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自从电脑问世以来，人们对于处理器性能的追求就从未停止过。要提升处理器的性能，最简单有效的方法就是提升处理器的频率。但随着AMD和英特尔在2000年以后的处理器性能争夺战，处理器频率很快就提升到了一个极限——Pentium 4处理器最终未能突破4GHz大关。
在频率提升越来越困难的情况下，业界迅速找到了提升处理器性能的新方法，那就是增加核心数量，从而让处理器在同一时间并行处理更多的任务，为此双核心的Pentium D、Athlon 64 X2纷纷问世，如今Core 2 Quad的发布更是宣告桌面处理器多核心时代的来临。那凭借当今的科学技术，处理器的核心究竟能达到多少呢?多核处理器的极限又在哪里?英特尔在近期给出的答案是80核心!
4核怎么够，英特尔80核心处理器问世
早在多年前，英特尔便宣布开始进行一项被称作Tera－Scale(万亿次计算)的研究计划。在1996年，当时英特尔为Sandia国家实验室建立TASCI Red超级计算机，该计算机使用了104个机柜，占地2500平方英尺，装配了近1万个Pentium Pro处理器，耗电量高达500千瓦，所以当时的万亿次计算更多采用的是与处理器集群相关的技术。进入2006年，英特尔逐步揭开了新一代万亿次计算Tera－Scale处理器的面纱。此时人们惊奇的发现，Tera－Scale处理器并没有采用处理器集群来实现，而仅仅通过了1枚芯片实现!更让人震惊的是，这款处理器在有限的面积下竟然集成了多达80个核心，并且可以轻松工作在3GHz以上的频率，同时处理器的耗电量仅为62W!毫无疑问，Tera－Scale处理器就如一枚重磅炸弹瞬间在业界掀起了滔天巨浪。那么，接下来让我们想到的一个问题是：80核心的处理器究竟能用来做什么呢?
Tera－Scale助推新型应用
Tera－Scale架构的推出显然不仅仅是英特尔作为展示自己研发实力的“花瓶”，更为重要的在于其实际的应用价值。早在Tera－Scale基础架构被定义之初，英特尔就经过了大量的市场调查，并为Tera－Scale处理器的应用领域定义了一个新名词：“RMS(Recognition，识别；Mining，挖掘；Synthesis，合成)”。RMS应用模型具有较强的通用性，可用于满足高强度计算、数字内容创建、计算机视觉和人工智能等领域的需求。总体来看，Tera－Scale处理器可以被应用于4大场合，遍及未来生活的方方面面。
首先，Tera－Scale处理器可应用于个人应用领域。这样的场景可能我们都很熟悉，数码相机的大量普及，使存储在电脑上的照片数量成倍增长，随之而来的问题是，我们在电脑上查找照片所花的时间越来越长。虽然我们可以使用诸如Google Desktop等桌面搜索引擎来相对快速地查找照片，但这种搜索仍然要求我们记得住照片的名称，否则“大海捞针”的情况也是无法避免的。但当有了Tera－Scale处理器以后就有所不同了，由于其具有强大的计算能力，电脑将具有一定程度的“智慧”，例如我们从一张图片中选取指定的人物作为搜索对象，电脑就会找到所有包含该人物的图片。同样在目前广为关注的视频搜索方面，Tera－Scale处理器也将会成为强大的助推器，今后我们只要以一段音乐、一句歌词甚至是某段场景为条件，就能快速找到想要的视频。而这一切要在今天实现起来，必须依靠大型服务器才行。
其次，Tera－Scale另一大应用领域是在娱乐方面。当然这里的娱乐不仅仅简单的指看HDTV或者玩游戏，而更高层次的虚拟现实游戏，例如我们可以和电影/游戏中的人物进行互动，或者直接参与到影片/游戏中当主角，如同《黑客帝国》般的虚拟世界将不再是科幻。当然，这一切都需要Tera－Scale处理器提供强大的数据处理能力，以便及时处理声音及动作。
再次，Tera－Scale在旅游以及学习方面也能够施展才华。通过Tera－Scale强大的处理能力，人们还可以创造出用于协作和教育的交互式虚拟现实环境，让你沉醉于法国浪漫的酒吧当中，或者在虚拟现实世界中与外国人交流。
最后，在医疗健康方面，通过Tera－Scale可以支持实时、逼真的人体模拟系统。这样一来，就可以让医生和研究人员在系统上准确、快速地进行各种药物和病理实验。同时家庭医护的概念也将发生变化，我们不必再漫长地等待医院的诊断报告。采用Tera－Scale处理器的家用电脑具有足够的运算能力，因此我们可以在家中进行检查，并用家用电脑快速运算出结果，大大缩短诊断的时间。
毫无疑问，Tera－Scale处理器在硬件上解决了未来应用领域的庞大运算量需求，但它是如何在小小的一块芯片上实现如此惊人性能的呢?
