基于國產(chǎn)申威CPU的國產(chǎn)HPC系統(tǒng)最近登頂HPC TOP500。看看新聞贊嘆一下之余，是不是總得獲取點(diǎn)營養(yǎng)才行？怎么獲?。?/p>

　　【主線1】從SMP/NUMA說起

　　多CPU在早期是通過一個共享總線比如FSB連接在一起，同樣掛接在FSB上還有內(nèi)存控制器，橋控制器等，這種多個CPU共享訪問集中的RAM的架構(gòu)成為SymmetricMulti Processor（SMP）架構(gòu)，或者UMA（Uniform Memory Access）架構(gòu)。如圖1所示。

　　圖1

　　后來共享總線改為了規(guī)格更高的交換式架構(gòu)，所有CPU內(nèi)部的關(guān)鍵功能部件全部放到一個Ring上，相當(dāng)于地鐵環(huán)線一樣來運(yùn)送數(shù)據(jù)，而多個環(huán)線之間，再使用交換式架構(gòu)的分布式交換矩陣連接在一起。所以，CPU訪問自身環(huán)線上的內(nèi)存控制器，速度很快，而訪問位于其他環(huán)線的MC，則需要通過分布式交換矩陣，整個內(nèi)存空間還是多CPU共享而且可以直接尋址的，但是訪問距離近的MC，速度快時延低，訪問遠(yuǎn)處的則速度慢時延高，所以為None Uniform Memory Access（NUMA）架構(gòu)，如圖2所示。交換式架構(gòu)可以擴(kuò)展到更多CPU和RAM，比如32路Intel x86的服務(wù)器馬上就要出來了。

　　圖2

　　值得一提的是，在這個交換矩陣中，不一定非得用CPU內(nèi)部的環(huán)線來掛內(nèi)存，可以用任何方式將內(nèi)存接入這個矩陣，也可以在這個交換矩陣的任何地方放置一個或者多個MC，掛一堆內(nèi)存，然后用MC-QPI橋片接入QPI交換矩陣即可。典型的代表就是IBM x3950 x6產(chǎn)品系列中有個專門的1U箱子，里面全是內(nèi)存。如圖3所示。

　　圖3

　　【主線2】AMP/異構(gòu)計算

　　上述的體系中，所有CPU都是同樣的結(jié)構(gòu)，OS啟動后，所有CPU地位都是相同的，可以調(diào)度任何線程到任何核心上運(yùn)行，這叫做同構(gòu)計算，同構(gòu)的專業(yè)英文術(shù)語叫做homogeneous。而還有一種稱為Heterogeneous，意即異構(gòu)。異構(gòu)計算的一個典型例子就是超算，有些超算系統(tǒng)采用了GPU或者Intel Phi這類結(jié)構(gòu)不太相同的CPU，來輔助主CPU的運(yùn)算，其被稱為協(xié)處理器。然而，雖然是“協(xié)助”，其實(shí)協(xié)處理器在某些特殊結(jié)算場景下性能會幾倍甚至十幾倍于通用CPU。運(yùn)行3D游戲就是個例子，顯卡上的GPU是協(xié)處理器，主CPU負(fù)責(zé)提供GPU充足的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算/渲染，GPU中數(shù)以千計的微型核心并行進(jìn)行專用的計算，方能渲染出效果非凡的實(shí)時3D動畫。所以，異構(gòu)計算，說白了，就是一個元帥，帶著幾個身強(qiáng)力壯的將軍打仗，元帥只管調(diào)度和發(fā)號施令，將軍則執(zhí)行具體的軍事任務(wù)，上刀山下火海。這種體系被稱為Asymmetric Multi Processor（AMP）。

　　【支線】“能模擬地球”的Cell B.E處理器

　　IBM的Cell B.E處理器就是一款典型單芯片的片上AMP系統(tǒng)。尚未發(fā)布之前，IBM宣稱其性能爆表，秒殺同時代Intel CPU。后來不知道怎么回事，以訛傳訛，有人說Cell處理器可以承擔(dān)模擬整個地球的運(yùn)算量，后“模擬地球”便指代Cell處理器，后來Cell處理器由于編程麻煩，已停止開發(fā)。但這不妨礙我們研究一下它，從中吸取一些營養(yǎng)。

