尋寶處理器的引人入勝之旅

當(dāng)出版社的編輯介紹萬(wàn)木楊的這本書給我時(shí)，我對(duì)書名《大話處理器》是有一定擔(dān)心的，其一：處理器和計(jì)算機(jī)的發(fā)展幾十年來(lái)風(fēng)起云涌，其間有天才的創(chuàng)新、看似偶然的分叉和囿于商業(yè)市場(chǎng)考量的成功與失敗，一部技術(shù)發(fā)展史絕不比波譎云詭的社會(huì)史遜色。一部“大話”處理器的書會(huì)不會(huì)流于一部圍繞處理器發(fā)展種種軼事的大話技術(shù)史？讀書時(shí)固然會(huì)津津樂道，興趣斐然，然而掩卷沉思后，會(huì)不會(huì)仍然無(wú)法對(duì)處理器的體系結(jié)構(gòu)有更清晰的認(rèn)識(shí)？其二：處理器的發(fā)展是和軟件、操作系統(tǒng)的發(fā)展互為作用的，其中很多技術(shù)點(diǎn)和概念都值得深入討論。采用“大話”的方式能否既保證技術(shù)書籍?dāng)⑹龅臏?zhǔn)確性，又不至于陷入對(duì)某些概念旁征博引的“Rat hole”式的羅列，而變得像很多剪貼式編著的IT書籍一樣？

但其后數(shù)次斷續(xù)讀稿時(shí)沉浸其中的體驗(yàn)打消了我的顧慮。我?guī)状伍喿x書稿都是在出差途中（如飛機(jī)上），一個(gè)很深的體驗(yàn)是一旦開始閱讀就不愿終止，一直讀到不得不將書稿收起走路為止。另一個(gè)體驗(yàn)是，從任何一個(gè)間斷點(diǎn)，都可以把本書當(dāng)作入口，去找尋別的書籍進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)其中的一些關(guān)鍵技術(shù)，就好像函數(shù)調(diào)用一般，這是我所期望的帶領(lǐng)讀者進(jìn)入處理器世界的導(dǎo)游書籍，因此非常愿意向廣大的讀者推薦這本書。

在技術(shù)書籍的閱讀中，我偏愛愛因斯坦闡釋的方法——“在所閱讀的書中，找出可以把自己引向深入的東西，把其他的一切統(tǒng)統(tǒng)拋掉。”這就是拋掉使大腦負(fù)擔(dān)過重和把自己誘離要點(diǎn)的一切。

萬(wàn)木楊的這本書，在選材上圍繞處理器的核心技術(shù)，從計(jì)算機(jī)發(fā)展的形態(tài)、歷史展開敘述，在簡(jiǎn)略介紹了處理器的周邊設(shè)備后，迅速深入處理器的抽象模型，以計(jì)算機(jī)軟件生態(tài)系統(tǒng)中最重要的指令集體系結(jié)構(gòu)ISA切入到探索處理器的微架構(gòu)，對(duì)處理器微架構(gòu)的一些核心技術(shù)，如流水線、亂序執(zhí)行、指令級(jí)并行、線程級(jí)并行、緩存結(jié)構(gòu)和算法、緩存一致性等概念，言簡(jiǎn)意賅地做了原理闡釋。而了解這些核心概念，是理解其后第六章優(yōu)化代碼效率的基礎(chǔ)。竊以為這些章節(jié)是本書的“hardcore”，很值得一讀。

在本書的寫作風(fēng)格上，作者運(yùn)用了很多嶄新的網(wǎng)絡(luò)元素和鮮活的比擬來(lái)厘清概念，比如用《我的兄弟叫順溜》中的順溜裝配子彈的例子來(lái)開展指令流水線的討論，既不流于表面、為舉例而舉例，又一以貫之地將每個(gè)案例充分展開、把問題說透，這樣的例子在本書中比比皆是，也是我推薦該書的原因之一。這體現(xiàn)了“拋掉使大腦負(fù)擔(dān)過重”的原則，以及作者對(duì)所敘述的技術(shù)的深度把握。沒有這種把握，是很難用好這種比擬的，反而容易變成“畫虎不成反類犬”。

由于長(zhǎng)期從事性能優(yōu)化工作，此前也出版了一本針對(duì)并行優(yōu)化指南的書，因此對(duì)本書中闡述并行處理和編寫高效代碼的章節(jié)仍覺意猶未盡，這讓我想起了兩件事：

其一，我在2001年左右從事針對(duì)多核DSP的手寫匯編代碼優(yōu)化工作，就是本書里所總結(jié)的VLIW并行實(shí)現(xiàn)機(jī)制，當(dāng)時(shí)一個(gè)很深的感觸是，人類大腦的并行度很低，至少在匯編這個(gè)層級(jí)，能夠持續(xù)對(duì)多個(gè)計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)高效并行處理編程的上限恐怕就是四級(jí)并行了，人的大腦有所謂“一心不可二用”的限制，因此，此后在IA平臺(tái)上，多核、多進(jìn)程一直到大規(guī)模集群的并行開發(fā)的方向就很清楚了，就是必須依賴高級(jí)語(yǔ)言的開發(fā)工具，支持并行實(shí)現(xiàn)的編譯器、數(shù)學(xué)庫(kù)和線程，MPI進(jìn)程追蹤工具和類似Vtune這樣的指令微架構(gòu)行為的示波器，來(lái)解放人的大腦。另一方面就是開發(fā)新的并行編程模型和語(yǔ)言，進(jìn)一步釋放多核處理器的性能。

其二，在一本論述并行超級(jí)計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的英文專著上，我曾讀到一段話，似可借來(lái)總結(jié)處理器性能發(fā)展的方向。即，要做快、做好一件事，基本上有三種方法。一是把事情本身縮短、少做事，這就是處理器流水線效率、分支預(yù)測(cè)命中率等等技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)在軟件上就是更好的算法和更短的代碼關(guān)鍵路徑。二是做得更快、更勤些，這就是處理器上更多的浮點(diǎn)計(jì)算單元、更高效的緩存、新的高效指令集直到AVX這樣的高密度向量計(jì)算指令。三是讓別人去做或者和別人一起做，這就是并行，多線程和多進(jìn)程的并行工作。處理器的發(fā)展，從性能上看，基本上也可以歸為上述三點(diǎn)，比照本書的結(jié)構(gòu)，讀者也可以做個(gè)歸納。

未來(lái)的發(fā)展，我們看到了SOC的興起，我們看到CPU和GPU的混合計(jì)算，我們也看到英特爾即將推出的、針對(duì)大規(guī)模并行應(yīng)用、集成眾核架構(gòu)的協(xié)處理模式的處理器。正如丘吉爾所言，“你能看見多久的過去，就能看見多遠(yuǎn)的未來(lái)”?；仡櫛緯刑岬降哪切┮巳雱俚奶幚砥骷夹g(shù)的來(lái)龍去脈，背后的技術(shù)原因或是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)要素，奇妙之處在于，處理器的技術(shù)史是我們創(chuàng)造出來(lái)的，而身處其中之人卻難以知曉，那就讓我們“把其他的一切統(tǒng)統(tǒng)拋掉”，一起踏上本書尋寶處理器的引人入勝之旅！是為序。

何萬(wàn)青 博士

英特爾數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品部 高性能計(jì)算/工作站架構(gòu)師