Tera－Scale处理器架构探秘
相对于我们常见的处理器而言，Tera－Scale处理器最为显著的特点就是采用了被称作“瓷砖片”的平铺设计方法(Tiledesign)。在这种设计方法中，每个核心在晶体管规模和复杂程度上相对常见的处理器有所简化，并且各个核心像瓷砖片那样平铺起来，相互连接。Tera－Scale处理器允许最终产品的内部集成10个到100多个的核心，以满足不同领域的运算需求，例如掌上电脑、桌面电脑、笔记本电脑甚至大型服务器。这样的设计与IBM的Cell处理器非常类似，Cell处理器同样可以根据实际需求来决定其协处理器的数量。
在Tera－Scale处理器中，每个核心都具有2个独立运算单元、2KB的数据缓存和3KB的指令缓存。与此同时，每核心的寄存器单元还包括了6个读取端口和4个写入端口。这样一来，核心与核心之间就可以更为容易地实现相互连接和协同工作。除此以外，每个核心运算单元的流水线长度达到了9级，因此可以在一个时钟周期内完成2次浮点运算。
在采用了瓷砖片设计之后，每个核心还能实现差异化设Oo这就意味着Tera－Scale处理器中的80个核心并不需要完全相同，它们可以根据应用场合的不同而增加、缩减或者替换。例如英特尔既可以把80个核心替换为专用DSP芯片，也可以替换为视频编码加速芯片，以针对不同的专业应用。在未来，英特尔甚至可以把3D运算核心加入到Tera－Scale处理器中，直接与GPU抢饭碗。毫无疑问，瓷砖片设计方法的引入将会使得处理器的功能、性能和设计方向发生翻天覆地的变化，未来一个处理器就能满足所有的系统运算需求，即使出现同时集成3D运算、视频编码加速、物理加速和音效等功能的处理器也毫不奇怪。
无论是双核心还是80核心，如何让核心之间更好的协同工作—直都是研究的重点。在Tera－Scale处理器上，英特尔采用了“片上网络”(network－on－a－chip)的设计概念。所谓的片上网络，就是将每个处理 器核心当作一个独立个体，由一个统一的调度机构来进行任务的分配和功耗的控制。Tera－Scale处理器可以自动识别出哪些核心处于繁忙状态，哪些核心处于空闲状态，并且据此对核心进行负载平衡。另一方面，一旦某些核心出现故障，可以立刻将这些核心的当前任务转移给其它核心。最后，针对各种不同种类的核心，片上网络结构还可以先将任务分类，再分配给最适合执行该任务的核心，从而让80核心的运算效率保持在较高的水平。Tera－Scale处理器将可能采用一种点对点类型的信号连接方式，提供高达20GB/s的数据带宽。从现有资料来看，这条总线可能就是英特尔正在开发的CSL总线。
更加先进的电源管理
许多人可能会担心在集成80核心之后，Tera－Scale处理器的芯片面积和发热量都会相当惊人。实际上在英特尔展示的可运行原型上，采用65nm制程的80核心Tera－Scale处理器的芯片面积仅有275mm2(同样制程的Core 2 Duo E6300处理器的面积为111mm2)。与此同时，工作在0.95V、3.16GHz频率下的Tera－Scale处理器的功耗也只有65W。但要注意的是，在这款原型中并没有大容量的缓存，英特尔表示将在未来通过3D堆栈封装技术为Tera－Scale芯片增加缓存，从而具有真正的实用性。不过缓存的耗电量通常占到了整体的50％以上，因此最终完整的80核心Tera－Scale处理器的耗电量可能是现在的一倍以上。
在功耗控制方面，Tera－Scale处理器的每个核心都能根据需要关闭或打开，每个核心还分为了21个电源管理区域，在核心未满载的情况下，同样允许关闭核心中的空闲区域以进一步节省电力。此外，Tera－Scale处理器使用了一种新式的模组PLL(频率发生器)，比传统的全局PLL更加节电，芯片电压可以控制在0.7－1.3V，频率可在0－5.8GHz范围内调整。
