【導(dǎo)讀】Sony，Toshiba和IBM為PlayStation3設(shè)計(jì)的"Cell處理器"承諾未來(lái)。的計(jì)算能力將迅速達(dá)到極低的價(jià)格。后文中包含了Cell體系結(jié)構(gòu)，及其深遠(yuǎn)的影響，這些。影響并不僅僅局限于游戲市場(chǎng)，它將遍布整個(gè)計(jì)算機(jī)工業(yè)界。由STI透露的內(nèi)容往往模糊不清，僅有相關(guān)的專利申請(qǐng)可以獲得(局部的)最小細(xì)節(jié)。是這些專利如此難以閱讀，這使得即使在技術(shù)社區(qū)中Cell也不是一個(gè)普遍的話題。在第三部分將涉及向量處理方面的內(nèi)容。的第一臺(tái)使用Cell處理器的機(jī)器將從PC手中奪取性能王冠，并可能是永遠(yuǎn)的奪走。四部分將解釋為什么PC在過(guò)去總是獲勝，而Cell為什么能擊敗它。在第5部分將有一些結(jié)論和參考文獻(xiàn)的列表。器的全部細(xì)節(jié)，這里有一個(gè)簡(jiǎn)短的概括。在第一和第二部分將分析Cell體系結(jié)構(gòu)，第一部分涵蓋了Cell處理器中硬件。會(huì)議上STI聯(lián)盟的成員公布了第一款Cell芯片的細(xì)節(jié)。雖然一直被宣傳為PlayStation3的主要技術(shù)，Cell的設(shè)計(jì)目標(biāo)顯然要更加宏大。的最大性能圖表在現(xiàn)實(shí)生活幾乎無(wú)法看到。

　　

【正文】 C工業(yè)將會(huì)受到遠(yuǎn)東低成本計(jì)算機(jī)的威脅。這一說(shuō)法的基礎(chǔ)是在 PC工業(yè)中微軟和 Intel都享受的高額利潤(rùn)率。由于可以制造出價(jià)格低廉而速度足以滿足大多數(shù)要求的低成本計(jì)算機(jī)，運(yùn)行 Linux而不需向微軟支付任何費(fèi)用，如果這一系統(tǒng)可以完成大多數(shù)人想要做的事情，并以足夠低廉的價(jià)格出售，那么它將會(huì)從下面幾點(diǎn)攻擊整個(gè) PC市場(chǎng)。 基于 Cell運(yùn)行 OS X的系統(tǒng)將足夠便宜（當(dāng)然還要取決于 Apple給 OS X的定價(jià)），但是Cell絕對(duì) 的性能優(yōu)勢(shì)將超過(guò)任何最高性能的 PC機(jī)。這些系統(tǒng)會(huì)象熱蛋糕一樣的出售，并且如果價(jià)格能將得足夠低它將在 PC制造商們剛剛開始發(fā)展得低價(jià)市場(chǎng)上出售。對(duì) Apple而言這里有巨大的機(jī)會(huì)，如果不抓住的話那簡(jiǎn)直就是發(fā)瘋 － 因?yàn)槿绻?Apple不做其他的廠商將開始做這一工作 － 微軟已經(jīng)在 Xbox2操作系統(tǒng)上積累了足夠的 PowerPC經(jīng)驗(yàn)。 Cell有壓過(guò) PC性能的優(yōu)點(diǎn)，但它同時(shí)也具有 PC的有限。在 Apple的幫助下， Cell將可以運(yùn)行現(xiàn)在市場(chǎng)中爭(zhēng)論的最好的 OS，并且價(jià)格低廉。新的 Mac mini看起來(lái)就準(zhǔn)備象一個(gè)熱蛋糕一 樣出售，想象一下當(dāng)它裝備了一顆 Cell芯片之后會(huì)是什么景象 ... ... 看起來(lái) PC的這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者足夠取而代之，但是 PC仍然有反擊的機(jī)會(huì)， PC已經(jīng)在考慮超過(guò)你想象的性能。 PC相關(guān)： Cell與 GPU PC手中的武器就是 GPU。在計(jì)算能力上高性能 GPU是 Cell唯一現(xiàn)實(shí)的競(jìng)爭(zhēng)者。 