計算基礎(chǔ)正在發(fā)生根本變革——解讀“計算2.0”

 摘自CSND 作者：孟巖

從本質(zhì)上看，軟件實際上只是夾在人與硬件之間的一個中間層，人們使用軟件的根本目的還是要讓硬件運轉(zhuǎn)起來為自己服務(wù)。硬件平臺如果長期穩(wěn)定，軟件就能夠安穩(wěn)發(fā)展，建起高樓大廈，硬件基礎(chǔ)如果打個噴嚏，軟件就會得一場感冒。過去十幾年來，我們的計算環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很多變化，比如RISC的興起，大規(guī)模服務(wù)器集群的發(fā)展，SIMD的普及，特別是網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展，令人印象深刻。每一項變化都給軟件帶來一定程度的沖擊。不過大部分情況下，這種沖擊力度有限：只需要有一小部分人去關(guān)注就好了，他們會盡可能把這些變化包裝起來，從而使得其余的絕大部分人不受影響，而又能夠享受硬件發(fā)展帶來的免費午餐。比如說，RISC跟硬件平臺帶來的變革是非常巨大的，但是只有編譯器和操作系統(tǒng)開發(fā)者真正需要關(guān)注它。SIMD（MMX、3DNow!、SSEx）的發(fā)展使普通計算機處理多媒體數(shù)據(jù)的能力獲得了本質(zhì)提升，但是廠商們也推出了一系列封裝庫，使應(yīng)用軟件開發(fā)者們在不需對開發(fā)方式做重大改變的情況下享受這些發(fā)展成果。

然而站在今天這個時間點上往前看，就會看到，情況在發(fā)生的變化。發(fā)生在若干個不同領(lǐng)域的硬件進展，幾乎在同時達到了可以被稱之為“本質(zhì)變化”的狀態(tài)。而所有這些變化結(jié)合起來，則使我們面對一個自1980年代初PC崛起以來從來沒有過的局面，一個可以毫不夸張地稱之為“變革”的局面，我們稱之為“計算2.0”。在“計算2.0”的時代里，軟件開發(fā)者面對的平臺會發(fā)生巨大的變化，而且這些變化很多是非常本質(zhì)的，無法簡單地使用“包裝”的手段屏蔽掉，從而要求軟件開發(fā)的實踐也必將隨之發(fā)生巨大的變化。這對軟件產(chǎn)業(yè)的每一個人來說，是歷史上很少會遇到的情況，給我們帶來巨大的挑戰(zhàn)和機遇。

下面就讓我們一起來展望一下“計算2.0”將給我們帶來的沖擊。

1. 多核與并發(fā)編程

自從2005年初C++標(biāo)準(zhǔn)委員會主席Herb Sutter發(fā)表《并發(fā)的革命——免費午餐已經(jīng)結(jié)束》的著名文章以來，多核已經(jīng)成為整個軟件社群里熱門話題。在那篇文章里，Herb Sutter斷言說，CPU頻率的提高已經(jīng)接近極限，摩爾定律的發(fā)展今后將依賴多核化進行下去，因此，軟件若要在未來的環(huán)境下生存，必須考慮并發(fā)問題。接著，Herb Sutter做出了更大膽和更驚人的語言，那就是不存在解決多核編程問題的銀彈，不存在可以簡單地將并發(fā)編程問題化解掉的工具，開發(fā)高性能的并行程序必須要求開發(fā)者從根本上改變其編程方法。從某種意義上來說，這不僅僅是要改變50年來順序程序設(shè)計的工藝傳統(tǒng)，而且是要改變數(shù)百萬年來人類順序化思考問題的習(xí)慣，其困難程度可想而知！

將近3年后的今天，Herb Sutter的預(yù)言似乎初步得到了印證。單核機器現(xiàn)在已經(jīng)成了過時貨，并且很快就會加入古董的行列。而多核機器的價格正在迅速下降。如今花2萬塊錢人民幣，可以買下“三個8”的刀片服務(wù)器——兩個4核至強+8G內(nèi)存+四塊200G硬盤。再過一段時間，這個配置中的每項數(shù)據(jù)都會翻番。如果說在雙核時代我們還可以假裝一切都沒有發(fā)生，那么當(dāng)一臺機器上出現(xiàn)16個核的時候，敢于去忽略這種體系結(jié)構(gòu)上的根本變革的人，一定是瘋子。

