美研究人员取得多核心处理器技术新突破

直写高速缓存（direct-write cache memories）是今日微处理器的支柱，因为它们能以一种对应用程序透明化的模式降低存储延迟。不过，先进处理器的设计工程师正致力于针对下一代多核处理器，转向采用软件管理缓存（software-managed scratchpad）与信息传递（message-passing）技术，例如由IBM、Toshiba与Sony所开发、应用于PlayStation 3游戏机的Cell宽频引擎架构（Broadband Engine Architecture，CBEA）。

遗憾的是，软件管理暂存器与信息传递技术对应用程序设计师来说是额外负担，并因此意味着微处理器演进过程中的退步。而日前美国半导体技术研发联盟机构Semiconductor Research Corp（SRC）声称，该机构已经解决了新一代处理器的高速缓存扩充问题，可让处理器最多拥有512颗核心；SRC是利用分级硬件一致性（hierarchical hardware coherence）方案，让今日的多层级缓存在自然演变的同时，又保有对应用程序的透明度。

“设计工程师一直对未来多核微处理器的储存问题感到忧心，并致力于透过缓存与信息传递技术来达成软件的一致性；”参与上述研究专案的美国杜克大学（Duke University）教授Dan Sorin表示：“但这种方法需要程序设计师进行数据移动管理，这并不是产业界应该走的方向。”Sorin参与的SRC赞助研究，是与美国宾州大学（University of Pennsylvania）教授Milo Martin与威斯康辛大学（University of Wisconsin）教授Mark Hill合作进行。

蓝色线所代表的单阶层平行目录缓存，在处理器核心扩充到超过32颗的时候会发生无法接受储存的现象，但具备分级目录的双层（红色线）与三层（绿色线）缓存则能扩充支持到512颗核心，而且仅须增加2~4%的储存空间

研究人员提出一种分级硬件一致性技术，声称可让处理器闪存以其核心数量的平方根（square root）进行扩充，而且仅需为处理器添加2%的储存空间，就可支持最多512颗核心。也就是说，尽管核心数量增加，数据流量、储存空间与功耗的增加幅度缓慢，让未来的处理器能继续使用具备硬件一致性、对应用程序透明化的直写高速缓存。

“这样的结果将藉由对设计工程师保证缓存一致性不会遭遇限制，而改变电脑架构的发展方向；”SRC的IC与系统科学部门总监David Yeh表示：“我们现在知道，还有方法可以绕过限制，因此设计工程师可以不用再担心。而且所有的技术都是现成的，不需要新发明的方法，只要聪明地运用那些现有技术就可以。”

值得一提的是，目前的直写硬件一致性架构，能藉由以分级目录增强的共享缓存与明确的快取清除通知（cache eviction notifications）之协同组合而进化，在处理器核心数量增加的同时保持流量、储存、延迟与功耗能在控制之下。SRC指出，未来的大量并行多核处理器发展蓝图将因此而清晰且畅通无阻。