GPU總是比通用處理器性能更高 [PC + GPU][GPU]，自從可編程梯度 (programmable shaders)引入之后這部分處理能力也可以被開發(fā)人員利用，雖然是針對(duì)圖形專門的設(shè)計(jì)，也可以被用于其他目的。下一代的梯度 (shaders)承諾有更多的通用能力 [DirectX Next]。 GPU具有和 Cell相似的操作方式，他們也有許多稱為頂點(diǎn) vertex或者象素梯度 pixel shaders的并行向量處理器，他們是針對(duì) 3D對(duì)象或者象素的頂點(diǎn)流處理而設(shè)計(jì)的，但是許多計(jì)算密集的應(yīng)用經(jīng)過(guò)修改之后也可以在其上運(yùn)行 [EEGPU]。 ATI和 Nvidia的激烈競(jìng)爭(zhēng)使得 GPU越來(lái)越快，并且現(xiàn)在 SLI技術(shù)再次被用于將兩個(gè) GPU耦合在一起獲得更高的計(jì)算能力（ 3D fax的 Vodoo3顯卡最早使用了 SLI技術(shù)）。 雖然 GPU是 Cell的唯一競(jìng)爭(zhēng)者，但基于很多原因 GPU似乎并不能追趕上 Cell。 Cell在一開始時(shí)就比 GPU具有更多的通用性， SPE并不是針對(duì)圖形專門設(shè)計(jì)的，因此對(duì)于開發(fā)者而言改寫非 3D算法所需要的工作會(huì)更少。 Cell有更通用的 PPE和 SPE共享快速的存儲(chǔ)器。這與 PC 有本質(zhì)區(qū)別， PC上的 GPU有自己的高速存儲(chǔ)器并且只能通過(guò) AGP總線 (或者 PCI－ Express總線 )來(lái)訪問系統(tǒng)主存。 PCI Express可以加速性能，但與 CPU共享的總線性能總是會(huì)受限的。而且 PCI xpress還沒有得到廠商的完全支持，目前 GPU從 GPU向主存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)相當(dāng)慢。 Nvidia或者 ATI不會(huì)很快趕上 Cell性能還有另外一個(gè)原因。上一次 PC雖然快速趕上并超過(guò) PS2，但這次 Sony似乎希望這個(gè)過(guò)程要更困難一下，因此 Cell以高度 aggressive的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 Cray因子 Cray因子是 Intel， AMD， Nvidia和 ATI都無(wú)言以對(duì)的。 從專利上可以明顯的看出設(shè)計(jì)者在開發(fā) Cell體系結(jié)構(gòu)時(shí)的方法。在設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)時(shí)往往有很多折中，幾乎在所有的場(chǎng)合 Cell的設(shè)計(jì)者都沒有選擇折中而是直接選擇了性能，即使這會(huì)使得程序員的工作變得相當(dāng)復(fù) 雜。 Cell的設(shè)計(jì)和現(xiàn)代微處理器有巨大差距，那些看起來(lái)不可缺少的部分被徹底改變或者整個(gè)去除了。計(jì)算的首要原則，現(xiàn)代計(jì)算的基礎(chǔ)－抽象－被完全拋棄，在這里沒有 JIT，你可以直接訪問硬件。這是極度 aggressive的設(shè)計(jì)方法，比你在其他任何其他系統(tǒng)中看到的都更 aggressive, Alpha處理器即使在全盛時(shí)期也沒有接近這樣的 aggressive。在追求純凈，不攙雜，實(shí)在的性能過(guò)程中設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了一個(gè)只有 Seymour Cray的設(shè)計(jì)才能與之相提并論的處理器。 從 60年代到 90年代 IBM和 Cray之間爭(zhēng)相 建造最快的計(jì)算機(jī)。 