【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不理想】 在未來，你將具有如同單一計(jì)算機(jī)一樣工作的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而不僅僅是離散的多臺(tái)機(jī)器。升級(jí)不在意味著替換掉原有系統(tǒng)，而是增強(qiáng)。進(jìn)一步你的 計(jì)算機(jī) 將包括協(xié)同工作的 PDA，TV和錄像機(jī) ，他們可以合成一體象單一計(jì)算機(jī)一樣工作。 具體的處理方式 Cell體系結(jié)構(gòu)在許多方面都極盡所能的獲得最大性能，但是在一個(gè)地方卻和整個(gè)業(yè)界走了相反的路線。操作系統(tǒng)是程序和硬件交互的根本方法，它使得開發(fā)人員無需每次都自己寫一份驅(qū)動(dòng)程序。發(fā)展到現(xiàn)在操作系統(tǒng)已經(jīng)包含各種各樣的復(fù)雜任務(wù)，實(shí)現(xiàn)這一目的的途徑之一就是從硬件中抽象出更多的內(nèi)容。 面向?qū)ο缶幊淘诔橄笊献叩母h(yuǎn)。這也包括類似 Java這樣提供其自身環(huán)境，而將應(yīng)用從單一的操作系統(tǒng)中獨(dú)立出來的技術(shù)。 Web實(shí)際上也完成了相同的工作，你看到的頁面和提供這個(gè)頁面的服 務(wù)器在平臺(tái)上是完全不相關(guān)的。你無需專門為 Mac或者 Windows寫一個(gè)特定版本的 HTML文檔。底層硬件，操作系統(tǒng)和 Web服務(wù)器已經(jīng)被完全抽象化了。 即使硬件制造商們也開始做抽象化的工作， Transmeta擁有 x86兼容的處理器產(chǎn)品線，但實(shí)際上這些處理器與 x86大相徑庭。 Transmeta在軟件上提供了抽象層以屏蔽處理器的內(nèi)部細(xì)節(jié)，其內(nèi)部不僅不是 x86，還是一個(gè)完全不同的 VLIW體系結(jié)構(gòu)。但這并不僅僅發(fā)生在 Transmeta或者 x86上，大多數(shù)現(xiàn)代處理器的內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和他們的編程模型都有很大的區(qū)別。 如果在 puting中存在一條法則，那就是抽象－－當(dāng)今計(jì)算技術(shù)中的重要部分。但是 Cell放棄了他。 Cell的編程模式是具體的 concrete，當(dāng)你為一個(gè) SPE編程時(shí)，你將編寫 SPE中到底有什么，而不是某些抽象。你將會(huì)直接面對(duì)硬件。 這似乎時(shí)一種褻瀆的行為，通?？梢耘e出很多理由來說明為什么這是一個(gè)糟糕的想法，但是這種直接面對(duì)硬件的方法有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)：性能。每一個(gè)被添加的抽象層次都帶來了可觀的計(jì)算開銷，一次抽象可以十倍的降低性能?？紤]到大多數(shù)現(xiàn)代系統(tǒng)中在一個(gè)抽象層上都還有更多的層次，你就能明白在幾年前 運(yùn)行如飛的 50MHz 486為什么今天看起來象一只年邁的老狗，你需要一顆更現(xiàn)代的處理器來解決后來添加的抽象層次。 去除抽象的一個(gè)巨大缺點(diǎn)就是將極大的增加開發(fā)的復(fù)雜度，并且將限制硬件設(shè)計(jì)者改變系統(tǒng)的方式。而后者是抽象盛行的重要原因。但如果你注意到進(jìn)幾年來現(xiàn)代處理器并沒有多大改變，你就會(huì)理解 Cell的設(shè)計(jì)顯然并不希望他們的體系結(jié)構(gòu)會(huì)有什么重大的變化，因此選擇了從一開始就固定住設(shè)計(jì)。系統(tǒng)仍然有某些靈活性，至少在一段時(shí)間之后可以做些修改。 然而 Cell的方法也可以得到某些抽象的好處。 Java通過抽象操作系統(tǒng)和硬 件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的兼容性，它提供的虛擬機(jī)在所有平臺(tái)上保持一直，底層的硬件和操作系統(tǒng)可以改變但是虛擬機(jī)不會(huì)。 Cell提供了某些和 Java類似的特性，但卻是以完全不同的方式。 Java提供了在所有平臺(tái)上都一樣，基于軟件的 虛擬機(jī) ， Cell則通過硬件提供了這樣類似 Java虛擬機(jī)的機(jī)器。