　　其在同一顆芯片中集成了8個支持128位SIMD的專用RISC核心，以及一顆PowerPC通用核心，再加上內(nèi)存控制器、IO控制器，所有部件連接在一個Ring環(huán)線上。如圖4所示。

　　圖4

　　操作系統(tǒng)，或者說主控程序，運(yùn)行在PowerPC上，將任務(wù)數(shù)據(jù)和描述放到RAM中某個Queue，然后多個SIMD專用核心從這里取走任務(wù)、處理然后將結(jié)果寫回RAM，中斷PowerPC，處理、輸出。SIMD專用核心上運(yùn)行自己的程序，這些程序與PowerPC上運(yùn)行的程序沒有直接關(guān)系，這些程序各自看到各自的地址空間，也就是256KB的scratchpad ram，就是SRAM，和CPU的L1/2/3 Cache使用相同介質(zhì)，只不過通用CPU的Cache是不可直接被程序?qū)ぶ返?，程序看不到Cache空間，而Cell處理器的SIMD核上的256KB Cache是可以直接尋址的，程序只能看到256KB的地址空間，代碼+數(shù)據(jù)不可超出256KB，所以這個核心的地址位數(shù)就可以是log2 256K。外部的DDR RAM并不被納入地址空間，而是像訪問硬盤一樣，將地址封裝到消息中，通過DMA引擎讀入到256KB的ScratchpadSRAM中處理，然后寫回。所以，外部DDR RAM不能直接尋址，代碼得先調(diào)用操作DMA引擎的庫來將數(shù)據(jù)載入本地256K SRAM。而傳統(tǒng)的通用CPU，這個過程完全不用軟件參與，軟件被編譯成機(jī)器碼之后，機(jī)器碼的操作地址直接可以是外部RAM的地址，而由硬件來負(fù)責(zé)直接存取外部RAM，所以，編寫通用CPU代碼的程序員，面對這種AMP體系，就感覺頭疼了。

　　比如，通用CPU在RAM和取值、LS單元之間會有一層Cache，并由硬件來管理，而Cell處理器內(nèi)部的SIMD核并沒有管理Cache的硬件，實(shí)際上也并沒有Cache，其SRAM相當(dāng)于RAM，其RAM相當(dāng)于硬盤。代碼想要實(shí)現(xiàn)Cache預(yù)讀等緩沖操作，就需要自己開辟一塊空間作為Cache，自己管理預(yù)讀、寫回等，全軟件操作，這讓軟件開發(fā)者苦不堪言。Cell處理器率先被用在了索尼PS3游戲機(jī)中，這估計害苦了索尼機(jī)的游戲開發(fā)商了，不過即便如此，仍有頑皮狗這種頂尖團(tuán)隊開發(fā)出《神秘海域1，2，3》系列和《美國末日》這種索尼平臺的經(jīng)典游戲。最終，Cell停止開發(fā)。目前最新的游戲機(jī)比如PS4和XB1，都是x86體系的CPU+GPU，或者將二者做成一個芯片并以更高速的總線將CPU和GPU片內(nèi)連接，稱之為APU。PS4平臺明年初會有超級大作《神秘海域4》出爐，冬瓜哥一直決定買臺PS4玩一玩，但是一直沒有時間來玩，也不知道什么時候能閑下來。

　　SIMD核心由于節(jié)省了這些硬件資源，縮小了電路面積，可以在一個芯片上設(shè)計更多數(shù)量的核心，對于并行計算場景有較大的加速效果。而其對于一些不可并行計算的場景，需要采用另一種任務(wù)調(diào)度方式，也可以達(dá)到較好的加速效果。詳見下文。

　　【主線2】NoC--眾核心處理器的關(guān)鍵

　　核心越來越多，如何來將這么多CPU核心之間、以及核心與RAM之間、以及核心與其他IO控制器之間，連接起來，成了一門獨(dú)立學(xué)科——Network on Chip（NoC）。上文中所述的Cell處理器，其NoC就是Ring環(huán)線。如果是幾百個核心，比如256核心/節(jié)點(diǎn)，利用Ring就不合適了，這個Ring網(wǎng)絡(luò)的“半徑”就是128，意即任何一個節(jié)點(diǎn)發(fā)出的消息，最差情況下要經(jīng)過128次傳遞才會到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，時延太高，無法消受。所以，業(yè)界通常使用2D FullMesh網(wǎng)絡(luò)來連接如此多的部件。如圖5所示。