人們正在緊張地尋找著解決多核編程難題的方法。到目前為止，進展不太大。目前最理想的結(jié)果，就是類似Intel C++和Intel Fortran這樣的編譯器，可以自動識別可并行化的循環(huán)運算，然后實施自動并行化。但是這距離全面并發(fā)還很遙遠。類似MPI和OpenMP這樣的解決方案雖然早就存在，但是要得到普及難度不小。至于其他的一些常規(guī)方案，無非是優(yōu)化多線程中的一些問題，比如無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嘗試避免加鎖和解鎖帶來的巨大開銷，而事務(wù)型內(nèi)存也是為了優(yōu)化多線程程序共享資源的性能和可靠性。專門為并發(fā)系統(tǒng)設(shè)計的語言Erlang，被很多人視為多核時代的Java，但是Erlang的長項在于并發(fā)任務(wù)的分發(fā)和同步，用它來處理計算密集型的任務(wù)，如圖形圖像多媒體處理和數(shù)值計算，效率之低令人無法接受。也許把Erlang當(dāng)成計算的dispatcher，而讓每個核上都繼續(xù)以傳統(tǒng)的單線程方式運行C程序是解決這類問題的辦法。但是所有這些方法，都首先要求將任務(wù)分解成可同時并行的多個單元，并且將并行計算中的若干問題定義清楚。也就是說，這些方法都無法解決那個最大的挑戰(zhàn)：人的思維方式轉(zhuǎn)變問題。不改變我們編寫應(yīng)用程序的傳統(tǒng)線性思維，所有這些工具都沒有太大幫助。毫無疑問，這是擺在我們面前的最大難題之一。

2. 新計算設(shè)備

寫作此文時，Amazon剛剛發(fā)布了電子書閱讀器Kindle，這款產(chǎn)品的出現(xiàn)，基本上等于宣告電子閱讀時代的降臨，它所將引起的沖擊必將是劃時代的。然而對于開發(fā)者來說，它卻只不過是在一個已經(jīng)很長的新計算設(shè)備名單里又加上了一項。這個名單中包括：PS2/3，XBox/XBox360，Wii， Tivo，Game Boy、Game Boy Advance，PSP，iPhone，Windows Mobile，Symbian，Linux Mobile，Blackberry，iPod，車載導(dǎo)航儀，當(dāng)然，還有最最激動人心的機器人。有人大而化之將它們統(tǒng)稱為“嵌入式設(shè)備”，然而這是一個非常具有誤導(dǎo)性的說法，這些設(shè)備中的每一項都不是傳統(tǒng)意義上的“嵌入式設(shè)備”，而是更接近于計算機的通用計算設(shè)備，更確切的說法應(yīng)該是“專用的通用計算設(shè)備”。

僅僅十幾年以前，我們可以安全地認為，世界上每臺計算機都是PC，每臺PC都用X86 CPU，都安裝了DOS/Windows。隨著最近幾年來新的計算設(shè)備如雨后春筍般涌現(xiàn)，PC包打天下的時代已經(jīng)一去不返，這一點已經(jīng)非常清楚不過了。

然而，軟件開發(fā)者并沒有從過去20多年形成的單一平臺迷思中擺脫出來。在軟件系統(tǒng)開發(fā)中合理運用多平臺特長，充分注重可移植性的思維尚未形成，大部分應(yīng)用還是為傳統(tǒng)PC平臺開發(fā)的。這一點顯然已經(jīng)落后于時代的發(fā)展。當(dāng)然，這也就給那些有識之士提供了難得的機遇，充分利用多平臺整合的優(yōu)勢，就可以開發(fā)出革命性的新型應(yīng)用。

3. GPGPU

“CPU——中心處理單元，計算機的核心和大腦，一切的一切的主宰。”

教科書上這么告訴我們。

很遺憾，這種說法早就不是事實了。自從類似DMA這樣的技術(shù)出現(xiàn)，CPU就在不斷地“減負”。事實上一臺計算機里有許多塊不同的芯片，它們各自有各自的絕活，讓整臺計算機高速運轉(zhuǎn)。不過，不管怎么說，CPU還是整臺電腦里最強有力的中心，它最強大，最能干。對嗎？

很遺憾，連這個說法也變得非常脆弱了。在那些裝備有高級圖形卡的電腦玩家的機器中，CPU已經(jīng)不是最強大的計算單元了，取而代之的是GPU。

GPU原本只是為了進行3D圖形加速而誕生的芯片，由于其專用性，體系結(jié)構(gòu)較之CPU大大簡化，從而可以高度優(yōu)化設(shè)計，進行大規(guī)模的浮點數(shù)并行計算。當(dāng)代GPU在這方面的性能遠遠超過了CPU。在浮點數(shù)計算速度上，NVIDIA最新的GPU超過Intel最快的CPU達10倍以上，而據(jù)稱，這一差距在未來幾年內(nèi)會達到數(shù)百倍。單就這一點來說，GPU早就是計算機中最快的芯片了。