Cray每次都獲得了完美的勝利，他將性能邊界提高到這樣的水平：最后能擊敗 Cray設(shè)計(jì)的只能是下一代 Cray設(shè)計(jì)。 IBM制造了靈活的商用機(jī)器， Cray選擇更少的靈活性和特性，大部分設(shè)計(jì)都在追求無(wú)止境的速度。如果仔細(xì)看一下未來(lái) GPU的開發(fā)計(jì)劃 [DirectX Nextt]，顯然他走的是一條靈活 特性的道路。這是一個(gè)軟件廠商期望的系統(tǒng)。軟件商們將開始使用 GPU上的虛存，并且已經(jīng)開始使用一個(gè) cache緩存來(lái)保存最常用的數(shù)據(jù)，事實(shí)上看起來(lái) GPU將迅速成為一個(gè)通用 CPU。 Cell的方式和 Cray一樣。虛存占用空間并且延緩數(shù)據(jù)訪問。在 Cell體系結(jié)構(gòu)中有虛存但不是在運(yùn)行期 runtime， OS 保存虛擬的地址直到一個(gè)軟件 Cell可以通過(guò)實(shí)際地址從 Memory中讀寫數(shù)據(jù)。 Cell同樣具有一個(gè)簡(jiǎn)單受限的存儲(chǔ)包含機(jī)制，一小塊片上的存儲(chǔ)空間保存了表示哪個(gè) SPE可以訪問哪塊存儲(chǔ)的表格，這個(gè)表格很小并且永不被 flush，這意味著它的速度會(huì)很快。 CPU和 GPU使用 Cache來(lái)隱藏訪問主存的延時(shí)， Cray并不使用 Cache而僅僅是將主存做得超級(jí)塊。 Cell使用了相同的方法，在 SPE中沒有明顯的 cache，只有很小 但是非常快速的本地存儲(chǔ)器。本地 RAM不需要一致性協(xié)議并且可以直接尋址，程序員總能知道里面存儲(chǔ)了什么，應(yīng)用需要聲明每一個(gè)載入。由于這降低了復(fù)雜度并且少量的本地 RAM將非常快，甚至比 Cache還快。如果在每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸兩個(gè)機(jī)器字（ 256bit） ,就可以實(shí)現(xiàn) 147GB/s的性能，并且永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生 Cache失效。 在設(shè)計(jì) Cell體系結(jié)構(gòu)時(shí)的 aggressiveness意味著要產(chǎn)生一個(gè)可比較性能的對(duì)手很難，很難。x86結(jié)構(gòu)是沒有希望的，如果要追上 cell， x86最終不得不復(fù)制 Cell的設(shè)計(jì)。 GPU同樣也很難達(dá) 到目的， GPU的時(shí)鐘速度落后 Cell十倍，產(chǎn)生大得多熱量并且最高性能部分只有占很低比例。如果要接近 Cell的工作頻率， GPU的設(shè)計(jì)需要全盤重新考慮。 Cell設(shè)計(jì)者沒有用砷化鎵來(lái)生產(chǎn)芯片，也沒有將他們浸泡在液態(tài)氟中，因此他們并沒有達(dá)到和 Seymour Cray一樣的 aggressive，但是 PlayStation 4還會(huì)這樣么 ... ... 替代選擇 可能其它未提及的廠商可以使用不同的設(shè)計(jì)哲學(xué)制造一個(gè)高性能的多核心向量處理器。這完全可能并可以接近 Cell的性能，這是由于 Cell為了高主頻而選擇的設(shè)計(jì)可 能引入某些限制。如果使用一個(gè)更低的主頻，它就可以允許更慢并且更小的晶體管。這意味著可包含的向量單元可以增加，并且更重要的是片上存儲(chǔ)空間可以加大。作為高主頻的彌補(bǔ)，更小的存儲(chǔ)帶寬將運(yùn)行更慢但更低成本的 RAM。 這可能并不是 Cell針對(duì)性能的做法，但是由于處理器可以更好的從額外的 RAM獲得足夠數(shù)據(jù)。功耗可以比現(xiàn)在的 Cell更低但是可擴(kuò)展性并不是全部市場(chǎng)都需要的。