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(图片来源于：Christine Daniloff/麻省理工学院)

引言

计算机芯片运算速度的提高，最近已经放缓了。过去十年以来，芯片的性能提高取决于处理单元（核）的组合。理论上讲，一个运行在64核机器上的程序，运算速度应该是单核程序的64倍。但它事实很少是这样。大多数的计算机程序是按时序分成小块，所以能并行进行各种复杂计算。在电气与电子工程师协会的五月/六月的期刊《微》上，麻省理工学院计算机科学和人工智能研究室(CSAIL)的研究人员，展示了一个新的芯片设计，他们称为“Swarm”，让并行计算不仅更加有效，而且更容易写入。

架构的根本和效果

在仿真过程中，研究人员将Swarm版本的六个通用算法，和目前最佳的并行版本进行比较，这些版本曾经由经验丰富的软件开发人员开发。Swarm版本的速度是他们的3到18倍，而且只需要十分之一的代码，或者更少。在有一个案例中，Swarm完成了之前计算机科学家无法进行的并行化程序的加速。

“多核系统十分难以编程，”该项目的领头人，麻省理工大学电气工程和计算机科学专业的助理教授Daniel Sanchez说。“你必须显式拆分在任务中进行的工作，然后在任务访问的共享数据之间，进行一些同步。这种架构的做法，从根本上讲，就是移除各种各样的显式同步，让并行计算更加容易。有些程序很多年来，一直抵制并行化，这些就是我们在这项研究中要关注的。”

使用优先级解决“图”的问题

这些程序，大部分都是计算机科学家称为“图”程序。一个图由结点，通常描述为圆形，和边，通常描述为连接结点的线段。通常来说，边相关的数据被称为“权重”，代表数据集合中数据点的相关度，或者城市之间的距离。

图带来了广泛的计算机科学问题，他们最直观的用途，可能是描述地理关系。实际上，CSAIL的研究人员评估这些算法，来找出两点之间最快的行驶路线。

原则上讲，图搜索，是可以进行并行处理的。不同的核，可以同时分析图的不同区域，或者图上面不同的路径。但是大多数的图搜索算法，有一个问题，当它逐渐地变得清晰，图上所有的区域和要解决的问题无关。如果这样，核将立刻开展任务搜索这些区域，他们的努力将是徒劳的。

当然，对无关区域的徒劳分析，不仅是并行图搜索算法，也是顺序图搜索算法的一个问题。所以计算机科学家已经开发了，许多应用于优先图搜索的应用程序制定的技术。例如，一个算法，可能开始只探索，那些边具有最低权重的路径，或者它可能先从那些具有最少边的结点开始探索。

Swarm和其他多核芯片不一样的地方，就是它具有另外的电路，控制这种类型的优先化 。它根据他们的优先级，将任务打上时间戳，然后从最高优先级的任务开始并行处理。高优先级的任务产生它们自己的较低优先级的任务，但是Swarm将他们自动地排成任务队列。

偶然来说，任务并行运行，可能导致冲突。例如，一个低优先级的任务，在高优先级的任务读取同样位置的数据之前，可能向内存中一些特殊的位置写入数据。在这些情况下，Swarm自动的让低优先级任务退出。然后，它维护核之间的同步，访问会引起之前程序员担心的同一数据 。

实际上，从程序员的观点来说，使用Swarm是非常舒服的。当程序员定义了一个函数，他或者她增加一行代码，将函数加载到Swarm的任务队列中。程序员必须指定度量，例如边的权重或者边的数量。程序用这些数据来排序。通常来说，让Swarm使用现有的顺序算法，只需要加几行代码而已。

事务性内存解决内存访问的问题

最艰巨的任务是芯片本身。Sanchez和Mark Jeffrey 以及 Suvinay Subramanian，都是麻省理工大学电气工程和计算机专业毕业生；Cong Yan，Sanchez小组硕士成员之一和华盛顿大学的博士研究生，以及Joel Emer，在麻省理工学院的电气工程和计算机科学专业工作的教授，以及芯片制造商英伟达的杰出高级研究科学家。他们一起开发了这款芯片。

Swarm芯片具有额外的电路，存储和管理它的任务队列。它也有电路，记录所有核目前的工作数据的内存地址。电路实现了叫做“布隆过滤器”的组件，它将数据塞进一个固定分配的空间中，回答关于它的内容是/否的问题。如果太多的数据要被加载进过滤器，它将偶尔会产生假阳性，表明“是的，我在存储地址。”但是，它将永远不会产生假阴性。

布隆过滤器，是帮助Swarm区分内存访问冲突的其中一个电路。研究人员能够展示时间戳，让核之间的同步更好的进行。例如，每个数据项都具有一个最后更新它的任务的时间戳，所以具有以后的时间戳的任务，会知道他们可以读取数据，而不需要判断有没有另外的人使用它们。最后，所有这些核偶尔报告他们还在执行的高优先级任务的时间戳。如果一个核，结束一个任务。这个任务的时间戳，比他们的伙伴们报告的任务具有更早。它将会知道他可以将它的结果写进内存，而不需要担心任务冲突。

“我相信他们的架构，在对于过去工作中，事务内存和线程级别的猜测方面，有着正确的观点。”Luis Ceze，华盛顿大学计算机科学和工程专业的副教授，说到。“事务性内存，参考一种机制，保证多处理器并行运行，并且相互不冲突。它保证有序的更新共享内存位置的数据。线程级的思考，是一个相关的技术，使用事务性内存的创意来进行同步：这么做不需要确保任务是并行的，如果不是，连续的重做和重新执行。Sanchez的架构，创造性地使用了这些想法和技术中，很好的部分。”

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