然而，由于GPU的專用性，大部分通用計算任務(wù)是無法用GPU來完成的。例如，連最最簡單的分支語句，GPU都無法完成。因此，GPU永遠不可能取代CPU。但是，GPU強大的計算能力如果僅僅給高性能圖形程序和游戲來使用，也無疑是一種巨大的計算資源浪費，有沒有可能將GPU的計算資源暴露給應(yīng)用程序員，由他們將適合于GPU計算的任務(wù)轉(zhuǎn)交給GPU完成，而把CPU解放出來干CPU擅長的工作呢？沒錯，這就是通用GPU計算（General Purpose GPU computing）的宗旨。

眼下，NVIDIA和AMD（不久前收購ATI）都在加速推出對GPGPU開發(fā)的支持，而據(jù)傳Intel也將在2008年推出自己的獨立顯卡，加入戰(zhàn)局。這也就意味著，不出幾年，每臺電腦里都會存在兩個強大的計算單元，一個是CPU，一個是GPU。軟件開發(fā)人員將面臨新的挑戰(zhàn)——只有把任務(wù)合理地分配給CPU和GPU，并且進行統(tǒng)一調(diào)度，才能夠達到效率上的最佳化。此外，那時候的CPU有8個或更多的核，而GPU本身更是高度并行化的計算單元，計算任務(wù)不僅要合理分布，還需要充分并行，這其中蘊含的挑戰(zhàn)之大，足夠令人心驚膽寒。然而，也正正創(chuàng)造了英雄橫空出世的條件，誰能夠橫刀立馬，誰就能功成名就。

4. 無處不在的網(wǎng)絡(luò)

回到Kindle，這個產(chǎn)品最有趣的部分在于，你可以隨時通過無線網(wǎng)絡(luò)下載你想看的書，而且這些下載的書被保存在網(wǎng)絡(luò)上你的一個私人空間里。你永遠不會買不到想要的書，也永遠不用擔(dān)心家里太小，放不下這些書。如果你的Kindle丟失了或者你想換一臺，沒關(guān)系，你龐大的圖書館會毫發(fā)無損。

你覺得怎么樣？非常好，對嗎？但這需要一個條件，一個重要的條件——無所不在的網(wǎng)絡(luò)，特別的，無所不在的無線網(wǎng)絡(luò)。

不出幾年，將不會再存在Internet的死角，在任何地方你都可以高速訪問Internet。對軟件開發(fā)者來說這意味著什么？這意味著很多過去慣用的軟件設(shè)計思路將不再是最優(yōu)的了，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)訪問限制的很多擔(dān)憂也變得不必要了。應(yīng)用可以保證永遠連網(wǎng)，用戶數(shù)據(jù)也最好保存在網(wǎng)絡(luò)上，密集的計算任務(wù)交給網(wǎng)絡(luò)上的高速節(jié)點來執(zhí)行，可能比本地執(zhí)行更快。一言以蔽之，網(wǎng)絡(luò)計算將全面取代單機計算，無論是對PC來說，還是對各種各樣的小設(shè)備來說。

更重大的變化可能來自人們的生活方式，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)——這個目前世界上規(guī)模最大、最自由的網(wǎng)絡(luò)——無處不在并且速度飛快的時候，其他的通信網(wǎng)絡(luò)還有存在的必要嗎？我們還需要使用中國移動的專有網(wǎng)絡(luò)并且每個月為之付出不菲的費用嗎？我們還需要忍受諸如“腦白金”那樣的爛廣告和矯揉造作的爛主持人嗎？我們還需要買日報和雜志嗎？可能都不需要了。互聯(lián)網(wǎng)就是電視，互聯(lián)網(wǎng)就是電話，互聯(lián)網(wǎng)就是報紙，一切媒體歸于互聯(lián)網(wǎng)。這種局面會給人類的生存方式帶來一個重大的變革，在其中蘊含著巨大機會、挑戰(zhàn)和財富。在這個意義上，Google的成功只不過是一個序曲而已。

如上所述，相信您已經(jīng)意識到我們處在一個怎樣的變革當(dāng)中！令我們興奮不已的是，軟件開發(fā)者在這個變革中處于前鋒的位置，我們準(zhǔn)備好了嗎？