計(jì)算基礎(chǔ)正在發(fā)生根本變革——解讀“計(jì)算2.0”

 摘自CSND 作者：孟巖

從本質(zhì)上看，軟件實(shí)際上只是夾在人與硬件之間的一個(gè)中間層，人們使用軟件的根本目的還是要讓硬件運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)為自己服務(wù)。硬件平臺(tái)如果長(zhǎng)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(gè)噴嚏，軟件就會(huì)得一場(chǎng)感冒。過去十幾年來(lái)，我們的計(jì)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(xiàng)變化都給軟件帶來(lái)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(huì)盡可能把這些變化包裝起來(lái)，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(lái)的免費(fèi)午餐。比如說，RISC跟硬件平臺(tái)帶來(lái)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(jì)算機(jī)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(kù)，使應(yīng)用軟件開發(fā)者們?cè)诓恍鑼?duì)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(gè)時(shí)間點(diǎn)上往前看，就會(huì)看到，情況在發(fā)生的變化。發(fā)生在若干個(gè)不同領(lǐng)域的硬件進(jìn)展，幾乎在同時(shí)達(dá)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(lái)，則使我們面對(duì)一個(gè)自1980年代初PC崛起以來(lái)從來(lái)沒有過的局面，一個(gè)可以毫不夸張地稱之為“變革”的局面，我們稱之為“計(jì)算2.0”。在“計(jì)算2.0”的時(shí)代里，軟件開發(fā)者面對(duì)的平臺(tái)會(huì)發(fā)生巨大的變化，而且這些變化很多是非常本質(zhì)的，無(wú)法簡(jiǎn)單地使用“包裝”的手段屏蔽掉，從而要求軟件開發(fā)的實(shí)踐也必將隨之發(fā)生巨大的變化。這對(duì)軟件產(chǎn)業(yè)的每一個(gè)人來(lái)說，是歷史上很少會(huì)遇到的情況，給我們帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

下面就讓我們一起來(lái)展望一下“計(jì)算2.0”將給我們帶來(lái)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(huì)主席Herb Sutter發(fā)表《并發(fā)的革命——免費(fèi)午餐已經(jīng)結(jié)束》的著名文章以來(lái)，多核已經(jīng)成為整個(gè)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(jìn)行下去，因此，軟件若要在未來(lái)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(yǔ)言，那就是不存在解決多核編程問題的銀彈，不存在可以簡(jiǎn)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(lái)說，這不僅僅是要改變50年來(lái)順序程序設(shè)計(jì)的工藝傳統(tǒng)，而且是要改變數(shù)百萬(wàn)年來(lái)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(jī)器現(xiàn)在已經(jīng)成了過時(shí)貨，并且很快就會(huì)加入古董的行列。而多核機(jī)器的價(jià)格正在迅速下降。如今花2萬(wàn)塊錢人民幣，可以買下“三個(gè)8”的刀片服務(wù)器——兩個(gè)4核至強(qiáng)+8G內(nèi)存+四塊200G硬盤。再過一段時(shí)間，這個(gè)配置中的每項(xiàng)數(shù)據(jù)都會(huì)翻番。如果說在雙核時(shí)代我們還可以假裝一切都沒有發(fā)生，那么當(dāng)一臺(tái)機(jī)器上出現(xiàn)16個(gè)核的時(shí)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(jìn)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(dòng)識(shí)別可并行化的循環(huán)運(yùn)算，然后實(shí)施自動(dòng)并行化。但是這距離全面并發(fā)還很遙遠(yuǎn)。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(wú)非是優(yōu)化多線程中的一些問題，比如無(wú)鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)嘗試避免加鎖和解鎖帶來(lái)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(jì)的語(yǔ)言Erlang，被很多人視為多核時(shí)代的Java，但是Erlang的長(zhǎng)項(xiàng)在于并發(fā)任務(wù)的分發(fā)和同步，用它來(lái)處理計(jì)算密集型的任務(wù)，如圖形圖像多媒體處理和數(shù)值計(jì)算，效率之低令人無(wú)法接受。也許把Erlang當(dāng)成計(jì)算的dispatcher，而讓每個(gè)核上都繼續(xù)以傳統(tǒng)的單線程方式運(yùn)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(shí)并行的多個(gè)單元，并且將并行計(jì)算中的若干問題定義清楚。也就是說，這些方法都無(wú)法解決那個(gè)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(wú)疑問，這是擺在我們面前的最大難題之一。

2. 新計(jì)算設(shè)備

寫作此文時(shí)，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(shí)代的降臨，它所將引起的沖擊必將是劃時(shí)代的。然而對(duì)于開發(fā)者來(lái)說，它卻只不過是在一個(gè)已經(jīng)很長(zhǎng)的新計(jì)算設(shè)備名單里又加上了一項(xiàng)。這個(gè)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(dòng)人心的機(jī)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(gè)非常具有誤導(dǎo)性的說法，這些設(shè)備中的每一項(xiàng)都不是傳統(tǒng)意義上的“嵌入式設(shè)備”，而是更接近于計(jì)算機(jī)的通用計(jì)算設(shè)備，更確切的說法應(yīng)該是“專用的通用計(jì)算設(shè)備”。

