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多核心运算架构优势探讨
效能与应用的互激

【作者: 陳隱志】2005年12月05日 星期一

浏览人次:【7578】

数字家庭(Digital Home;DH)概念是近年来Wintel阵营所积极推展的新应用焦点,同时2005年也是x86处理器正式进入双核(Dual-Core)工艺的一年,未来更将迈向多核(甚至多绪)的新境界,而Digital Home愿景市场有了Dual-Core/Multi-Core的加持后,预计将会有更快速且更全面的普及发展。


真的需要多核吗?从过往的多任务质疑谈起

过去PC刚从16-bit 8088/80286+DOS的单工时代进入到32-bit 80386+Windows的多任务(Multitask)时代时,有人发出这样的疑问:多任务不是大型系统才有的功能吗?为何要将这种功能移植到PC上呢?大型系统要同时提供给多人使用所以才需要多任务,PC属个人用途,有必要运用到多任务吗?时至今日此问题的答案已相当明显,甚至再有此种疑问的人会被人觉得很不可思议。


如果PC无法多任务,那么各位开启IE浏览器后,必须将其关闭才能开启Word字处理器,打完字后再将其关闭,才能再开启Outlook进行收发信,至此很明显:有谁还愿意回到单工时代呢?


类似的,PC有必要实行多核吗?与多任务相近的,多核最初也来自高阶系统,即2001年IBM的eServer p690(UNIX)服务器,该服务器使用的POWER4是第一颗实行双核设计的CPU,之后HP、Sun也跟进,2004年HP发表双核的PA-8800,Sun则发表双核的UltraSPARC IV,并各自用于自家的高阶UNIX服务器中。


《图一 AMD于2003年以Athlon 64率先引爆PC的64-bit热潮,2005年则以Athlon 64 X2率先引爆PC的Dual-Core热潮。》
《图一 AMD于2003年以Athlon 64率先引爆PC的64-bit热潮,2005年则以Athlon 64 X2率先引爆PC的Dual-Core热潮。》

<数据源:AMD.com>



到了2005年,AMD、Intel也发表双核CPU,不仅是服务器、工作站之用的AMD Opteron、Intel Xeon有双核:称为Opteron Dual-Core、Xeon 7000,就连桌上型PC用的AMD Athlon 64、Intel Pentium 4也都推出双核版:称为Athlon 64 X2、Pentium D(Dual)、Pentium EE(Extreme Edition),且依据规划,未来的低价PC、笔记型PC亦都将有双核。


同样的,今日人们也疑惑:双核/多核技术源自高阶服务器,有必要让PC也实行吗?关于此笔者相信答案也是肯定的,自从Internet开放后(供民间家庭与企业商务使用),家庭成员使用PC的时间大增,因此经常会争抢过去家中唯一的一部PC,也因此1997年启动了低价PC/免费PC(Low Cost PC/Free PC,只要预付合约的上网费便赠送一部PC,类似今日绑服务年约的1元手机)风潮,许多家庭为抒缓与解决争用问题而购买第二部PC。


然而,家庭个员使用Internet/PC的时间愈久,且享用来自Internet/PC的数字内容与多媒体影音娱乐愈多,两部PC也必将不够负荷,家庭也没有预算及空间增购第三、第四部PC,届时各位就会感受到「多核」的必要性。


《图二 Intel于2003年发创超线程(HyperThreading;HT)的双绪执行技术,2005年也跟进推出Dual-Core的双核执行技术,前后技术相结合后等于拥有双核四绪的超加速执行。》
《图二 Intel于2003年发创超线程(HyperThreading;HT)的双绪执行技术,2005年也跟进推出Dual-Core的双核执行技术,前后技术相结合后等于拥有双核四绪的超加速执行。》

<数据源:Intel.com>


Wintel过往鱼水互帮的成功模式

再从另一角度看,过往PC的硬件效能提升、软件应用延伸本就不是同步齐进,而是种互激的旋升效应,386 PC刚出现时大家也多还在用DOS,只是386比286执行更快而已,然而在Windows 3.0问世并大受欢迎后,由于386无法流畅执行Windows,促使大众改买486,进一步的也为了流畅执行Windows 95而升级成Pentium。


然而到了Pentium、Pentium Pro/II时产生了效能过剩的问题,因此开始强调用PC观赏影片(播放Video-CD)的新延伸用途,以及软件声卡、软件调制解调器等替代用途。所以,到底要效能先到位还是应用先到位?负面看是鸡生蛋、蛋生鸡的犹豫(也类似先有订单还是先有产能),但正面看就成了鱼帮水、水帮鱼的共策共进。


