计算机科学：新的微芯片向人们展示了工作效率和可扩展的设计!

普林斯顿大学的研究人员已经建立了一种新的计算机芯片，该芯片有望提高数据中心的性能，这些数据中心是从电子邮件到社交媒体的在线服

数据中心 - 基本上是装有计算机服务器的大型仓库 - 支持基于云的服务，如Gmail和Facebook，以及存储通过互联网提供的庞大的内容。令人惊讶的是，处理和处理信息的最大服务器的核心处的计算机芯片通常与较小服务器或日常个人计算机中的芯片差别很小。

通过专门为大规模计算系统设计芯片，普林斯顿大学的研究人员表示，他们可以在大幅提高处理速度的同时削减能源需求。的芯片架构是可伸缩的;可以构建从十几个处理单元（称为核心）到几千个的设计。此外，该架构可将数千个芯片连接在一起，形成包含数百万个内核的单个系统。被称为Piton的岩石登山者驾驶金属钉进入山腰以帮助他们攀登之后，它被设计为可扩展。

普林斯顿大学计算机科学系电气工程和相关系教授David Wentzlaff说：“有了Piton，我们真的坐下来重新思考计算机架构，以便专门为数据中心和云构建芯片。”“我们制造的芯片是学术界有史以来制造的最大芯片之一，它展示了服务器如何以更高效，更便宜的方式运行。”

Wentzlaff的研究生Michael McKeown将于8月23日星期二在加利福尼亚州库比蒂诺举行的高性能芯片研讨会Hot Chips上发表关于Piton项目的演讲。芯片的揭幕是Wentzlaff及其学生多年努力的结晶。Wentzlaff普林斯顿平行组织的研究生Mohammad Shahrad表示，在学术环境中创建“物理硬件是计算机架构师难得的非常特殊的机会。”

自2013年成立以来参与该项目的其他普林斯顿研究人员包括姚耀生，Tri Nguyen，Yanqi Zhou，Jonathan Balkind，Alexey Lavrov，Matthew Matl，Xiaohua Liang和现任NVIDIA的Samuel Payne。普林斯顿团队设计了Piton芯片，这是IBM为研究团队制造的。该项目的主要资金来自国家科学基金会，国防高级研究计划局和空军科学研究办公室。

目前版本的Piton芯片尺寸为6×6毫米。该芯片拥有超过4.6亿个晶体管，每个晶体管都小到32纳米 - 太小而不能被电子显微镜看到。这些晶体管中的大部分包含在25个内核中，独立的处理器在计算机程序中执行指令。大多数个人计算机芯片有四个或八个核心。通常，只要软件可靠地利用硬件的可用内核并行运行操作，更多内核意味着更快的处理时间。因此，计算机制造商已经转向使用多核芯片以从传统的计算机硬件方法中获得进一步的收益。

近年来，公司和学术机构生产了具有数十个核心的芯片;但Wentzlaff表示，Piton易于扩展的架构可以在单个芯片上实现数千个内核，数据中心拥有5亿个内核。

Wentzlaff说：“我们与Piton所拥有的实际上是未来商业服务器系统的原型，它可以利用大量核心来加速处理速度。”

Piton芯片的设计侧重于利用同一芯片上同时运行的程序之间的通用性。执行此操作的一种方法称为执行绘图。它的工作方式非常类似于自行车比赛中的起草，当骑自行车的人在潜水车手身后节约能量时，他会在空中穿行，从而产生滑流。

在数据中心，多个用户经常运行依赖于处理器级别的类似操作的程序。Piton芯片的核心可以识别这些实例并连续执行相同的指令，以便它们一个接一个地流动，就像一系列起草骑行者。研究人员表示，与标准核心相比，这样做可以将能效提高约20％。

当竞争程序访问存在于芯片外的计算机内存时，Piton芯片中的第二项创新包含在内。这个功能称为内存流量整形器，就像繁忙交叉路口的交通警察一样，考虑每个程序的需求并调整内存请求并适当地挥动它们，这样它们就不会堵塞系统。与传统分配相比，这种方法可以产生18％的性能提升。

Piton芯片还通过管理存储在芯片本身的存储器来提高效率。该存储器称为高速缓冲存储器，是计算机中最快的存储器，用于频繁访问的信息。在大多数设计中，高速缓冲存储器在所有芯片的内核之间共享。但是当多个内核访问和修改缓存时，该策略可能会适得其反。Piton通过将缓存区域和特定核心分配给专用应用程序来回避这个问题。研究人员表示，当应用于1,024核架构时，该系统可将效率提高29％。他们估计，随着系统部署在数据中心的数百万个核心中，这种节省将会成倍增加。研究人员表示，可以在保持成本符合现行制造标准的同时实施这些改进。