多核有什么用芯片,什么是多核有什么用芯片

每个本科计算机科学专业都会学習数据结构课程该课程描述了在计算机内存中组织数据的不同方法。每个数据结构都有其自身的优点:一些有利于快速检索一些用于高效搜索,一些用于快速插入和删除等等。

如今硬件制造商通过为其提供更多内核或处理单元,使计算机芯片更快但是,虽然一些數据结构很好地适应了多核有什么用计算但其他数据结构却没有。原则上核心数量加倍应该使计算效率翻倍。对于使用称为优先级队列的通用数据结构的算法对于大约八个核心来说这是真的 - 但添加更多核有什么用心实际上会导致性能直线下降。

2月麻省理工学院计算機科学与人工智能实验室的研究人员将在计算机协会关于并行编程原理与实践的研讨会上介绍一种实现优先级队列的新方法,以便跟上新核心的增加步伐在模拟中,使用其数据结构的算法通过添加新内核(最多总共80个内核)继续展示性能改进

优先级队列是一种数据结构,正洳其名称所暗示的那样根据存储时分配的优先级对数据项进行排序。在任何给定时间只能检索队列前面的项目 - 最高优先级项目。优先級队列是标准算法的核心用于查找网络中的最短路径和模拟事件,并且它们已被用于从数据压缩到网络调度的许多其他应用程序

但是,对于多核有什么用系统当多个核心同时尝试访问优先级队列的前端时,会出现冲突现代芯片依赖于高速缓存 - 高速内存库,其核心存儲常用数据的本地副本使问题更加复杂。

麻省理工学院电子工程和计算机科学研究生以及新论文的共同作者之一贾斯汀科平斯基说:“当你正在阅读队列的前面时,队列的整个前端都会在你的缓存中” “所有这些人都试图将第一个元素放在他们的缓存中,然后用它做┅堆东西但后来有人写了它,它会使其他人的缓存无效这就像一个数量级的减速 - 可能是多个数量级。“

为了避免这个问题Kopinsky; 研究生Jerry Li; 他們的顾问,计算机科学与工程教授Nir Shavit; 和微软研究院的Shavit's的前学生Dan Alistarh放宽了每个核心必须访问队列中第一个项目的要求如果队列前面的项目可以並行处理 - 无论如何必须是多核有什么用计算工作的情况 - 它们可以随意分配给核心。

但核心必须知道在何处找到它所分配的数据项这比听起来更难。数据结构通常易于插入和删除以便于寻址。例如您可以为队列中的每个位置分配自己的内存地址:要查找第五个项目,您呮需转到第五个地址即可

但是,如果你想在第四和第五项之间插入一个新项目你必须将队列中的最后一项复制到第一个空地址,然后將倒数第二项复制到地址中你刚离开等等,直到你腾出地址五优先级队列不断更新,因此这种方法非常不切实际

另一种方法是使用所谓的链表。链表的每个元素都包含一个数据项和一个指向下一个元素的内存地址的“指针”在元素四和五之间插入一个新元素只需要哽新两个指针。

但是在链表中查找特定项目的唯一方法是从第一项开始,然后按照随后的指针序列进行操作如果多个核心试图同时修妀数据项,则会出现此问题假设核心已分配元素五。它进入列表的头部并开始向下工作但另一个核心已经在修改元素三的过程中,所鉯第一个核心必须坐下来等待它完成

麻省理工学院的研究人员通过重新利用另一种称为跳过列表的数据结构来打破这种类型的僵局。跳過列表以链表开始并在其上构建链接列表的层次结构。只有例如,根列表中的一半元素包含在层次结构中的一层中的列表中第二层Φ只有一半的元素包含在第三层中,依此类推

跳过列表旨在提高链接列表的移动效率。要在根列表中查找给定项目请按照顶部列表中嘚指针进行操作,直到找到它所落入的间隙然后向下移动一层并重复该过程。

但麻省理工学院研究人员的算法在层次结构中开始走得更遠; 多远取决于尝试访问根列表的核心数量然后每个核心移动一些随机数量的步骤并跳转到层次结构的下一层。它重复该过程直到它到達根列表。碰撞仍然可能发生特别是当核心正在修改出现在层次结构的多个级别的数据项时,但它们变得更加罕见

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自从英特尔公司联合创始人戈登·摩尔在上个世纪60年代提出"摩尔定律"以后这个定律目前已经被推断可适用于所有技术,包括智能终端在内的产品例如以智能手机为例,目前业界普遍相信技术进步的速度应该每两年提高一倍而实际上这一定律也确实得到了广泛验证。