更多的设计细节
较为有趣的是，英特尔在Tera－Scale处理器上放弃了传统的x86指令集，转而采用了专为这款处理器设计的超长指令集。这一指令集将会把所有的指令重新融合为一个96位指令进行计算。由此我们不难看出，英特尔可能打算在未来让x86指令集步入历史。
在前面我们还提到，英特尔计划采用3D堆栈内存技术为80个核心提供较大容量的内存。由于Tera－scale处理器需要一条高达1.2TB/s的内存带宽才能使得80个核心都能够及时获取数据，目前最佳的解决方法就是采用3D堆栈内存一一整个内存呈平面状覆盖在80个核心上，让SRAM与核心之间有成千上万只连接针脚。采用3D堆栈内存后，每个核心将具有80GB/s带宽，延迟仅为1.25ns(4GHz频率下)，而整个Tera－scale,总带宽则高达3TB/s!但令人担忧的是，采用3D堆栈内存将对散热和供电提出新的考验，目前还不清楚英特尔将会如何解决。当然英特尔也表示，Tera－scale处理器并非一定需要3D堆栈内存才能运行，只是核心数量会受到限制而已。
写在最后
尽管英特尔为我们展示了Tera－scale处理器的万亿次运算能力，但目前它还只是研究项目，不一定会推向市场。但是，该项研究对探索未来处理器的发展方向有着重要的意义，为今后四核、八核处理器的开发做好铺垫。此外，Tera－Scale处理器对新的硅设计方式和功耗管理技术也是一项可行性实验。
英特尔(中国)研究中心总经理杜江凌博士表示，如同提升处理器频率的历史一样，随着处理器核心数量的增加，增加核心对于提升处理器性能的作用将会变得越来越有限。英特尔的研究表明，超过16核心后，继续增加核心数量的作用会越来越小。而在核心数量增多的情况下，只有配合加入新指令集、改进缓存和硬件线程调度功能才能顺利提升处理器的性能。单纯提升核心数量和频率让摩尔定律在今后继续延续，Tera－scale处理器正是对此作出的新尝试。 对于应用领域而言，Tera－scale处理器的意义也将异常深远。今后个人电脑、移动设备和服务器将具有类似超级计算机的运算能力，这种超高的运算能力将让现在很多大家不敢想、不敢做的应用成为现实。
在频率提升越来越困难的情况下，业界迅速找到了提升处理器性能的新方法，那就是增加核心数量，从而让处理器在同一时间并行处理更多的任务，为此双核心的Pentium D、Athlon 64 X2纷纷问世，如今Core 2 Quad的发布更是宣告桌面处理器多核心时代的来临。那凭借当今的科学技术，处理器的核心究竟能达到多少呢?多核处理器的极限又在哪里?英特尔在近期给出的答案是80核心!
4核怎么够，英特尔80核心处理器问世
早在多年前，英特尔便宣布开始进行一项被称作Tera－Scale(万亿次计算)的研究计划。在1996年，当时英特尔为Sandia国家实验室建立TASCI Red超级计算机，该计算机使用了104个机柜，占地2500平方英尺，装配了近1万个Pentium Pro处理器，耗电量高达500千瓦，所以当时的万亿次计算更多采用的是与处理器集群相关的技术。进入2006年，英特尔逐步揭开了新一代万亿次计算Tera－Scale处理器的面纱。此时人们惊奇的发现，Tera－Scale处理器并没有采用处理器集群来实现，而仅仅通过了1枚芯片实现!更让人震惊的是，这款处理器在有限的面积下竟然集成了多达80个核心，并且可以轻松工作在3GHz以上的频率，同时处理器的耗电量仅为62W!毫无疑问，Tera－Scale处理器就如一枚重磅炸弹瞬间在业界掀起了滔天巨浪。那么，接下来让我们想到的一个问题是：80核心的处理器究竟能用来做什么呢?