　　圖5

　　可以看到，每個核心通過NIC連接到一個路由器，路由器出4外部口，與其他CPU核心連接。這里所謂“NIC”只不過是一個網(wǎng)絡(luò)控制器，其連同Router被做在同一片電路模塊中，與CPU通過某種總線連接起來。當(dāng)然，這些網(wǎng)絡(luò)并不是以太網(wǎng)等我們熟知的網(wǎng)絡(luò)，因為外部網(wǎng)絡(luò)很復(fù)雜，做了很多設(shè)計，NoC由于在芯片內(nèi)部，可以做很多舍棄和專用設(shè)計，所以及其精簡和高效，電路面積很小。這種網(wǎng)絡(luò)的路由方式，基本都是被寫死的靜態(tài)路由，也就是哪個ID在哪，從哪個口走，都被初始化代碼定死，這樣就不需要動態(tài)路由協(xié)議了，削減了不必要的電路。

　　NoC有很多鏈接方式，比如下面這種就被稱為3D Torus網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。超算領(lǐng)域也需要將大量CPU連接到一起，也是使用這種方式，只不過超算領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓鄻?，比如Fat Tree，HyperCube，F(xiàn)ullMesh，Torus，Butter，以及各組合。所以，把眾核心芯片稱為片上HPC，也不足為過。

　　圖6

　　在NoC，每個器件，比如CPU核心、DDR控制器等，都有各自的節(jié)點(diǎn)ID，如果訪問的是DDR控制器后面的RAM，則程序需要將RAM地址封裝到消息中，并附上DDR控制器的節(jié)點(diǎn)ID，發(fā)送到NIC進(jìn)行路由。

　　【支線】眾核共享內(nèi)存—難求也！

　　有些眾核心不支持直接尋址DDRRAM，這就意味著多核心上的程序不能簡單的共享內(nèi)存，比如我聲明某個變量在A地址，這個地址只是該程序所在核心能看到的本地地址，其他核心訪問不了另外核心的這個地址，所以，多個核心上的程序，就不能是一體的，而必須是獨(dú)立的，想交換數(shù)據(jù)的話，就得從外部DDR RAM走，而且自行控制加鎖和一致性，硬件不管，這又增加了編程的復(fù)雜度。

　　把DDR RAM當(dāng)做IO方式來用，是有設(shè)計上的考量的，設(shè)計師完全可以加寬地址譯碼器，并增加硬件微控制器/譯碼器將地址請求轉(zhuǎn)換成NoC消息去訪存。設(shè)計師之所以將RAM搞成了IO，其原因有兩個，第一是節(jié)省這些譯碼硬件資源；第二則是提升吞吐量。第二點(diǎn)原因看上去不太應(yīng)該，將直接訪存搞成IO還能提升吞吐量？這可能與很多思維背道而馳。理解這個問題需要的逼格比較高了。眾核心CPU核心內(nèi)的流水線數(shù)量、級數(shù)都不會租的很多，不像通用CPU比如Power8系列一次直接發(fā)出8個LS請求，16條流水線并發(fā)。眾核心由于一個芯片上要做數(shù)百個核心，其只能降低核心內(nèi)部控制邏輯的功能和復(fù)雜度，所以，其LS單元隊列深度很低，幾乎就是同步操作了，LS數(shù)據(jù)未返回之前，整個流水線就被stall了，嚴(yán)重影響吞吐量，而NoC鏈路相比QPI/HT等要慢得多，跳數(shù)也多，時延也就高，如果不用流水線高隊列深度異步請求的話，吞吐量根本上不來。所以，要想異步請求，好辦，那干脆就別直接用LS訪存了，代碼直接調(diào)用API將請求發(fā)出到NoC控制器封裝成消息發(fā)出去，這樣的話，在軟件層面實(shí)現(xiàn)異步IO，將底層隊列壓滿后，吞吐量方能上的來，但是大大增加了軟件的復(fù)雜度，處理數(shù)據(jù)之前，先批量將數(shù)據(jù)讀入本地內(nèi)存，然后在本地處理，而不是處理一條數(shù)據(jù)訪存一次。傳統(tǒng)CPU上運(yùn)行的程序，可以肆無忌憚的任性，絲毫不關(guān)心內(nèi)存放在哪，怎么樣才最快。而眾核心上的程序，就得精打細(xì)算了，所以，眾核心基本被廣泛用于專用場景，比如防火墻、流處理、視頻處理等。大數(shù)據(jù)分析其實(shí)也很有應(yīng)用潛力。

