處理器大廠英特爾（Intel）近日取得「軟體定義核心」（Software Defined Supercore，SDC）專利，概念是軟體結合多核心，組成一個虛擬且超寬廣的「超級大核心」。
Tom’s Hardware報導，新技術目標是在具備足夠偕同工作量的特定應用，顯著提升單執行緒的性能表現。若該技術可以成功達成，未來英特爾的中央處理器（CPU）有望在選定的應用程式中提供更為出色的單執行緒性能。然而，目前這僅是一項專利，未來是否真正用於產品，仍是未知數。
英特爾SDC目的為協同運作，將兩個或更多實體CPU核心結合，如單一高性能虛擬核心。機制是將單一執行緒指令拆分成獨立區塊，不同實體核心平行運算。為了確保程式的原始執行順序不受影響，系統會用專門同步與資料傳輸指令協調。這種設計能以最小的額外作業，最大化每時脈週期指令數（IPC）。相較於傳統提升性能的方式，例如增加時脈速度，或建造體積龐大、單一的大核心，SDC的這種做法有其獨特優勢。因為，建造大核心可能導致功耗顯著增加，同時提高電晶體生產預算，而SDC則提供了一種在不犧牲這些資源下，進一步提升單執行緒性能的替代方案。
現代x86 CPU核心一般能解碼4到6條指令，並在這些指令被解碼成微操作（micro-ops）後，每個週期將執行8到9個微操作，進而達到此類處理器最高的IPC性能。然而，與此形成對比的是，蘋果（Apple）的客製化Arm架構高性能核心（如Firestorm、Avalanche、Everest）理想狀況下，每週期可解碼多達八條指令，並執行超過十條指令。這也是為什麼蘋果處理器在單執行緒性能和功耗方面，通常能展現出比同級Arm晶片更優異的表現。
儘管從技術角度看，建造一個能夠在每個時脈週期解碼、發布和回收多達8條指令的8路x86 CPU核心是可行的，但實際應用並未實現。主要瓶頸在於前端設計的複雜性，以及性能提升在功耗和晶片面積成本上所面臨的顯著遞減效應。事實上，即使是目前最先進的x86 CPU，在執行一般工作運算時，根據軟體的不同通常也只能維持二至三或四的持續IPC。有鑑於此，英特爾SDC提出創新策略，合適情境下，將兩個或更多單元配對，協同運作，共同組成一個大核心，取代直接做一個八路x86 CPU核心的困難。
硬體層面，每個支援SDC的系統核心都整合成一個專用小型硬體模組，負責管理配對核心同步、暫存記憶體傳輸及記憶體排序。這些模組會利用一個預留的記憶體區域，稱為「蟲洞位址空間」（wormhole address space），協調即時輸入／輸出數據（live-in/live-out data）和同步操作。這樣可以確保來自不同核心的指令，最終能以正確的程式順序完成回收。同時支援依序執行（in-order）和亂序執行（out-of-order）核心，並對現有執行引擎僅需最小幅度修改，晶片面積可緊緻設計。
軟體層面，系統將採用即時編譯器（JIT compiler）、靜態編譯器或二進位儀器（binary instrumentation）等技術，將單執行緒程式切割成不同的程式碼區段。這些區段會被分配給不同的核心來執行。同時，系統會注入特殊的指令，用於控制程式流程、暫存記憶體傳遞和同步行為，以確保硬體能夠維持執行的完整性。作業系統（OS）扮演關鍵角色，會根據執行時條件，動態判斷何時將執行緒遷移進入或退出超核心模式，以達到性能與核心可用性之間的最佳平衡。
儘管英特爾的專利文件並未提供性能提升估計，但暗示特定應用場景，兩個小核心聯合性能，有望逼近一個大核心表現。若能成功從專利走向商業化，可為單執行緒應用程式帶來顯著性能提升，特別是能充分利用SDC設計優勢的運算。不過SDC仍處於專利階段，發展與應用值得關注。
(首圖來源：英特爾)
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