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開啟多核心‘潘朵拉’寶盒 晶片業面臨艱鉅軟體編程挑戰

上網時間: 2008年05月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:多核心處理器  編程模型  編譯器 

多核心處理器日益風行,但業界卻一直缺乏可利用這些多核心處理器進行平行編程的工具與技術;目前,透過最新的研究、標準和工具,EDA產業已開始著手解決存在於二者之間的所謂‘軟體落差’問題。

在日前於美國舉行的Multicore Expo展會上,有關多核心處理器的軟體落差問題正成為嵌入式領域所關注的焦點──晶片製造商飛思卡爾(Freescale)、英特爾(Intel)和MIPS等晶片廠商,以及許多晶片新創企業均為其多核心產品擘劃出未來可行的發展方向。還有其他公司也提出警告,業界必須開發出能夠支援下一代晶片優勢的平行軟體,該產業才得以繼續發展。

“軟體和硬體之間存在著巨大的差距。”Venture Development公司(VDC)嵌入式硬體研究總監Eric Heikkila表示。

根據VDC的調查報告顯示,大約有55%的嵌入式系統開發人員表示正使用或將在未來12個月內使用多核心處理器。這一事實更強化了該公司對於嵌入式多核心處理器市場的預期──嵌入式多核心處理器市場營收將從2007年的約3.72億美元成長到2011年的24.7億美元。

這一趨勢在PC市場甚至更為明顯。英特爾公司嵌入式事業群總經理Doug Davis表示,該公司在2007年推出的所有處理器中約有40%使用了多核心技術,而這個數字將在2011年提升到95%。

然而在軟體方面,供應商卻指出,2007年只有大約6%的工具可支援平行編程晶片,而VDC預測這一數字在2011年也只不過上升到40%左右。目前所有嵌入式編程工作中約有85%是用C或C++完成的,但這些語言“很難針對多核心進行最佳化”,Heikkila指出。

“從短期來看,必須透過修改C/C++以提升語言效益,長期而言則需要全新的語言和工具來支援多核心架構。”Heikkila表示。

德州儀器(TI)公司通訊基礎架構事業群技術長Alan Gatherer指出,改善現有技術可能與開發新工具一樣困難。“業界既缺乏解決方案,也缺乏可用的程式碼。只要看看像易利信(Ericsson)這樣的公司,你就會發現他們擁有數百位程式設計師,正以非常嚴謹的方法來開發程式。因此,還有許多新的軟體構想仍有待證實其可用性,但這並非一朝一夕可完成的工作。”他表示。

新創企業RapidMind公司首席科學家Michael McCool呼籲,業界應開發新的編程模型,以協助開發人員瞭解如何為平行晶片最佳化其應用程式。這種模型必須盡可能地自動化,同時能為用戶提供取代的功能和演練機制,McCool表示。

“多核心編程的複雜度遠遠高出目前所想像的程度。”他指出。

對此,長期研究平行編程技術的伊利諾大學香檳校區工程系教授Wen-mei Hwu指出,要開發一個主流的平行編程模型並不容易,而其背後的根本問題才剛開始浮出檯面。

該所大學最近才獲得了微軟和英特爾公司的1,000萬美元資金,以用於贊助其開發新的平行編程技術。“該筆鉅款僅能支援一種平行編程模型的開發,沒有人負擔得起編寫多種模型應用程式的龐大資金。”Hwu指出。

Hwu同時也是該大學新成立的平行編程研究中心聯合主席,他表示希望能建立編程架構,以限制可能會對編譯器造成棘手問題的平行軟體依賴性等變數。“我們相信框架還應該為編譯器和底層硬體提供可用的資訊資源。”他表示。

伊利諾伊大學將與微軟和英特爾在加州大學柏克萊分校所資助的另一個中心展開合作。

另外,伊利諾大學的研究人員正尋求1,000萬美元的資金贊助,以用於開發下一代平行處理器。該晶片名為Rigel,旨在透過推斷目前通用多核心電腦和繪圖晶片的發展方向,以預測未來的多核心處理器。

原在新創企業Ageia Technologies公司(最近被nVidia收購)設計實體處理器的Sanjay Patel將帶領該晶片的設計。Hwu將主導視訊監控等領域晶片的應用程式開發。該開發團隊設定的目標是定義從1W Tflops處理器到100W 10Tflops CPU的一系列晶片。

