟频率、电压电流以及关闭部分运算核心等方法实现。某些特殊处理器的具体操作则更为复杂——例如ARM的big.LITTLE需要在不同类型核心之间进行切换——这就要求处理器硬件做出进一步针对性修改。

此项研究将由多家英国高校联手进行。帝国理工学院负责研究硬件增强与重新配置，南安普敦大学与纽卡斯尔大学则冲击软件运行管理的优化难题。

为了对多核心系统的功耗及可靠性进行优化，南安普敦大学在曼彻斯特大学的支援下创建了一套1024核心的计算系统，这将有助于充实其对高度并行系统的认知，从而构建起SpiNNaker架构。SpiNNaker计算架构模型。曼彻斯特大学的专家们希望利用一百万个ARM处理核心来模拟人类大脑的神经元网络。

南安普敦大学的研究人员们还开始对Linux内核的电源管理系统进行修改，尝试捕捉MPEG解码器在功耗与性能方面的需求数据。

“我们努力让智能电源管理系统从任务中学习。我们努力为任务处理进行解读，了解其具体需要何种程度的时钟频率。在此基础上，我们将最终决定处理器在执行该任务时所采取的运转状态，”Al-Hashimi解释道。

PRiME项目预计耗时五年，由来自南安普敦大学、帝国理工学院、曼彻斯特大学以及纽卡斯尔大学的多位学者共同组成研究团队。物理科学研究理事会（简称EPSRC）将在这五年中投入560万英镑的资助费用。

除了根据观测结果动态调整功耗水平，该项目还将研究如何利用配置文件描述中的应用重要程度或者相关数据的优先级别改变程序的运行效果。虽然对处理器寄存器的精确调校能帮助想在飞机上办公的用户有效延长电池寿命，但对于想在平板上看电视的使用者来说，搞什么精确控制显然是多此一举。