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兆次浮點運算推動超級電腦性能邁入普適應用

上網時間: 2007年03月30日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:英特爾  Intel  兆次浮點運算  兆次  ISSCC 

讓PC、筆記型電腦甚至PDA具備超級電腦運算效能,將可望在不久的將來成為現實。英特爾(Intel)在上個月的積體固態電路會議(ISSCC)中,揭示了兆次(Tera-scale)研發專案的最新成果,進一步闡述了去年宣示的80核心晶片技術細節。

英特爾中國研究中心總經理杜江凌表示,這個80核心可編程處理器採用了單元化設計(tiled-design approach)架構,這種類似舖磚的方式能讓設計人員只需設計一個單元,其他的所有單元就能以剪貼方式快速完成。相較之下,若以單一核心來設計同樣大小(內含一億顆電晶體)的晶片,則約需兩倍長的設計時間,以及兩倍的研究人員。

該晶片的每個核心都具有負責浮點運算的計算單元,以及負責與四週圍核心通訊的通訊單元。而要讓80個核心都能順利運作,關鍵在於採用的互連架構。透過在晶片上內建通訊網路(network-on-a-chip),新晶片將實現每秒傳輸超過兆位元資料的目標。

英特爾在其80核心實驗晶片中採用了網格網路(Mesh Network)的連接概念,為每個核心提供了5埠的訊息傳遞路由器,其中四個埠分別與每個核心週邊的四個核心連接,而第5個埠則為通訊通道,該通道“負責與未來3D堆疊式記憶體進行通訊,而這是英特爾實現3D互連的創新之處,”杜江凌表示。

據表示,這種堆疊式記憶體會內建於晶片中,這意味著晶片內部的通訊能力將大幅提升,且延遲會更小。“我們預計幾個月或1年內開發出這種記憶體,”杜江凌說。目前,英特爾展示的80核心實驗晶片在4GHz運作速度下,延遲僅為1.25ns,通訊能力則達80GB/s。


圖:英特爾的兆次運算晶片內建通訊網路,以實現每秒傳輸超過兆位元資料的目標。

電源效率

目前,英特爾推出的80核心實驗晶片每秒執行1兆次浮點運算只需62瓦,相當於現行的桌上型電腦處理器。“透過精密電源管理(Fine-grain power management)機制,新晶片將實現更佳的能源效率,”杜江凌說。

在該實驗晶片中,每個核心都具備可在全域時脈上節省功耗的獨立時脈控制方案;以及可依不同應用需求讓每個核心個別休眠或喚醒的全新指令。另外,該晶片還採用了例可休眠式電晶體、同頻異相(mesochronous)時脈等節省功耗的方法。

據英特爾內部實驗資料,其實驗晶片在3.16、5.1、5.7GHz頻率下,電壓分別為0.9、1.2、1.35V時,功率分別為62、175與265W;效能則分別可達1.01、1.63與1.81兆次浮點運算。杜江凌指出,過去業界一直專注於提高時脈速度以提升效能,但這對耗電量的影響甚鉅。這強調了應透過更多核心,而非透過增加時脈來提升效能的重要性。

多核心的未來

不只是在個人電腦、伺服器和手持式裝置上提供娛樂應用,根據英特爾的規劃,兆次運算還將協助實現過去僅出現在科幻影片中的科技,如人工智慧、即時視訊通訊、高逼真度遊戲、多媒體資料採擷(data mining)和即時語音辨識等。

不過,至少還要5年,兆次運算技術才能將超級電腦效能導入一般應用。“軟體是一大問題,”杜江凌指出,在晶片設計技術全面改朝換代之際,要讓軟體設計師熟悉新架構就要花許多時間,另外還包括I/O與週邊配置,都是需要時間來解決的極大挑戰。

目前英特爾正將焦點鎖定在建立晶片中的3D記憶體堆疊,並有上百個有關架構、軟體和系統設計所面臨挑戰的兆次運算研究計劃正在進行中,以探討在未來5至10年間製作內含數十甚至數百顆核心處理器的技術。

“隨著兆次運算晶片問世,未來依照不同應用需求,只需增加或減少核心即可,不會提升設計複雜度,”杜江凌說。不過,他並未預估在晶片中整合核心數量的極限,而是表示這將視互連技術與效能而定。但目前看來,這個80核心的實驗晶片運作良好,可望成為未來各種運算應用的基礎。

作者:鄧榮惠




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