Tera－Scale助推新型应用
Tera－Scale架构的推出显然不仅仅是英特尔作为展示自己研发实力的“花瓶”，更为重要的在于其实际的应用价值。早在Tera－Scale基础架构被定义之初，英特尔就经过了大量的市场调查，并为Tera－Scale处理器的应用领域定义了一个新名词：“RMS(Recognition，识别；Mining，挖掘；Synthesis，合成)”。RMS应用模型具有较强的通用性，可用于满足高强度计算、数字内容创建、计算机视觉和人工智能等领域的需求。总体来看，Tera－Scale处理器可以被应用于4大场合，遍及未来生活的方方面面。
首先，Tera－Scale处理器可应用于个人应用领域。这样的场景可能我们都很熟悉，数码相机的大量普及，使存储在电脑上的照片数量成倍增长，随之而来的问题是，我们在电脑上查找照片所花的时间越来越长。虽然我们可以使用诸如Google Desktop等桌面搜索引擎来相对快速地查找照片，但这种搜索仍然要求我们记得住照片的名称，否则“大海捞针”的情况也是无法避免的。但当有了Tera－Scale处理器以后就有所不同了，由于其具有强大的计算能力，电脑将具有一定程度的“智慧”，例如我们从一张图片中选取指定的人物作为搜索对象，电脑就会找到所有包含该人物的图片。同样在目前广为关注的视频搜索方面，Tera－Scale处理器也将会成为强大的助推器，今后我们只要以一段音乐、一句歌词甚至是某段场景为条件，就能快速找到想要的视频。而这一切要在今天实现起来，必须依靠大型服务器才行。
其次，Tera－Scale另一大应用领域是在娱乐方面。当然这里的娱乐不仅仅简单的指看HDTV或者玩游戏，而更高层次的虚拟现实游戏，例如我们可以和电影/游戏中的人物进行互动，或者直接参与到影片/游戏中当主角，如同《黑客帝国》般的虚拟世界将不再是科幻。当然，这一切都需要Tera－Scale处理器提供强大的数据处理能力，以便及时处理声音及动作。
再次，Tera－Scale在旅游以及学习方面也能够施展才华。通过Tera－Scale强大的处理能力，人们还可以创造出用于协作和教育的交互式虚拟现实环境，让你沉醉于法国浪漫的酒吧当中，或者在虚拟现实世界中与外国人交流。
最后，在医疗健康方面，通过Tera－Scale可以支持实时、逼真的人体模拟系统。这样一来，就可以让医生和研究人员在系统上准确、快速地进行各种药物和病理实验。同时家庭医护的概念也将发生变化，我们不必再漫长地等待医院的诊断报告。采用Tera－Scale处理器的家用电脑具有足够的运算能力，因此我们可以在家中进行检查，并用家用电脑快速运算出结果，大大缩短诊断的时间。
毫无疑问，Tera－Scale处理器在硬件上解决了未来应用领域的庞大运算量需求，但它是如何在小小的一块芯片上实现如此惊人性能的呢?
Tera－Scale处理器架构探秘
相对于我们常见的处理器而言，Tera－Scale处理器最为显著的特点就是采用了被称作“瓷砖片”的平铺设计方法(Tiledesign)。在这种设计方法中，每个核心在晶体管规模和复杂程度上相对常见的处理器有所简化，并且各个核心像瓷砖片那样平铺起来，相互连接。Tera－Scale处理器允许最终产品的内部集成10个到100多个的核心，以满足不同领域的运算需求，例如掌上电脑、桌面电脑、笔记本电脑甚至大型服务器。这样的设计与IBM的Cell处理器非常类似，Cell处理器同样可以根据实际需求来决定其协处理器的数量。
在Tera－Scale处理器中，每个核心都具有2个独立运算单元、2KB的数据缓存和3KB的指令缓存。与此同时，每核心的寄存器单元还包括了6个读取端口和4个写入端口。这样一来，核心与核心之间就可以更为容易地实现相互连接和协同工作。除此以外，每个核心运算单元的流水线长度达到了9级，因此可以在一个时钟周期内完成2次浮点运算。
在采用了瓷砖片设计之后，每个核心还能实现差异化设Oo这就意味着Tera－Scale处理器中的80个核心并不需要完全相同，它们可以根据应用场合的不同而增加、缩减或者替换。例如英特尔既可以把80个核心替换为专用DSP芯片，也可以替换为视频编码加速芯片，以针对不同的专业应用。在未来，英特尔甚至可以把3D运算核心加入到Tera－Scale处理器中，直接与GPU抢饭碗。毫无疑问，瓷砖片设计方法的引入将会使得处理器的功能、性能和设计方向发生翻天覆地的变化，未来一个处理器就能满足所有的系统运算需求，即使出现同时集成3D运算、视频编码加速、物理加速和音效等功能的处理器也毫不奇怪。