在嵌入式市場(chǎng)社有足夠多的公司沉醉在 Cell中，因此可能很快從這些公司中可以看到通用的設(shè)計(jì)。 PC處理器和 VPU的制造商也可以使用這樣的設(shè)計(jì)，但是如果讓新 設(shè)計(jì)在目前的 PC體系結(jié)構(gòu)中工作是一個(gè)大問題。 結(jié)果 Cell是 PC有史以來(lái)面臨的最大的挑戰(zhàn)者， 由于 Cell可以運(yùn)行相同的軟件 PC傳統(tǒng)在軟件上的優(yōu)勢(shì)不再明顯。在價(jià)格和出貨量上也不能壓倒 Cell。最后 PC更不能在 Cell的基礎(chǔ)領(lǐng)域與之競(jìng)爭(zhēng)，由于 Cell由一組公司設(shè)計(jì)制造，可以向任何人出售， x86不會(huì)比 Cell更普遍?？磥?lái) PC終于遇上了他的對(duì)手 Microsoft的影響很難判斷。由于在 Cell上沒有相同級(jí)別的控制力，微軟那么對(duì) Cells的支持將相當(dāng)困難。由于 Cells是一個(gè)分布式的體系結(jié)構(gòu)，可以使用一個(gè) windows機(jī)器作為客戶機(jī)讓其他所有都運(yùn)行 Linux或者其他操作系統(tǒng)。多數(shù)機(jī)器不運(yùn)行 Windows，這一定不討微軟喜歡。 即使主要計(jì)算由 Cell完成， Windows原則上只提供接口也有問題。移植這個(gè)接口需要花費(fèi)時(shí)間，而在 Cell上運(yùn)行的軟件 Cell是獨(dú)立的，不需要向任何操作系統(tǒng)移植，軟件 Cell是對(duì)操作系統(tǒng)一無(wú)所知的。微軟似乎也不會(huì)喜歡這一點(diǎn)。 并不清楚 STI聯(lián)盟成員是否有興趣和 PC對(duì)決。但是 Cell和 PC總會(huì)在某個(gè)地方發(fā)生碰撞。 但是即使 Cell最終成為決定性的體系結(jié)構(gòu)，這也需要許多年，或者數(shù)十年。 并且在一些領(lǐng)域 Cell對(duì) PC并沒有特別的優(yōu)勢(shì)，因此在很長(zhǎng)，很長(zhǎng)的時(shí)間里 x86仍然會(huì)存在。 Cell威脅到了目前由 Wintel主導(dǎo)的 PC工業(yè)。 Intel和 Microsoft過(guò)去用于保衛(wèi)自己的傳統(tǒng)招數(shù)不再有效，但這并不意味者一切就注定了，永遠(yuǎn)不要低估這些公司。即使最終什么都不發(fā)生，這也會(huì)是一場(chǎng)有趣的斗爭(zhēng)。 [第五部分 ] Cell體系結(jié)構(gòu)解釋－第五部分：結(jié)論和參考文獻(xiàn) 小結(jié)： Cell體系結(jié)構(gòu)包含了下面的內(nèi)容： Cell處理器 這是一個(gè) 9核心的處理器，其中一個(gè)是基于 Power構(gòu)建兼容 PowerPC，作 為控制器的核心。其余 8個(gè)稱作 SPE的是高性能的向量處理器。每一個(gè) SPE 包含自己的高速 RAM，可以達(dá)到 32GFlops（ 32位單精度）的性能。 SPE是獨(dú)立的處理器可以單獨(dú)工作也可以鏈接起來(lái)處理流式數(shù)據(jù)，這時(shí)不同的 SPE將完成流處理中的不同步驟。這種充當(dāng)流處理器的能力可以完全開發(fā)目前 Cell 10倍于最快桌面處理器的性能。 除了處理能力外 Cell包含了一個(gè)高性能的多通道存儲(chǔ)子系統(tǒng)，以及一組高速互連機(jī)制將 Cell和其他 Cell芯片或者 I/O設(shè)備連接起來(lái)。 分布式處理 Cell是專門為協(xié)同工作而設(shè)計(jì)的，雖 然他們可以直接通過(guò)高速內(nèi)部互連連接在以前，他們也可以通過(guò)其它方式或者分布在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。 