回望2013年的移动终端界可以确认这昰一个极其重要且具有承上启下意义的时间节点。在当年苹果推出了全球首款64位手机处理器A7,震动业界而另外两家同属安卓阵营的亚洲芯片设计巨头联发科和三星公司则是共同将安卓移动终端带入了八核心处理器时代,安卓设备性能的飞速提升也从这个时期开始了

八核处理器对于手机算力的提升是用户有目共睹的,但是在当时的手机技术宅用户群体中他们更想要了解的是,刚刚问世的八核处理器到底在使用中表现如何所以在此之前,我们有必要从全球首款"4+4"八核处理器也就是第一代大小核芯片三星Exynos 5410这款芯片说起。

自从三星在2013年CES上發布这款主打高端市场的Exynos 5 Octa(Exynos 5410)处理器之后业界围绕着其真假八核的争论就从来没有停止过。它的出现让原本就甚嚣尘上的"多核有什么用无用論"备受争议而这种讨论在技术宅用户中持续的声音最广。

作为第一款打着八核的芯片三星Exynos 5410可谓备受争议。(图/网络)

如今我们回过头詓看其实三星Exynos 5 Octa处理器并不是三星自己原创的架构,而是ARM提出的big.LITTLE架构设计在三星平台的第一次实际展现所以你可以看到Exynos 5 Octa采用四颗A15大核心來作为"超高性能"的代表,并配备四颗A7小核心同样代表"节能功耗"二者通过ARM的CCI-400互联,根据工作负荷的大小来进行切换

这样带来的后果就是,当年的exynos 5410处理器虽然号称是使用了豪华阵容的八个物理核心但受限于ARM公版授权方案的设计初衷,无论你怎么进行调度核心运作时最多能展现在用户面前的就只有四颗核心。而当时争议的焦点在于Exynos 5410的大小核调度模式,一度让花了高价买三星旗舰机型的技术宅消费者觉得無法接受

图为三星exynos 5410内部的结构设计图。(图/网络)

不过从现在来看大小核运作的方式已经被消费者逐步接受,并且其优点也逐步显现例如你在视频播放、文档处理、上网冲浪这些所谓的轻度应用时系统会将工作分配和小核心,达到节能省电的效果;但你进入大型游戏、高清录影等模式时则会切入大核心的模式这种调度其实就是如今集群迁移调度的雏形,也就是所谓的"4+4"模式这种调度模式在之后高通嘚骁龙835,甚至苹果的A10 Fusion下都能找到他的影子

不过作为第一代大小核产品,在当时由于制程工艺的落后和ARM高性能核心的功耗再加上总线吞吐量等问题的制约。用户再进行不同场景不同强度应用的时候,频繁的进行大小核心的切换反而带来了巨大的延迟,造成用户体验的崩塌当时可谓是空有最强公版A15的性能,却败于调度模式因此本质上这种调度方案仍是让设备以四核心的方式在运作。

联发科MT6592以HMP方案实現了八核全开成为首款真八核芯片。(图/网络)

而之后由联发科技推出的主打中端市场的MT6592却以支持异构多处理(Heterogeneous Multi-Processing/HMP)方案受到中端用户的好评相比三星的big.LITTLE架构,它通过并行处理器技术可同时运行所有的八个核心,并提供核心配置和软件整合方案支持确保每个核心独立灵活哋运转。

此种调度方式复杂度比简单的集群迁移模式要高好几个数量级需要系统内核调度器能够辨别多核有什么用心的存在与不同,智能地将负载分配给八颗核心而且切换的延迟要非常低,从而发挥全部核心的最大能效能在当时,MT6592虽然只是一颗定位于中端的手机处理器但是却在核心调度方案上使用了当时旗舰机型都没有使用的HMP模式,让用户在多场景使用中体验到设备高能效的流畅体验

当然实际上這也是ARM公版大小核架构的最新功能,不过有了新技术的加持和内部的优化联发科后续还推出了首款真八核4G LTE芯片MT6595,成为当年红极一时的明煋产品而联发科的"真八核"也成为之后很长一段时间IC厂商争相角逐的标杆。

时至今日消费者对核数之争已经有了理性的认知,更多的关紸点落在了核数之间的分工协作上而处理器的架构也从大小核分工、单核大小频率协作、多丛集设计方案演进,例如近日海思980就搭载了 ARM嘚 DynamIQ 调度特性虽然华为官方将其称之为Flex-Scheduling多核有什么用智能调度机制,但本质上就属于多丛集的协作过程

图为海思980使用的多核有什么用调喥机制,使用2xA76+2xA76+4xA55设计(图/网络)

我们可以直观的看下海思980的架构主要分为三部分,其中A76的核心又分为两组分别是两颗最高主频为2.6GHz的运算蔀分,负责提供高性能运算;两颗主频为1.92GHz的能效比部分负责日常的大部分应用。最后四颗则是主频为1.8GHz的A55小核心负责低负载的应用,提升续航能力等整体上是属于三档能效架构混合组成。

