高端處理器芯片的技術(shù)趨勢與可持續(xù)發(fā)展

作者/ 唐志敏　中科院計算技術(shù)研究所

摘要：本文介紹了高端處理器芯片的市場需求，分析了當(dāng)下所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以及處理器架構(gòu)的發(fā)展和未來方向。

　　隨著集成電路工藝的不斷提升，如今，逼近極限的集成電路工藝大大增加了高端芯片本身的研發(fā)成本。同時，從整個傳感器網(wǎng)絡(luò)到云數(shù)據(jù)中心的新應(yīng)用模式對計算機(jī)系統(tǒng)提出了很多新的要求。要應(yīng)對這種新局面，就需要通過深入理解應(yīng)用的本質(zhì)需求，設(shè)計可持續(xù)發(fā)展的計算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

高端處理器芯片需要高性價比和低能耗

　　目前的市場對高端處理器主要有兩方面需求。

　　第一方面就是要有較好的性價比。就當(dāng)下市場來看，不斷降低成本的需求仍然存在，但是也出現(xiàn)了成本增長的新因素。對很多應(yīng)用來說，性能不再是最核心的瓶頸，用戶體驗(yàn)成為新的關(guān)注點(diǎn)。例如現(xiàn)在的交通系統(tǒng)，已經(jīng)有汽車、火車和飛機(jī)，雖然更快一些會更好，但已經(jīng)不是整個系統(tǒng)競爭力提升的決定因素，更多在于用戶體驗(yàn)和競爭力方面的考量。隨之而來的是性能本身也出現(xiàn)了一些新的形式，傳統(tǒng)意義上的計算速度和事務(wù)處理速度已經(jīng)不能體現(xiàn)系統(tǒng)的整體性能，現(xiàn)在還要加入服務(wù)速度，即單位時間內(nèi)服務(wù)的請求數(shù)。

　　另一方面則是低能耗。從需求方面來說，低能耗已經(jīng)成為一種新的趨勢。如今，計算系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)兩極分化，即云端和終端。云端規(guī)模太大，散熱和耗電都會成為很大的負(fù)擔(dān)，因而數(shù)據(jù)中心的利用率成為關(guān)注點(diǎn)。對終端方面來說，電池壽命是主要限制，待機(jī)時間成為關(guān)鍵影響因素。

　　實(shí)際上，計算系統(tǒng)更多的能耗不是在計算方面，而是在通訊方面。一項(xiàng)研究表明，在一項(xiàng)Linpack計算中發(fā)現(xiàn)，平均每個浮點(diǎn)運(yùn)算在FPU里消耗10pJ能量，而在訪存通路上耗能475pJ。因而，計算本身消耗的能量并不多，在訪存路徑中消耗的能量反而更多。在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器領(lǐng)域中，很多數(shù)據(jù)傳送依賴于無線通信，這將使計算和無線射頻通信消耗的能量差距更大。

通過新結(jié)構(gòu)和新算法解決低功耗

　　為了解決能耗方面的問題，我們除了有效利用訪問的局部性，采用多級緩存外，還有很多其他方法。

　　需求的變化使得計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會有相應(yīng)變化，眾核并行結(jié)構(gòu)是當(dāng)下降低能耗的一種新結(jié)構(gòu)。同時，要求軟件棧采用扁平化結(jié)構(gòu)，即軟件棧不要太深，因?yàn)檐浖５牟煌瑢哟沃g，都是數(shù)據(jù)拷貝和傳送，軟件棧越深，耗電就會越多。另外，面向應(yīng)用特性也可以做一些定制結(jié)構(gòu)。

　　探索提高新興應(yīng)用性能的結(jié)構(gòu)也是降低功耗的一種解決方法。例如，現(xiàn)在比較熱門的人工智能，面向人工智能方面的應(yīng)用有一些新的結(jié)構(gòu)，例如加速方案，比用傳統(tǒng)的通用處理方案效果更好。

　　適應(yīng)新需求的新算法是解決低功耗的另一種嘗試方法。算法復(fù)雜度的研究已經(jīng)很多了，傳統(tǒng)上人們只考慮算法的計算復(fù)雜度，而現(xiàn)在還需要考慮訪存復(fù)雜度和通信復(fù)雜度。傳統(tǒng)上會認(rèn)為計算量越少越好，現(xiàn)在可能會考慮“計算多一點(diǎn)，通信少一點(diǎn)”，以計算的增長為代價換取通信的減少，更能節(jié)省能耗。

制約新結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的因素

　　有兩個重要因素制約了對新結(jié)構(gòu)的探索，即已有的軟硬件生態(tài)系統(tǒng)和開發(fā)成本?，F(xiàn)存的大量工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了成熟的軟硬件的生態(tài)系統(tǒng)，一旦新的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)這種軟件生態(tài)，就很難生存下去，而重新開發(fā)一個新的生態(tài)，比開發(fā)一種新結(jié)構(gòu)更為困難。這在很大程度上制約了開發(fā)者對新結(jié)構(gòu)的探索。而開發(fā)新結(jié)構(gòu)的成本也會很高，一個新結(jié)構(gòu)需要一個新的芯片支撐，現(xiàn)在的極限工藝條件下，一次性工程開發(fā)的投入越來越高，開發(fā)一款新的芯片投入已經(jīng)在億美元的量級上。據(jù)IDC服務(wù)器市場架構(gòu)分析，在2015年第一季度，X86服務(wù)器系統(tǒng)占整個市場99.26%份額，非X86系統(tǒng)只占0.74%。而在非X86市場中power占比較大，還有其他的EPIC、Sparc、CISC以及RISC等，如圖1。