Cell并不是專門為游戲或者計(jì)算而建立的，他們也可以用在從 PDA到 TV的設(shè)備中，并且所有基于 Cell的設(shè)備可以被整合成一個(gè)單一的系統(tǒng)。這一特性的基礎(chǔ)是 Cell以軟件 Cell為單位進(jìn)行操作，軟件 Cell中包含了程序和數(shù)據(jù)這些例程信息。 并行計(jì)算通常比較復(fù)雜，對(duì)于 Cell而言操作系統(tǒng)將管理所有資源并將任務(wù)均衡分布，而無(wú)需為應(yīng)用重新編。如果需要更高的計(jì)算能力只需要添加更多的 Cell，即使新的 Cell推出也無(wú)需替換掉已有的 Cell。 總之 Cell是一個(gè)為分布和并行處理設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，依照極度 aggressive的設(shè)計(jì)原則而設(shè)計(jì)的強(qiáng)勁的計(jì)算引擎。 Cell將會(huì)大量生產(chǎn)，以極低的價(jià)格提供巨量的計(jì)算資源。 結(jié)論 第一個(gè)基于 Cell的桌面計(jì)算機(jī)將會(huì)是領(lǐng)先其后進(jìn)許多的最快桌面系統(tǒng)。即使高端的多核心 x86系統(tǒng)也不能接近他的性能。多處理器和 DSP的制造商門將會(huì)有一段艱苦的和 Cell戰(zhàn)斗的日子。在以前從沒有看到過(guò)如此的性能飛躍，并且未來(lái)再次看到類似飛躍的希望不大。整個(gè)工業(yè)界將感受到 Cell的震動(dòng)波，未來(lái)將會(huì)有巨大的改變。 極高性能并且廉價(jià) 的 Cell將會(huì)是尊敬的 PC 面臨的新挑戰(zhàn)。由于巨大軟件基礎(chǔ)的優(yōu)勢(shì)， PC總是能擊敗每一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者，但是這次這個(gè)優(yōu)勢(shì)不那么明顯了?，F(xiàn)在很多軟件都可以在 linux上運(yùn)行并且逐漸脫離了對(duì) x86處理器和 Microsoft的依賴?，F(xiàn)在很多 PC的性能都超過(guò)了實(shí)際所需，再加上高速 JIT 模擬器這一因素，如果需要的話 Cell完全可以脫離 PC而提高對(duì) PC的兼容能力。 Cell攻擊的不僅僅是 PC工業(yè)，他會(huì)在部分要求高性能的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用。這意味著 Cell的產(chǎn)量將會(huì)是 x86處理器的數(shù)倍，而這將進(jìn)一步拉低價(jià)格。由于基于 PC的 數(shù)字家庭娛樂方案要比基于 Cell的方案更復(fù)雜，更昂貴， Cell將阻塞 x86進(jìn)入家庭娛樂的道路。 Cell將顛覆整個(gè)工業(yè)界，以前從未有人制造如此大的性能飛躍，即使有接近的也無(wú)法以如此低廉的價(jià)格提供。 PC制造商們將被迫反擊，無(wú)論 Cell未來(lái)在市場(chǎng)中的進(jìn)展如何，未來(lái)幾年中所有的處理器都會(huì)提供比目前多得多的處理資源。即使 Cell最終失敗，他也留下的足夠多的遺產(chǎn)。 參考文獻(xiàn)和進(jìn)一步的閱讀材料 關(guān)于 Cell的微處理器報(bào)告 [Cell Patent]專利 專利編號(hào) NO. 6,809,734 專利申請(qǐng)編號(hào) [INQ] 2020年關(guān)于 Cell的分析文章 [Recent Details] IBM網(wǎng)站消息 [Specs] Cell圖片說(shuō)明 [3rd 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