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计算机如何做到高效能低能耗

发布人:管理员 发布时间:2012-10-12 出处:解放日报 点击量:2421次

    2012年诺贝尔物理学奖颁给了量子操纵技术,令“量子计算机”再次进入公众视野。除了量子计算机外,科学家们还在探索DNA计算机、纳米计算机、神经元计算机等多种可能。未来计算机不管以哪种形式出现,其目标非常明确:性能提高的同时做到低能耗。在日前举行的“高效能计算机体系结构”国际战略高端论坛上,中国工程院院士邬江兴团队提出一种新概念高效计算机体系结构,引起关注。

  能耗是个大问题

  为突破“摩尔定律”的极限,除了不断提升集成电路计算机运算效率,各种新型计算机也在科学家脑中酝酿。以量子计算机为例,其基本数据单位依然是比特——0或1。但与传统计算机不同,一个量子比特可以同时表现为0和1,两个量子比特就是00、01、10、11四种状态。以此类推,300个量子比特承载的数据量便可达到2的300次方,超过整个宇宙的原子数量总和,由此带来运算速度的极大提升。

  除了提高性能,降低计算机系统能耗更是个棘手问题。据专家介绍,目前国际上高性能计算的主流体系结构,都建立在上世纪40年代冯·诺伊曼的理论之上,随着时代发展已面临不少瓶颈。例如,实际应用性能仅有峰值性能的5%—10%,许多性能被“放空”;用户无法根据实际应用需求自主参与计算控制,实用性差。这两个缺陷导致计算系统能耗高居不下,目前位列世界前10名的高性能计算系统功耗均在数兆瓦以上,相当于一个中等城市公共照明用电的总量。各大互联网公司的数据中心能耗同样惊人,谷歌公司云计算中心每天的耗电量和整个日内瓦市的耗电量相当。如果未来计算机只是简单地做服务器数量叠加,而不考虑能耗问题,其用电成本将是天文数字。

  向结构体系动刀

  如何让计算机系统实现真正的高效能运算?邬江兴院士大胆选择了向整个计算机体系架构“动刀”,提出了一种全新的“PRCA体系结构”。在这种新体系下,计算机变得更加“聪明”,它不仅能分析、识别各种应用的类型、需要动用的计算资源,还能据此“调兵遣将”,做到“减有余,补不足”。例如,一个由100台服务器组成的数据中心,50台用于处理和电子邮件相关的指令,50台用于提供视频点播服务。在传统的计算架构下,这种任务分派是一成不变的;但在PRCA架构下,如果视频服务过于集中,50台服务器应接不暇,那么原本为邮件服务待命的服务器,也能 “增援”。这样一来,计算机资源的可持续利用率提高,硬件的更新换代频率有可能将不再频繁。由于所有的计算能力都用在“刀刃”上,整个系统能耗也大大降低。

  和传统计算机“铁板一块”的体系架构不同,这种新概念计算机最大的特点是“会认知”、“柔性可变”。当外界指令输入,算核能根据需要组合出不同的CPU、GPU或者存储器结构来支持运算。结构变成什么样子,完全取决于指令的内容。邬江兴院士将此类比为碳原子——碳原子排列结构不同,既可以产生出世界上最坚硬的金刚石,也能够变成较柔软的石墨。

  颠覆性创新有待验证

  这种动态可变的体系架构,通过软件和硬件的共同创新实现。软件方面包括一系列新型系统,硬件则涉及CPU、存储结构等方面的改革。对于传统计算机体系结构来说,这相当于一次颇具颠覆性的创新,需要进一步实践验证。项目组也坦言,目前学界对此尚有不同看法和意见。但至少有一点已在业内达成基本共识:从具体的应用需求出发,重新设计计算机的结构,实现“智能”调配资源,很可能是未来高效能计算机的发展方向。

  据透露,到今年年底,该项目组有望拿出首台原理验证机。根据理论测算,其能效至少比传统体系架构的系统提高10倍以上,有望大大减少各大超级计算机中心、数据中心的能耗成本。对于普通消费者来说,则意味着享受互联网服务的成本有望降低,用户体验得到提升。