海思的这个架构其实很有意思它可以针对不同的运算需求分配不同的核心去执行,能够将性能均衡分配当然续航效果也更优。另外海思980的这个方案虽然很有亮点但对手机芯片产品有关注的朋友其实不难发现,当年主打十核的联发科Helio X20其实也使用了类似的多丛集方案

当年联发科Helio X20率先打出10核可谓是震惊业界,但我觉得它的最主要亮点反到不是在十核方媔而是提出了三(多)丛集的概念。联发科X20通过MCSI互联总线把这个十核进行连接形成三丛集的核心群,然后这三核心群再通过联发科自研的CorePilot 3.0技术进行实时调控

我们注意到CorePilot 3.0的技术文档中有一个Square的排前算法,简单来说就是这个算法会考虑到应用的类别对应用的特性有一个實时的学习,从而知道这个应用对性能的需求程度再调用相对应的核心去进行运算,在这个调用的过程中不同丛集的核心是可以搭配互相使用,例如可以两大四小、可以四中四小主要还是要依据当前处理器的状况以及应用对运算的需求。

例如你在使用手机看电子书、囙邮件、听音乐的时候系统就会主要启动小核心进行工作;而你在持续微信聊天、看电影、上网冲浪的时候,具备更高性能的中核心则會负责这部分的运算至于在开启大型游戏、极限预算的时候,大核心则会加入工作并且在不同的使用场景下,不同的核心数都能参与進来所以网络上此前调侃的"一核有难,九核围观"实际上给联发科处理器带来了莫大的冤屈

伴随着AI人工智能、大数据、5G网络的到来,消費人群在移动终端体验上已经有更加多元化的需求例如智能手机方面的AI特性、多摄方案、全面屏等功能已经代表着次世代移动终端的发展方向,而在用户对设备提出更高强度的使用情况下处理器的调度模式显得更加重要,这也对各家移动终端厂商调试处理器的技术提出叻更高的要求

联发科此前被吐槽为"一核有难,多核有什么用围观" 所以这一点上我们依旧来看看联发科的做法。以联发科目前最热的Helio P60来說不仅处理器运算性能上早已经可以实现八核全开,破除了"多核有什么用围观"的迷思而且最关键的是联发科已经开始朝着分工协作的思路演进,例如P60就集成了双核APU(AI处理单元)一开始就让AI处理器进入了多核有什么用的时代。当然这确实是出彩的一部分但我倒觉得联發科思路更正确的则是持续演进其NeuroPilot AI技术,让手机芯片和AI的结合更近一步

关于联发科的NeuroPilot技术其实网络上已经有很多分析,简单来说它是联發科把CPU、GPU以及自主研发的APU(AI处理单元)等异构运算功能整合到SoC中的技术 其中APU还可以进一步扩展到多核有什么用,而NeuroPilot平台则会根据不同的場景和实际需求来进行运算的合理分配实现专核专用、续航功能持续提升的特性,从根源上解决了网络传言的"一核有难多核有什么用圍观"的尴尬情况。

当然还有一点就是联发科还提供NeuroPilot SDK,完整支持安卓神经网络API不仅可以让开发者可以更贴近硬件的方式进行编程,提高性能和功能还可以方便系统各个硬件的分工协作,也将系统优化从以往的CPU层面扩展到各种专用核心进一步优化了效率和功耗。

联发科目前有多款芯片已经使用NeuroPilot技术例如Helio P60、A22,此外最新发布的Helio P70也同样沿用这一思路其自带有APU专核,AI处理效率进一步提升此外还支持拍照美顏、人脸识别、场景优化、景深预览等,甚至实现了人体姿态识别这样的功能

当然不可否认的是,随着手机处理器的性能瓶颈逐渐到来以及手机芯片制程工艺的红利不复,各大芯片设计厂商也开始研究如何突破"摩尔规律"的限定而AI显然成为接下来一段时间的重心所在,聯发科目前在核心数这条路上确实找准了方向大胆布局ASIC(专用集合电路)机制的AI专核,两代产品已经打出一些成绩而在AI的推动下,据悉包括苹果、三星、海思等产品未来都可能会具备AI专核打破多核有什么用迷思,逐步演进为专核专用将会是业界未来的主流思路

从目湔联发科的布局来看,其AI已经从智能手机延伸至智能穿戴、多媒体影音、智能家庭以及更广泛的万物互联设备等而联发科也在持续与多镓中、美技术业者结盟,包含腾讯、旷视科技、商汤科技、虹软等整体前景值得看好,这家低调的华人企业在IC领域持续推进科技的普惠这也是笔者最欣赏的部分。

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