有了应用需求迫使效能提升,有了过剩的效能开始寻求新的应用诉求,今日的双核/多核不过是例行的效能先到位而已,很快会被各种应用所填耗。


高压缩、实时串流的娱乐影音

被各种应用所填耗?这样说过于抽象、浮泛,笔者更具体的列举,主要必是重度的多媒体影音,例如3D绘图游戏、压缩演算比MPEG-2/DVD-Video更复杂繁重的MEPG-4/H.264、要求实时传输并译码播放的串流影音(Streaming Media)、高分辨率影音(HDTV的1920×1080@60Hz、HD Audio的24-bit/192kHz/7.1 Channel)等。


此外还有P2P交换、影音剪辑(结婚、生日等多媒体家庭日记)、节目录像(用MPEG-1/2/4编录并存于硬盘,取代传统VHS录放机)、家庭保全录像等,上述的种种应用有些是全天候持续(如P2P及保全录像),有些则会是同时多份执行(主卧房、客厅各自播放不同影音内容),如此PC将愈来愈难负荷,最后必然要用多核来执行多媒体多任务才能胜任。


或许我们可以这样譬喻、对应,过去的单核能因应单人的文字、数字、静态图表等应用的多任务,如今若要因应家庭多位成员的实时串流动态影音、高分辨率影音、3D绘图特效的多任务,就必然要导入多核架构。


《图三 Intel力推之ViiV(欢跃)硬件平台》
《图三 Intel力推之ViiV(欢跃)硬件平台》

<图注:Wintel近年来积极推展数字家庭的理念、技术、产品,Microsoft于2003年开始力推Media Center操作系统,Intel于2005年开始力推ViiV(欢跃)硬件平台,图为HP的Media Center PC。>


愈来愈多以PC为主体的简化、便利式应用

家庭多成员同时使用?这似乎难以想象,PC不过就一副键盘/鼠标与显示器,或许P2P交换、视讯录像可在背景执行,但同时间也只能让一人使用PC,如何让家庭中的多位成员一同使用?


这必须谈论近年来的PC延伸应用,姑且不论Thin Client(精简型计算机)与Smart Display(智能型显示器),光就数字媒体配接器(Digital Media Adapter;DMA)与居家网络话机(WiFi Phone)就足以让更多人同时运用PC。


所谓DMA,多是透过WLAN(Wireless Local Area Network;无线局域网络)管道与PC相连,DMA具有按钮或遥控器,可以操控、命令PC进行影音播放,之后影音播放的内容透过无线传输给DMA,DMA再进行译码解析,最后DMA与电视、显示器及喇叭等相连,将影音效果重新呈现。


更简单说,DMA就是针对PC媒体播放应用的简化操作器、PC的延伸分身,有了DMA,即便不懂PC的人也能运用PC来播放影音,如同操控传统消费性影音(家电音响、录放机等)般地容易,而且是透过无线传输延伸至家庭各处,每个人、每个房间、每个装置可以有不同的影音播放。


至于WiFi Phone更不用多言,使用网络电话(VoIP)不用再拘绑在计算机桌前,可用无线方式在居家任何地方持续通话,而且也是家庭各成员同时使用,不再需要争抢同一支家用市内话机,迫使其他人得用较昂贵的手机通话。对此也需要家庭连外带宽、以及强力的PC效能来支持始能实现。


《图四 Play@TV公司的数字媒体配接器(DMA):NMP-4000型》
《图四 Play@TV公司的数字媒体配接器(DMA):NMP-4000型》

<图注:该公司也称此为Network Media Player,只要将视讯盒与电视、喇叭连接,并用无线区网与PC相连,即可用遥控器来操控远程的PC,将PC的影音内容透过无线传输至电视、喇叭上播放。>


看不到的系统功效也要倚赖多核

上述的种种应用都是肉眼可见的耗用,还有许多默默运作的机制也一样要耗用PC效能,例如前述的视讯录像及播放会用到MPEG编译码运算(软件CODEC)、HD Audio也会用到多声道音频的编译码运算(软件声卡)。除此之外,软件调制解调器、软件宽带分享器(PC加接Hub/Switch,将带宽分享给其他网络装置,分享运算由PC负责执行、转递)、软件WLAN/WiFi无线基地台(只连接简单的Wireless Access Point无线接取点,其余运算工作交付给PC)。


再者,还有软件防火墙、软件磁盘阵列(为求数据安全性与加速性,需要使用RAID)、软件式的无线传输加解密(无线传输容易遭隐私泄漏、内容拦截,需要WEP、WPA/WPA2等加解密演算,Skype亦有256-bit AES加解密功能)等,都需要耗用PC的CPU效能。同时多份与长时间持续执行,也一样需要多核为其后盾。


加上Java、.Net撰写成的软件愈来愈多,这类的软件需要中介层的编解译才能执行(Byte Code与JVM/JRE、Managed Code与CLR/CLI),需要耗用更多执行效能,但好处是原生支持多绪执行,如此亦可用多核来加速。