在 OS X上書寫的 Cell代碼和在 Windows、 Linux和 Zeta上的 Cell代碼是完全相同的，應(yīng)用在任何情況下都是相同的硬件 Cell來執(zhí)行它。 硬件 DRM 某些人也許會(huì)奇怪在 Cell硬件中包含了 DRM（數(shù)字輻射計(jì)？） 。 Sony是一家媒體公司，和行業(yè)里的其他公司一樣大力推廣 DRM型的解決方案。同時(shí)注意到 Cell也面向 HDTV， BluRay/HDDVE系統(tǒng)，任何高清晰度的內(nèi)容都在 DRM的嚴(yán)格控制之下，因此 Sony不得不加入這部分能力，否則他們將在自己的目標(biāo)市場(chǎng)中自削一臂。但是硬件 DRM并不是 Cell中的秘密武器，在以前的機(jī)頂盒甚至 IBM大型機(jī)的 crypto硬件都包含它。 其他設(shè)置以及未來 在 Cell體系結(jié)構(gòu)中也包含未來技術(shù)的機(jī)會(huì)，可能的互連結(jié)構(gòu)正在設(shè)計(jì)中，無疑在 PS3中將使用這一技術(shù)，但顯然設(shè)計(jì)者也在考慮當(dāng)銅導(dǎo)線達(dá)到 其物理極限時(shí)（大約在 10GHz），除硅之外的其他材料將會(huì)出現(xiàn)在制造領(lǐng)域，但這是另外一個(gè)更重大的計(jì)劃。 Cell的設(shè)計(jì)并不是完全固定的， SPE的數(shù)目時(shí)可變的，并且 SPE中可以包含更多的浮點(diǎn)或整數(shù)單元。在某些情況下 SPE可以被其他諸如 I/O單元或者圖形處理器代替。 Navidia將提供 PS3使用的圖形硬件，因此這部分工作可能被包含在一個(gè)修改過的 Cell中。 由于摩爾法則持續(xù)有效，單個(gè)芯片中的晶體管數(shù)目不斷增加，而設(shè)計(jì)師將從其中獲益。在專利中提到了包含 4個(gè) Cell的單個(gè)芯片，但也有其他的設(shè)置來滿足不同的 Cell應(yīng)用。 當(dāng)多個(gè) SPE操作流數(shù)據(jù)時(shí)，他們將數(shù)據(jù)寫回 RAM 然后在讀出，添加緩沖 buffer使得 SPE到 SPE可以直接寫數(shù)據(jù)將會(huì)更加靈活。直接傳輸在專利中有所提及但沒有更多深入內(nèi)容。 結(jié)束語 Cell體系結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是一個(gè)包含一組 8個(gè)極高性能向量處理器的通用 Power或 PowerPC處理器，并且有高速的存儲(chǔ)和 I/O系統(tǒng)，以及一個(gè)相當(dāng)智能的任務(wù)分布系統(tǒng)使得 adhoc集群可以建立起來。 目前還不太清晰的是這個(gè)設(shè)計(jì)將會(huì)走多遠(yuǎn)。削弱 cache和動(dòng)態(tài)虛存管理的系統(tǒng)是很不尋常的，并且在過去 20年里從沒有任何現(xiàn)代通 用處理器這樣做過。只有 Seymour Cray的某些設(shè)計(jì)能與之相比。 Cell不僅僅是速度快，由于使用了很多頂尖的設(shè)計(jì)，業(yè)界的其他公司在一段時(shí)間內(nèi)很難趕上它。 只有一種方式來總結(jié)：這個(gè)系統(tǒng)并不僅僅是搖滾，它將演奏德國(guó)的重金屬。 [第三部分 ] Cell體系結(jié)構(gòu)解釋－第三部分： Cellular Computing Cell不是一個(gè)奇特的圖形芯片，它試圖用于通用計(jì)算領(lǐng)域。 Navidia提供 PS3上的圖形硬件似乎驗(yàn)證了這一說法。 SPE并不象正常的微處理器一樣具有通用性，但是 Cell通過包含一個(gè)正常 PowerPC微處理器的 PPE彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。 Cell應(yīng)用 正如在第一部分所說， Cell并不僅僅是為了 ps3來設(shè)計(jì)，但是 Cell擅長(zhǎng)的應(yīng)用究竟有哪些呢？ Cell不可能在每一件事情上都工作得很好，某些應(yīng)用可能完全不能被向量化，而某些應(yīng)用可能因?yàn)轭l繁讀取存儲(chǔ)塊的系統(tǒng)降低性能。對(duì)于這些應(yīng)用最好是 PPE能夠起到更好的作用，然而專利中似乎假設(shè) PPE只能被操作系統(tǒng)使用。 