僅僅十幾年以前，我們可以安全地認(rèn)為，世界上每臺(tái)計(jì)算機(jī)都是PC，每臺(tái)PC都用X86 CPU，都安裝了DOS/Windows。隨著最近幾年來(lái)新的計(jì)算設(shè)備如雨后春筍般涌現(xiàn)，PC包打天下的時(shí)代已經(jīng)一去不返，這一點(diǎn)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(tái)迷思中擺脫出來(lái)。在軟件系統(tǒng)開發(fā)中合理運(yùn)用多平臺(tái)特長(zhǎng)，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(tái)開發(fā)的。這一點(diǎn)顯然已經(jīng)落后于時(shí)代的發(fā)展。當(dāng)然，這也就給那些有識(shí)之士提供了難得的機(jī)遇，充分利用多平臺(tái)整合的優(yōu)勢(shì)，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(jì)算機(jī)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(shí)了。自從類似DMA這樣的技術(shù)出現(xiàn)，CPU就在不斷地“減負(fù)”。事實(shí)上一臺(tái)計(jì)算機(jī)里有許多塊不同的芯片，它們各自有各自的絕活，讓整臺(tái)計(jì)算機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。不過，不管怎么說，CPU還是整臺(tái)電腦里最強(qiáng)有力的中心，它最強(qiáng)大，最能干。對(duì)嗎？

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

GPU原本只是為了進(jìn)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(jiǎn)化，從而可以高度優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行大規(guī)模的浮點(diǎn)數(shù)并行計(jì)算。當(dāng)代GPU在這方面的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CPU。在浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算速度上，NVIDIA最新的GPU超過Intel最快的CPU達(dá)10倍以上，而據(jù)稱，這一差距在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)達(dá)到數(shù)百倍。單就這一點(diǎn)來(lái)說，GPU早就是計(jì)算機(jī)中最快的芯片了。

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

眼下，NVIDIA和AMD（不久前收購(gòu)ATI）都在加速推出對(duì)GPGPU開發(fā)的支持，而據(jù)傳Intel也將在2008年推出自己的獨(dú)立顯卡，加入戰(zhàn)局。這也就意味著，不出幾年，每臺(tái)電腦里都會(huì)存在兩個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算單元，一個(gè)是CPU，一個(gè)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(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，才能夠達(dá)到效率上的最佳化。此外，那時(shí)候的CPU有8個(gè)或更多的核，而GPU本身更是高度并行化的計(jì)算單元，計(jì)算任務(wù)不僅要合理分布，還需要充分并行，這其中蘊(yùn)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(shuí)能夠橫刀立馬，誰(shuí)就能功成名就。

4. 無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)

回到Kindle，這個(gè)產(chǎn)品最有趣的部分在于，你可以隨時(shí)通過無(wú)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(gè)私人空間里。你永遠(yuǎn)不會(huì)買不到想要的書，也永遠(yuǎn)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(tái)，沒關(guān)系，你龐大的圖書館會(huì)毫發(fā)無(wú)損。

你覺得怎么樣？非常好，對(duì)嗎？但這需要一個(gè)條件，一個(gè)重要的條件——無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)，特別的，無(wú)所不在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

不出幾年，將不會(huì)再存在Internet的死角，在任何地方你都可以高速訪問Internet。對(duì)軟件開發(fā)者來(lái)說這意味著什么？這意味著很多過去慣用的軟件設(shè)計(jì)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(yuǎn)連網(wǎng)，用戶數(shù)據(jù)也最好保存在網(wǎng)絡(luò)上，密集的計(jì)算任務(wù)交給網(wǎng)絡(luò)上的高速節(jié)點(diǎn)來(lái)執(zhí)行，可能比本地執(zhí)行更快。一言以蔽之，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算將全面取代單機(jī)計(jì)算，無(wú)論是對(duì)PC來(lái)說，還是對(duì)各種各樣的小設(shè)備來(lái)說。

更重大的變化可能來(lái)自人們的生活方式，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)——這個(gè)目前世界上規(guī)模最大、最自由的網(wǎng)絡(luò)——無(wú)處不在并且速度飛快的時(shí)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(guó)移動(dòng)的專有網(wǎng)絡(luò)并且每個(gè)月為之付出不菲的費(fèi)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?qǐng)?bào)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(bào)紙，一切媒體歸于互聯(lián)網(wǎng)。這種局面會(huì)給人類的生存方式帶來(lái)一個(gè)重大的變革，在其中蘊(yùn)含著巨大機(jī)會(huì)、挑戰(zhàn)和財(cái)富。在這個(gè)意義上，Google的成功只不過是一個(gè)序曲而已。

如上所述，相信您已經(jīng)意識(shí)到我們處在一個(gè)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(gè)變革中處于前鋒的位置，我們準(zhǔn)備好了嗎？