突破指令集的禁錮

　　指令系統(tǒng)是一把雙刃劍。由于兼容性好，指令集不變，軟件就不用改。壞處就是制約了技術(shù)本身的創(chuàng)新，積累的大量軟件成為體系結(jié)構(gòu)革新的包袱。以X86為例，其條件碼會影響流水線效率，變長指令則會影響指令譯碼和發(fā)射效率，復(fù)雜指令也會影響指令執(zhí)行效率。

　　由于當(dāng)下市場的商業(yè)價值高于技術(shù)革新，舊的指令集的商業(yè)價值戰(zhàn)勝了技術(shù)革新的很多方面。在技術(shù)上，RISC比CISC好，而現(xiàn)在在市場上卻越來越少了，基本上只剩下一個ARM;之前有一個EPIC看起來也比CISC好，現(xiàn)在也已經(jīng)推出歷史舞臺。這是一個商業(yè)和技術(shù)博弈的結(jié)果，相對于技術(shù)，商業(yè)起著更重要的作用。

　　與主流的指令集的兼容是比較重要的，因?yàn)橐靡延械能浶陨鷳B(tài)。即使是傳統(tǒng)的指令集其實(shí)也是一直在不斷地與時俱進(jìn)，根據(jù)新的應(yīng)用需求不斷發(fā)展的。以X86(傳統(tǒng)的指令集)來說，從最早70年代末，80年代初就有了，但是一直在不斷地擴(kuò)展，增加了SIMD多媒體、SIMD向量計算，指令系統(tǒng)支持虛擬化、加解密運(yùn)算，各種安全保護(hù)機(jī)制不斷地發(fā)展。

　　另一方面，指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍有不斷創(chuàng)新的空間。隨著Internet的發(fā)展，出現(xiàn)了很多跨平臺的語言，例如JAVA等語言，對ISA(指令集平臺)的依賴性相對較小。

通用結(jié)構(gòu)和專用結(jié)構(gòu)

　　物聯(lián)網(wǎng)是一個巨大的市場，但是物聯(lián)網(wǎng)的需求是非常碎片化的。因而，物聯(lián)網(wǎng)的市場雖然非常大，但是不可能有一種架構(gòu)包涵天下，可能有多種不同的架構(gòu)，而每個架構(gòu)/產(chǎn)品形式的量不一定那么大。

　　從學(xué)術(shù)角度/技術(shù)角度來看，通用結(jié)構(gòu)是樣樣都能做，通用計算機(jī)是適用于科學(xué)與工程計算、數(shù)據(jù)處理、事務(wù)處理、過程控制等各種應(yīng)用，可高效率地運(yùn)行SPEC CPU基準(zhǔn)程序或包括其它各類應(yīng)用負(fù)荷特征的基準(zhǔn)程序。專用結(jié)構(gòu)是針對某類算法而設(shè)計的，是從算法到架構(gòu)映射出的特定結(jié)構(gòu)，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、流處理器等。包括現(xiàn)在的GPU，雖然在圖形方面比較通用一些，但是在計算方面還是有一定的專用性。

　　通用結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可以基于最先進(jìn)的工藝來做，穩(wěn)定可靠，成本相對較低，有成熟的生態(tài)系統(tǒng)和解決方案，可以大批量生產(chǎn)。但是通用結(jié)構(gòu)對許多應(yīng)用并不是最優(yōu)的，它適合所用的應(yīng)用，但只是對各種應(yīng)用都不會太差。因而會導(dǎo)致資源過度浪費(fèi)、延遲增大、能耗增加等因素。例如從云計算來看，一個通用的CPU中只有30%的面積是經(jīng)常用到的。

　　專用結(jié)構(gòu)針對應(yīng)用算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，效率高、省資源、能耗低。專用架構(gòu)要開發(fā)者自己做，增加了大量的設(shè)計和驗(yàn)證工作，上市時間不確定，穩(wěn)定性和可靠性也可能有問題。由于巨大的NRE(Non-Recurring Engineering，一次性工程費(fèi)用)難以被小批量產(chǎn)品所分?jǐn)?，成本也會較高。

未來處理器架構(gòu)

　　未來的通用處理器的設(shè)計空間是跨越通用和專用的鴻溝，實(shí)現(xiàn)通用、高效、低功耗、低成本的處理芯片?？梢杂么罅亢唵蔚暮舜嫔倭繌?fù)雜的核，這樣雖然會降低能耗，但是比較專用;增加動態(tài)特性，每個核支持多個硬件線程，片上能夠容納大量的線程進(jìn)行運(yùn)算，這對開發(fā)并行性，容忍訪存延遲有好處;另外，通過一個核上有多個線程，多個核上有更多線程，用動態(tài)方式調(diào)度核內(nèi)、核間線程，這樣的結(jié)構(gòu)會更通用。就需求來看，終極目標(biāo)是開發(fā)一種普適的架構(gòu)，同時支持?jǐn)?shù)據(jù)并行和線性并行，可以滿足從云到端的各類數(shù)據(jù)需求，包括云計算、服務(wù)器及移動終端。

　　(注：本文根據(jù)“2016中國集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會”的高端芯片發(fā)展論壇中演講改編。)

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。