游戲 GAME 游戲是當(dāng)然的設(shè)計(jì)目標(biāo)， Cell從一開始就是作為游戲終端進(jìn)行設(shè)計(jì)的，如果在游戲上沒有良好的表現(xiàn)那肯定有問題。 Cell的設(shè)計(jì)師緊盯 raw puting power而不是圖形能力，因此我們將看到硬件功能被轉(zhuǎn)移到軟件上而開發(fā)者有更多的靈活性。現(xiàn)在的問題是 PS3是否能成為第一個(gè)實(shí)時(shí)光影跟蹤的游戲終端。 3D圖形 這又是 Cell的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)領(lǐng)域，圖形具有巨大的并行特性，可向量化和流化的各種問題可以讓 SPE得到完全的應(yīng)用，因此使用的 Cell越多就可以獲得更快的圖形性能?，F(xiàn)在有很多不同高性能圖形技術(shù)方面的研究，希望 Cell能夠被他們所使用，而這些技術(shù)也能通過 Cell使自己成為主流技術(shù)。如果你認(rèn)為現(xiàn)在的圖形技術(shù)已經(jīng)足夠好了，在 Cell上你可能會(huì)得到某些驚喜。 視頻 圖像操作顯然可以被向量化， Photoshop已經(jīng)顯示了圖像處理向量化的巨大效果。視頻處理可以用類似的方法加速并且 Apple將有能力僅使用目前 GPU來加速 Core Image核心圖像中的視頻處理， Cell顯然可以加速 GPU可以處理的任何應(yīng)用。 視頻編解碼也可以被向量化，因此格式轉(zhuǎn)換和各種控制操作都可以從 Cell上獲益，希望 Cell能夠顛覆目前的專業(yè)視頻處理硬件。 音頻 音頻是一個(gè)永遠(yuǎn)對(duì)計(jì)算能力感到不足的領(lǐng)域。今天的電子音樂家們使用多路虛擬合成器，每路合成器上有多路聲音。傳統(tǒng)的合 成方法是采樣現(xiàn)實(shí)的每種樂器音。所有這些都需要自己的處理能力，而這還是在為每路通道上加入不同音效之前的工作。接下來可能需要一個(gè)全局音效并壓縮每一個(gè)通道，完成最后的混音。許多操作都可以被向量化。 Cell是每個(gè)音樂家的夢(mèng)想，也是每個(gè)看著 PC開始侵蝕防線的合成器制造商的噩夢(mèng)。 數(shù)字信號(hào)處理 DSP 數(shù)字信號(hào)處理中主要使用的算法是 FFT（快速傅立葉變換），將信號(hào)分離到不同的頻域空間以做進(jìn)一步處理。 FFT是一個(gè)高度可向量化的算法，在很多向量單元和微處理器中包含了特殊的指令專門加速這一算法。 現(xiàn)在有成千上萬的 DSP應(yīng) 用，他們中的大多數(shù)可以被流化，因此 Cell可以應(yīng)用在他們中。一旦價(jià)格和功耗下降到足夠低， Cell可以被使用到各種不同的消費(fèi)類和工業(yè)用電子產(chǎn)品上。 SETI DSP應(yīng)用的一個(gè)最好的例子，同樣也是基于 FFT， Cell將無止境的推動(dòng) SETI@home計(jì)劃（用分布計(jì)算方法利用計(jì)算機(jī)空閑周期為尋找外星只會(huì)生命做運(yùn)算）。每一個(gè)基于 Cell的設(shè)備都可以加入到 SETI@home中去。其他眾多的分布式應(yīng)用可以從 Cell中獲益。 科學(xué) 對(duì)于傳統(tǒng)的（不可向量化）的應(yīng)用而言，目前的 Cell系統(tǒng)至少和 4顆 PowerPC 970芯片加上高速存儲(chǔ)接口的性能相當(dāng)【由于 PPE比作者預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單這句化應(yīng)該被修改，單個(gè) Cell芯片性能超過單個(gè) PowerPC970處理器是勿庸置疑的】。對(duì)于可以向量化的系統(tǒng)而言就是完全另外一回事了。一個(gè)潛在的問題可能是相對(duì)受限的內(nèi)存容量（這也許只會(huì)出現(xiàn)在 PS3上， Cell芯片本身有很大的尋址訪問能力）。即使有這樣的存儲(chǔ)限制 Cell也可用通過 I/O單元流式處理來獲得不錯(cuò)的性能。 GPUs已經(jīng)應(yīng)用到了科學(xué)計(jì)算中而 Cell顯然可以直接應(yīng)用到相同領(lǐng)域中。 很多計(jì)算可以通過 GPU加速，包括稀疏線形系統(tǒng)求解，物理模擬，線 形代數(shù)操作，偏微分方程，快速傅立葉變換，水平集合計(jì)算，計(jì)算幾何問題，以及非經(jīng)典圖論，例如體繪制，光線跟蹤和流形象化。 