此外网路安全登入、安全交易所需的SSL加密(即https://)也一样要耗用较多的CPU演算,如此SSL的使用机会也愈来愈多,编密位元数也愈来愈高,从40-bit、56-bit到128-bit,日后难保资安威胁不会增加(许多编解密演算已证实可破解,并在串接多部一般电脑后,以平行加速运算法快速破解),可能又有逐增的必要。


《图五 Nokia 770 Internet Tablet》
《图五 Nokia 770 Internet Tablet》

<图注:Nokia发表的Nokia 770 Internet Tablet,具Bluetooth与WiFi等无线功能,可用无线方式进行上网、影音播放、网路电话等应用,等于具备WiFi Phone、Portable DMA等效用。 >


时脉已难提升,多核成持续加速的必然手段

最后,还有一个最现实的技术问题,Intel的CPU时脉已停滞在4GHz门口许久,始终无法跨越,其他半导体业者对此也多无明显解方,因此改以多核方式来持续提升效能,已是最后不得不行的唯一手法。


总之,如何在家庭有限的空间、预算(多核也意味着持续提升的价格效能比,大陆称:性价比)中满足更多的重度即时影音应用,眼前较可行的作法也都一致指向:多核架构,等于把PC提升至Home Server(家用伺服器)的任务角色,既然是伺服器,那么多​​核需求也就更加名正言顺。


不单是x86 PC,就连Mac也一样要迎合多核之趋,2005年10月Apple发表了PowerMac G5 Dual-Core,使用上双核的PowerPC970MP CPU,原本PowerMac G5机内本就可配置2颗单核的PowerPC G5(PowerPC970/PowerPC970FX),如今换装PowerPC970MP后等于是部4核系统,所以PC绝不会只在单核或眼前刚起步的双核,多核必然要进驻到数位家庭。


[2] D.A. Smolyansky, Time Domain Network Analysis:Getting S-parameters from TDR/T Measurements - Infiniband PlugFest, 2004>
未来智能手机的电源管理技术

不单是x86 PC,就连Mac也一样要迎合多核之趋,2005年10月Apple发表了PowerMac G5 Dual-Core,使用上双核的PowerPC970MP CPU,原本PowerMac G5机内本就可配置2颗单核的PowerPC G5(PowerPC970/PowerPC970FX),如今换装PowerPC970MP后等于是部4核系统,所以PC绝不会只在单核或眼前刚起步的双核,多核必然要进驻到数位家庭。如果说IT(Information Technology;信息技术)界要颁发最速黯淡奖,那么笔者可能会提名InfiniBand,理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草,2000年正式 发表,之后主力业者纷纷退出。 不单是x86 PC,就连Mac也一样要迎合多核之趋,2005年10月Apple发表了PowerMac G5 Dual-Core,使用上双核的PowerPC970MP CPU,原本PowerMac G5机内本就可配置2颗单核的PowerPC G5(PowerPC970/PowerPC970FX),如今换装PowerPC970MP后等于是部4核系统,所以PC绝不会只在单核或眼前刚起步的双核,多核必然要进驻到数位家庭。InfiniBand:还会有多少人想起我?

在前些天举行的IDF上,Intel已经联合了众多的硬体和软件开发商一起支援Intel的EM64T和双核心处理器,同时也让外界体验了多核心处理器的超强性能。你可在「 在前些天举行的IDF上,Intel已经联合了众多的硬体和软件开发商一起支援Intel的EM64T和双核心处理器,同时也让外界体验了多核心处理器的超强性能。 」一文中得到进一步的介绍。

在前些天举行的IDF上,Intel已经联合了众多的硬体和软件开发商一起支援Intel的EM64T和双核心处理器,同时也让外界体验了多核心处理器的超强性能。在「 在前些天举行的IDF上,Intel已经联合了众多的硬体和软件开发商一起支援Intel的EM64T和双核心处理器,同时也让外界体验了多核心处理器的超强性能。」一文为你做了相关的评析。

市场动态

日前参加GSPx 2005研讨会的人士指出,多核心IC虽然拥有效率和性能的双重优势,但他们需要有能够隐藏软硬体细节的新型编程模型。如果说IT(Information Technology;信息技术)界要颁发最速黯淡奖,那么笔者可能会提名InfiniBand,理由是InfiniBand的规格及标准规范自1999年开始起草,2000年正式 发表,之后主力业者纷纷退出。日前参加GSPx 2005研讨会的人士指出,多核心IC虽然拥有效率和性能的双重优势,但他们需要有能够隐藏软硬体细节的新型编程模型。InfiniBand:还会有多少人想起我?

日前参加GSPx 2005研讨会的人士指出,多核心IC虽然拥有效率和性能的双重优势,但他们需要有能够隐藏软硬体细节的新型编程模型。你可在「 首批多核心晶片进入市场」一文中得到进一步的介绍。

首批多核心晶片进入市场在「 首批多核心晶片进入市场」一文为你做了相关的评析。

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