建立相關標準

而在相關標準訂定方面,多核心協會(Multicore Association)在該展會上宣佈已完成了用於核心之間通訊的應用程式編程介面開發工作,現正著手為嵌入式虛擬化定義相關標準。

觀察人士對此作評價甚高,並指出其他研究小組也正展開相關工作,如行動產業處理器介面(MIPI)聯盟、OpenMP、Posix和Power.org等。

然而,專家們仍然建議在設計新語言或對現有語言進行重大擴展時必須格外謹慎,以便能更有效地提供平行編程晶片。

“每一位電腦科學家的最終目標是建立一種新的語言,但我個人認為現在並不需要這麼做。”Hwu指出,二十幾年前為大型平行電腦開發的眾多語言中,還有許多語言可能從未能引起人們的關注。

“我認為C/C++將出現新的語言結構以支援人們將開發的一些新框架構,但如果我們未能小心謹慎的話,即使是這些結構也無法被廣泛採納。”Hwu認為,“終究,我們都應該為C語言進行少量的擴展,但現在可能就太早了。”

“如果你真的希望有一百萬個人來共同工作,那就不要讓他們說拉丁語。大家只要同樣都說英語就足夠了。”他幽默地說道,並解釋了對演變方法的需求。

根據這種研究考量,比利時IMEC的研究人員們介紹了不少基於所謂CleanC的新工具。IMEC的科學研究總監Diederik Verkest將它視為C語言的改編版本,它採用了28條‘常規’原則,為平行編程機制的發展鋪路。

“如果想用最好的方法來分析程式碼,那麼沿用這些規則是不會錯的。”他指出。

IMEC的新工具之一旨在隱藏新記憶體層級的複雜性,並使逐漸普遍用於多核心晶片中的各種結構進行互連。另一款工具則快速地展示了一種程式的彈性化優點,無需再為該程式進行除錯。

“我們認為把類似編譯器的工具交給聰明的程式設計師,才是實現平行程式碼的最佳途徑。”Verkest表示。

硬體持續進展

在硬體方面,美普思(MIPS)公司在該展會上詳細介紹了該公司第一款具有多處理功能的核心產品。這款1004K的核心用意在於超越其競爭對手ARM公司的現有產品。

飛思卡爾(Freescale)和英特爾則以其多核心晶片產品為基礎,描繪出未來的設計趨勢。

飛思卡爾現正為電信OEM們提供其首款雙核心版本的PowerQuicc處理器樣品。飛思卡爾公司網路事業部研發副總裁Dan Cronin透露,該晶片將成為未來在發展32核心元件系列的一部份。

該處理器將使用全新的晶片互連結構。他們還將在硬體中嵌入一個虛擬管理程式,這是根據Power.org中一個小組所定義的規格,而與IBM公司共同開發的一種低層調度單元。針對希望採用該管理程式而開發出虛擬化軟體的公司們,飛思卡爾將可為其提供開放原始碼的參考設計,Cronin表示。

多核心協會總裁、展覽會主辦方負責人Marcus Levy表示,“還有其他幾家公司也正採用嵌入式虛擬管理程式進行同樣的任務”,所以很容易造成進行虛擬化的非標準方法爭議。

英特爾公司在其多核心晶片的基礎上介紹了幾種擴展趨勢,包括新的晶片結構、暫存記憶體以及多餘核心與排程器的使用。“除了純粹地增加核心數目以外,在發揮多核心處理器真正強大的功能過程中還必須克服許多系統級的挑戰。”英特爾公司嵌入式事業部CTO Pranav Mehta指出。

而英特爾公司究竟有多少工程師正致力於解決多核心編程問題呢?Mehta表示,“我猜測工程師人數至少約有4位數那麼多,但儘管如此,英特爾也還認為不足以單獨應付所有的問題。”

這次還有不少家新創的晶片廠商(包括Ambric和Intellasys等公司)參展,以宣傳其創新的多核心架構,以及針對這些架構而用以編寫軟體的專門工具。其中,一家較新的公司Plurality透露,該公司將在明年初推出256顆核心的產品,並在隨後幾個月內推出相應的模擬模型和工具。

圖說:多核心設計趨勢:多核心晶片普及,惟程式碼仍嚴重欠缺。
圖說:多核心設計趨勢:多核心晶片普及,惟程式碼仍嚴重欠缺。

作者:麥利





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