超級(jí)計(jì)算 許多現(xiàn)代超級(jí)計(jì)算機(jī)使用便宜且高性能的商業(yè) PC集群方案?，F(xiàn)在湊足 250臺(tái) PC你就可以打入 Top500排行榜。而為了相同的目的你只需要 8 個(gè) Cell芯片， 560個(gè) Cell芯片可以讓你排到第一位。這是一個(gè)向后兼容性完全不那么重要的領(lǐng)域，而且變化迅速，未來基于 Cell的系統(tǒng)可能會(huì)迅速替代 PC 集群。 另外的超級(jí)計(jì)算應(yīng)用需要大量的內(nèi)部通訊，因此在 PC集群上運(yùn)行效果不佳。 Top500上沒有將這部分評(píng)價(jià)單獨(dú)出來，但是確實(shí)有這樣一個(gè)使用大機(jī)柜系統(tǒng)，一度被 Cray統(tǒng)治， PC集群尚不得門而入的領(lǐng)域。 Cell具有高速的通訊連接，這使得他非常適合于這類領(lǐng)域，雖然大量 Cell的協(xié)同工作還需進(jìn)一步的工程工作。 Cell不僅僅會(huì)取代 PC 集群，在集群失敗的領(lǐng)域也可一展身手。 如果 Cell具有 64位乘加指令（如果沒有的話就太奇怪了）， 8000個(gè) Cell就可以實(shí)現(xiàn) PetaFlop，這是一個(gè)難以打破的記錄?！具@里考慮的是雙精度浮點(diǎn)，單精度浮點(diǎn)的能力是雙精度浮點(diǎn)的 10倍。不過用乘加指令來 Double Flops性能不 太道義】 服務(wù)器 這是一個(gè)再多可向量化都不能使人驚訝的領(lǐng)域。然而 XML和類似的處理似乎都無法從 SPE中獲得幫助，而存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)會(huì)更有用（這也是 XML如此令人驚奇的低效的原因）。但是服務(wù)器通常要在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫上做很多工作。 針對(duì)包含實(shí)際數(shù)據(jù)的商用數(shù)據(jù)庫的研究發(fā)現(xiàn)他們可以從 GPU的運(yùn)行中獲益。當(dāng)然這部分應(yīng)用也可以通過 Cell加速。因此 Cell可以使服務(wù)器受益。 流處理應(yīng)用 與通常的處理器最大的一個(gè)不同就是 Cell中的 SPE可以被串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)流處理器。一個(gè)流處理器獲得一個(gè)數(shù)據(jù)流，并按照一系列的步驟來處理。其中的每一個(gè)步驟可以通過不同的 SPE完成，甚至不同 Cell中的不同 SPE。 例子：數(shù)字電視接收器 用觀看數(shù)字電視所需的機(jī)頂盒作為流處理的例子，實(shí)際上整個(gè)過程要比播放 MPEG影片包含更多復(fù)雜的處理。下面包含了你在觀看一部最新的星際迷航記使所需要做的處理工作： a. COFEM解調(diào) b. 糾錯(cuò) c. 信號(hào)分離 d. 反擾頻 Descrambling e. MPEG視頻解碼 f. MPEG音頻解碼 g. MPEG縮放 h. 顯示構(gòu)建 i. 對(duì)比度和亮度處理 這些操作通常由定制硬件和專用 DSP結(jié)合來完成。當(dāng)然他們也可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，但即使并不是全部由硬件完成計(jì)算也需要一顆性能相當(dāng)強(qiáng)勁的處理器－而這僅僅是標(biāo)準(zhǔn) MPEG2定義所需要的處理。 HDTV需要大得多的處理能力。和定制的芯片比較起來通用處理器要低效很多，雖然專用芯片開發(fā)起來相當(dāng)復(fù)雜，昂貴，但是巨大的需求量可以降低價(jià)格并且可以使功耗降到最小。 上面的任務(wù)都使可以被向量化的，并且按照可以流化的一個(gè)順序進(jìn)行。一個(gè) Cell處理器可以被建立用一個(gè)或者多個(gè) SPE來 執(zhí)行每一個(gè)步驟，這意味這無需再開發(fā)專用芯片并且可用軟件支持新的標(biāo)準(zhǔn)。 Cell能力強(qiáng)大到單個(gè) Cell芯片就足夠完成全部處理，即使以高清晰的標(biāo)準(zhǔn)來看也是一樣。 Toshiba計(jì)劃在自己的 HDTV產(chǎn)品中使用 Cell。 不可加速的應(yīng)用 仍然有很多應(yīng)用不能被 Cell處理器加速，