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處理器的女大十八變

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郭芳安｜國家實驗研究院高速網路與計算中心科學計算組

這堂歷史課是關於「中央處理器（Central Processing Unit，簡稱CPU）」的演進，這也是人類對於科技需求的演進史，筆者第一次擁有電腦是小學4年級（1992年）時候的一台386dx2*電腦，僅33MHz相較目前智慧型手機的三十分之一不到的計算能力，十年之後已有2Ghz (1Ghz = 1024 MHz)產品，這段時間裡處理器的架構也慢慢地有了穩定的架構，包括了SSE(Streaming SIMD Extensions**)指令集幫助我們處理可向量化計算的資料，多層級快取（L1/L2），前端匯流排FSB等，這一切都是為了我們對計算需求日益增大而在處理器設計上的發展，這十年之中，處理器的計算速度不斷的提升，提昇處理速度的最好方法之一即是等18個月會有更強力的處理器推出而得到加倍的處理速度。再過十年的今天，處理器已無法在透過同樣方法提昇計算效能，高熱導致超高頻率的處理器（如核心頻率8GHz）只能短暫出現於實驗室中，因此處理器的發展出現了一個大轉變，促使多核心處理器誕生。

一顆當兩顆用，這是我第一次接觸多核心處理器（multi-core processor）的想法，但科技來自於渴望，人類的渴望無限，時至今日，市面上常見四核心以上的處理器，抑或動輒200核心以上的圖形處理器，相較於在2002年的超級電腦由多台電腦共同組成或多顆CPU組成的時代，比較現在已可在單顆處理器實現，所以近幾年已有許多的研究轉向這類超多核心的處理器（或稱眾核處理器, many-core processor），這類處理器目前以圖形加速處理器為主，已有多家廠商投入生產，如Intel、Nvidia、AMD等，而軟體技術也慢慢朝向平行計算（parallel computing）前進，如OpenMP、MPI、CUDA、OpenCL等等。

由過去看見未來，超多核心處理器的發展已是目前趨勢，在未來也必定是處理器發展主力方向之一，應用多核心的處理技術就變得相對重要，在工程與科學應用上，平行計算技術正如火如荼地發展正是為了在這些處理器上得到最高效能，目前清華大學資工系、台灣大學資工系及國家高速網路與計算中心皆已相繼開設GPU課程就不難發現，處理器對計算模擬、科學計算、財務及許多計量科學等未來應用都提供強大的計算資源。然而，在擁有強大計算能力的同時，該如何運用在實際問題上則是目前軟體工程與計算工程的一大挑戰。

參考文獻

Top of the line 386 computer, youtube, http://www.youtube.com/watch?v=0Ek0NtoxSTs&feature=related
Streaming SIMD Extensions, http://en.wikipedia.org/wiki/Streaming_SIMD_Extensions

資料來源

轉載自「國研院高速網路與計算中心77期電子報」

中央處理器(9) 平行計算(4) 科發月刊(5221)

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