　　實(shí)際中，有些產(chǎn)品是同時支持走IO和直接尋址來訪問DDR RAM的，程序可以自行選擇，這一點(diǎn)就比較好了。

　　所謂NP，network processor，多半使用了這種眾核心架構(gòu)，因為要達(dá)到充分的并行性，核心數(shù)越多，并行度越大。然而，通用CPU可以通過不斷的線程切換，也實(shí)現(xiàn)類似的Concurrency，所以現(xiàn)在一些個所謂SDN方案，軟件交換機(jī)，軟件路由器，看著也像那么回事，比如Intel使用DPDK庫來加速數(shù)據(jù)從網(wǎng)卡傳遞到內(nèi)存的過程，至于收到包之后的處理，看上去通用CPU目前的性能，也還可以。但是通用平臺的一個劣勢就是其不提供外圍多樣的應(yīng)加速器件，而專用的處理器可以集成一堆的應(yīng)加速部件。當(dāng)然，隨著工藝提升，Intel也正愁到底往芯片里塞點(diǎn)什么進(jìn)去好呢？之前有些東西，塞進(jìn)去過，又拿出來，又塞進(jìn)去，愁人啊，干脆塞個FPGA進(jìn)去算逑了，想弄點(diǎn)什么加速邏輯進(jìn)去，換個固件就完了，當(dāng)然，這是后話了。

　　【支線】PMC-Sierra公司代號Princeton的Flash控制器

　　凡是追求高并行度的，大量工序協(xié)作的專用場景，都可以用眾核心處理器。PMC-Sierra公司的Flash控制器就是一款16核心眾核處理器，采用2D Full Mesh NoC，16個核心連同PCIE控制器、Flash通道控制器、DDR控制器、多種硬加速器一起分布在該NoC上，采用消息機(jī)制傳遞數(shù)據(jù)，支持以IO方式訪問RAM，也支持直接將外部RAM空間映射到本地地址空間訪問，難能可貴。至于其固件是如何在16個核心上分配的，冬瓜哥就不繼續(xù)展開了。冬瓜哥畫了一張圖如下，如圖7所示。

　　圖7

　　【主線3】倆小子搞出來的NeoProcessor

　　被筆者打通了任督二脈之后，我們再回過頭來看一下最近這條新聞。兩個“毛頭小子”（圖8）弄出一個所謂“新體系結(jié)構(gòu)”。

　　圖8

　　聲稱“In doing so， we are able to deliver a 10 to 25x increase in energyefficiency for the same performance level compared to existing GPU and CPUsystems”，這句話，冬瓜哥可以負(fù)責(zé)任的講，三個字，大忽悠。他可以說在某些專用場景下，超越目前的GPU和CPU，但是這句話說得太滿了，根本是不可能。只有那些想吸引投資的人，才會這么去忽悠，冬瓜哥認(rèn)為這兩位兄弟，是用了所謂互聯(lián)網(wǎng)或者帶個加號的思維，來整CPU，投資人們眼前一亮，我尼瑪，CPU也可以是互聯(lián)網(wǎng)CPU啊，CPU也可以玩一把嘛。“通用”處理器，這個定位冬瓜哥感覺一開始就錯了。某些應(yīng)用并行度很差，256個core根本沒用，這種應(yīng)用，就算軟件更改之后跑在這種眾核心上，基本就是扯淡。

　　如圖所示，冬瓜哥并不清楚這倆小子到底有沒有用過Tilera的芯片，如果真的是“design from bottom”，那應(yīng)該趁早打住重新審視一下老大哥Tilera今天是個什么狀況。圖9所示為這個Neo Processor的體系結(jié)構(gòu)，乍一看與Tilera別無二致。

　　圖9

　　如果說這倆天才少年是想在軟件方面簡化開發(fā)的話，那無可厚非，如下圖10所示。其提供了一些基礎(chǔ)庫，避免程序自行去管理內(nèi)存/Cache。但是這并不是什么顛覆性的東西。

　　圖10

　　“The Neo architecture addresses these problems by removingunnecessarycomplexity from hardware， resulting in smaller chip area and lesspowerconsumption， instead providing similar functionality more efficiently in arichsoftware toolchain.” “Wehave rethought computing architecture from theground up to design our Neo chip，featuring a completely new core design includingsoftware managed scratchpadmemory， 256 cores per chip， a mesh network-on-chipand a high bandwidthchip-to-chip interconnect.”