无论是双核心还是80核心，如何让核心之间更好的协同工作—直都是研究的重点。在Tera－Scale处理器上，英特尔采用了“片上网络”(network－on－a－chip)的设计概念。所谓的片上网络，就是将每个处理 器核心当作一个独立个体，由一个统一的调度机构来进行任务的分配和功耗的控制。Tera－Scale处理器可以自动识别出哪些核心处于繁忙状态，哪些核心处于空闲状态，并且据此对核心进行负载平衡。另一方面，一旦某些核心出现故障，可以立刻将这些核心的当前任务转移给其它核心。最后，针对各种不同种类的核心，片上网络结构还可以先将任务分类，再分配给最适合执行该任务的核心，从而让80核心的运算效率保持在较高的水平。Tera－Scale处理器将可能采用一种点对点类型的信号连接方式，提供高达20GB/s的数据带宽。从现有资料来看，这条总线可能就是英特尔正在开发的CSL总线。
更加先进的电源管理
许多人可能会担心在集成80核心之后，Tera－Scale处理器的芯片面积和发热量都会相当惊人。实际上在英特尔展示的可运行原型上，采用65nm制程的80核心Tera－Scale处理器的芯片面积仅有275mm2(同样制程的Core 2 Duo E6300处理器的面积为111mm2)。与此同时，工作在0.95V、3.16GHz频率下的Tera－Scale处理器的功耗也只有65W。但要注意的是，在这款原型中并没有大容量的缓存，英特尔表示将在未来通过3D堆栈封装技术为Tera－Scale芯片增加缓存，从而具有真正的实用性。不过缓存的耗电量通常占到了整体的50％以上，因此最终完整的80核心Tera－Scale处理器的耗电量可能是现在的一倍以上。
在功耗控制方面，Tera－Scale处理器的每个核心都能根据需要关闭或打开，每个核心还分为了21个电源管理区域，在核心未满载的情况下，同样允许关闭核心中的空闲区域以进一步节省电力。此外，Tera－Scale处理器使用了一种新式的模组PLL(频率发生器)，比传统的全局PLL更加节电，芯片电压可以控制在0.7－1.3V，频率可在0－5.8GHz范围内调整。
更多的设计细节
较为有趣的是，英特尔在Tera－Scale处理器上放弃了传统的x86指令集，转而采用了专为这款处理器设计的超长指令集。这一指令集将会把所有的指令重新融合为一个96位指令进行计算。由此我们不难看出，英特尔可能打算在未来让x86指令集步入历史。
在前面我们还提到，英特尔计划采用3D堆栈内存技术为80个核心提供较大容量的内存。由于Tera－scale处理器需要一条高达1.2TB/s的内存带宽才能使得80个核心都能够及时获取数据，目前最佳的解决方法就是采用3D堆栈内存一一整个内存呈平面状覆盖在80个核心上，让SRAM与核心之间有成千上万只连接针脚。采用3D堆栈内存后，每个核心将具有80GB/s带宽，延迟仅为1.25ns(4GHz频率下)，而整个Tera－scale,总带宽则高达3TB/s!但令人担忧的是，采用3D堆栈内存将对散热和供电提出新的考验，目前还不清楚英特尔将会如何解决。当然英特尔也表示，Tera－scale处理器并非一定需要3D堆栈内存才能运行，只是核心数量会受到限制而已。
写在最后
尽管英特尔为我们展示了Tera－scale处理器的万亿次运算能力，但目前它还只是研究项目，不一定会推向市场。但是，该项研究对探索未来处理器的发展方向有着重要的意义，为今后四核、八核处理器的开发做好铺垫。此外，Tera－Scale处理器对新的硅设计方式和功耗管理技术也是一项可行性实验。
英特尔(中国)研究中心总经理杜江凌博士表示，如同提升处理器频率的历史一样，随着处理器核心数量的增加，增加核心对于提升处理器性能的作用将会变得越来越有限。英特尔的研究表明，超过16核心后，继续增加核心数量的作用会越来越小。而在核心数量增多的情况下，只有配合加入新指令集、改进缓存和硬件线程调度功能才能顺利提升处理器的性能。单纯提升核心数量和频率让摩尔定律在今后继续延续，Tera－scale处理器正是对此作出的新尝试。 对于应用领域而言，Tera－scale处理器的意义也将异常深远。今后个人电脑、移动设备和服务器将具有类似超级计算机的运算能力，这种超高的运算能力将让现在很多大家不敢想、不敢做的应用成为现实。