英特尔万亿次处理器关键技术解析

片上网络助推万亿位数据传输

英特尔在万亿级处理器原型产品上导入的片上网络，实际上是一种网状网络，它可将所有内核以网格状联网，为内核内部和内核之间提供超高带宽的通信。而它的设计目标，就是要在万亿级处理器内部以每秒万亿位的速度来传输数据，以确保其性能能够充分释放。

这种片上网络主要由内核中的路由器和内核之间的数据线路组成，如前文所述，英特尔万亿级处理器原型产品上每个内核的路由器都有5个端口，其中4个端口引出的数据线路主要用来与周围四个内核进行数据传输和交换，还有一个端口则是用来连接3D堆栈存储器。当这款原型产品运行在4GHz时，单个内核的路由器数据吞吐量就可达到80GB/s，延迟也只有1.25纳秒。而在3.16GHz的时钟频率下，整个原型产品的总带宽、即每秒钟内在最小的对剖平面上通过所有连线的最大数据位数可达到1.62万亿位。

虽然原型产品的片上网络已获得不俗的性能表现，但预计英特尔在发布正式的万亿级处理器前，还将进一步对它进行改良。

英特尔的“瓷砖片”平辅设计与片上网络技术是紧密相关的，它可以把内核像“瓷砖片”一样重复平辅开来，从而缩短处理器的设计周期，降低其设计难度。虽然这种技术的优势在设计集成多个相同核心的处理器时表现得最为明显，但在未来英特尔设计由多种在尺寸、功能或结构上均不相同的内核组成的万亿级处理器时，它也一样能发挥重要作用。

精细粒度能源管理节能有高招

精细粒度能源管理是决定英特尔万亿级处理器原型产品能效表现的重要因素。根据应用对性能的需求，它不但能让任意内核处于休眠或激活状态，还可让每个内核上的浮点引擎、指令/数据缓存、路由器等21个可休眠区域独立休眠或激活。当然，为了保证片上网络的高效运作，所有内核的路由器通常都会保持开启状态。

精细粒度能源管理的成功实现，应归功于休眠晶体管。这种晶体管在英特尔现有的酷睿2等多款处理器上已得到广泛应用。在万亿级处理器原型产品上，每个内核计算单元（包括浮点引擎、指令/数据缓存、寄存器组等）使用的晶体管中有74%都是休眠晶体管。

除休眠晶体管外，英特尔还在万亿级处理器原型产品上应用了新式模组时钟方案。目前市场上的处理器产品多使用全局时钟方案，该方案在处理器内部时钟信号派送上消耗的功耗可占处理器整体功耗的30%左右，相比之下，采用模组时钟方案的英特尔万亿级器原型产品工作在4GHz时，用于时钟信号发送的功耗为2.2W，在整体功耗中所占比例仅为1.2%。

与其他处理器一样，英特尔这款原型产品还能通过调低工作电压和时钟频率来节能，在电压降至0.6V时，它的时钟频率为1GHz，功耗为11W，每秒浮点运算能力依然能达到3100亿次。

实现万亿级计算不能只靠处理器

就像只安装了宝马发动机的拖拉机无法给使用者带来与宝马车相同的驾驶体验一样，真正的万亿级计算平台，也不能仅仅配备一颗万亿级处理器，它还得在所有组件之间（如在处理器和内存间）构建支持每秒万亿位数据传输能力的系统总线，并具备高速大容量的存储能力以及确保有出色的应用和工作负载能够让它的性能得到最大化的利用。

有鉴于此，英特尔对万亿级计算的研究并没有局限于处理器，而是由涉及处理器、平台、编程三大领域的100多个研究项目组成。目前人们已知的项目就包括了针对处理器的可升级内存、多核架构、固定功能单元；属于平台范畴的3D存储器、缓存等级、虚拟化/分区；与编程相关的前瞻多线程、负载分析、事务内存、编辑器和程序库等。据杜江凌博士透露，英特尔中国研究中心正在参与一些编程和平台领域关键项目的研发工作。

杜江凌博士还表示，在发布80核的万亿级处理器原型产品后，英特尔接下来就将在这种处理器上应用3D堆栈存储器，并尝试用基于英特尔架构的通用内核来开发更加智能的原型产品。所谓3D堆栈存储器，就是在处理器封装中的处理器硅片下方堆叠多层DRAM或闪存芯片，让它们为万亿级处理器提供更多等级和更大容量的缓存，在不占用处理器硅片宝贵面积的同时，有效隐藏处理器与内存之间的数据延迟。面对万亿级处理器与内存、芯片组及其他平台组件之间的高速通信需求，英特尔则计划以基于硅光子技术、数据传输速度有望超越40Gb/s的光纤线路作为系统总线，将它们连接起来。

尽管有了明确、细化的研究项目，在关键技术的积累和推进上也获得了一定成绩，但在实现万亿级计算平民化构想的道路上，英特尔还有许多难关需要攻克，它也将为此付出巨大的人力和财力。不过，如果它真能按时兑现这一承诺，那么，像人工智能、即时视频通信、高逼真游戏、多媒体数据挖掘及实时语音识别这些如今只能在高端计算机上运行或在科幻小说中看到的应用，都有可能走入普通大众的日常生活，预计届时英特尔由此获得的收益，也将远远高于它在今后数年内对万亿级计算的投入。

文/象兵