　　但愿這兩位天才少年在說上面這句話之前，已經(jīng)全面考察了他們老前輩Cell B.E和Tilera的光輝事跡，他們是如何從一開始的閃光耀眼，走到最后人老珠黃的。不過，125萬美金，對于墻街來講九牛一毛，但可玩玩無妨，萬一玩出名堂來了呢，對吧。所以，這則新聞，外行看看熱鬧罷了。

　　【主線4】眾核心處理器的任務(wù)調(diào)度

　　非對稱式異構(gòu)協(xié)作

　　在眾核心上調(diào)度任務(wù)，有兩種方式，一種是將同一個任務(wù)分層多步，每個核心執(zhí)行其中一步，執(zhí)行結(jié)果傳遞給下一個核心繼續(xù)處理下一步，流水線化之后，整體吞吐量可以上的來。比如防火墻，處理一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，需要經(jīng)過多道工序，比如校驗、解析地址、排查ACL、匹配正則表達(dá)式等等等等，每個核心可以只做一件事，比如匹配ACL（可能使用到硬加速），一個包進(jìn)來匹配完了走人，再下一個包，這樣，每個核心都全速運(yùn)轉(zhuǎn)，只要匹配好每一步的速度。上述這種協(xié)作處理方式可以稱之為非對稱式異構(gòu)協(xié)作，也就是每個核心處理不同數(shù)據(jù)的同一個子工序步驟，這也是現(xiàn)實(shí)中的工業(yè)生產(chǎn)流水線的常規(guī)做法。

　　對稱式同構(gòu)協(xié)作

　　然而，有些業(yè)務(wù)，并不適合這樣處理，比如，3D圖像渲染時光線追蹤的計算，其計算過程中并不是我算完了扔給你我就不管了，而可能會回來追溯你讓你提供更多信息，這就麻煩大了，多個子工序之間有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，需要不斷的溝通交互數(shù)據(jù)，這一交互數(shù)據(jù)，就得走外部DDR RAM，此時時延大增，那么CPU只能原地空轉(zhuǎn)。面對這種場景，就需要切換到另一種調(diào)度方式上——對稱式同構(gòu)協(xié)作。比如光纖追蹤計算，可以將要處理的圖像分割成多個切片，由總控程序?qū)⑷蝿?wù)結(jié)構(gòu)描述和數(shù)據(jù)放置在DDR RAM中，形成一個隊列，然后眾核心們從隊列中提取任務(wù)執(zhí)行，并保證同步，也就是需要對隊列加鎖并標(biāo)記，防止多個核心同時取到同一份任務(wù)的腦裂場景。多個核心并行處理完成每個切片的所有工序，工序之間有依賴沒有關(guān)系，因為是在同一個核心之內(nèi)依賴，不牽扯到核心之間的數(shù)據(jù)交換，不會導(dǎo)致等待，最后由總控程序?qū)⒔Y(jié)果匯總輸出。在這種調(diào)度方式下，每個核心之間完全不相關(guān)，各干各的。典型的比如數(shù)據(jù)搜索，1GB的數(shù)據(jù)，每個核心載入其中的一部分，然后搜，各搜各的，這也是Mapreduce的思想。

　　對于那些并發(fā)度本來就很少的業(yè)務(wù)，或者根本不可并發(fā)的業(yè)務(wù)，或者不可切分為多個獨(dú)立處理單元的數(shù)據(jù)，就得使用非對稱式異構(gòu)協(xié)作了。這類業(yè)務(wù)如果是運(yùn)行在普通通用CPU上，就得考慮將其流水線化工序化，并將每道工序映射為一個線程，靠CPU的線程切換完成輪轉(zhuǎn)，將流水線運(yùn)作起來。