AMD向異構(gòu)多核處理器邁出第一步

從2004年下半年起，AMD和Intel這兩大主流處理器供應(yīng)商開始向多核處理器進(jìn)軍。兩家公司盡可能在芯片上集成更多的處理核，同時簡化設(shè)計(jì)減少系統(tǒng)功耗并提高整體性能。多核處理器的實(shí)質(zhì)是在同一芯片中集成很多同樣的處理核。這一方法降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減小了處理節(jié)點(diǎn)，并成為多核處理器發(fā)展的一種趨勢—這種趨勢顯然對于服務(wù)器應(yīng)用來說更合適，因?yàn)榉?wù)器通常為多用戶提供固定且有限的功能。

與處理器技術(shù)的進(jìn)步為電腦帶來性能上的提升相同，GPU和系統(tǒng)芯片組技術(shù)的發(fā)展同樣使電腦受益匪淺，這一點(diǎn)在特定的應(yīng)用中體現(xiàn)得尤為明顯。如果應(yīng)用軟件使用了多線程技術(shù)，增加的處理核能分擔(dān)部分功能從而提高整體性能。但是，處理核的增加也加大了軟件優(yōu)化的難度。在利用多線程技術(shù)方面，軟件已經(jīng)落后于硬件。因此，MPR(Micro Prosessor Peport《微處理器報告》)認(rèn)為異構(gòu)多核處理器對PC最為合適。此類處理器還集成了其他特殊邏輯功能來滿足各種應(yīng)用和使用模式，例如I/O加速，圖像處理等。市場已經(jīng)準(zhǔn)備好迎接處理器的如此重大的轉(zhuǎn)變了嗎? AMD認(rèn)為是，并計(jì)劃于2008年末開始這一轉(zhuǎn)變。
　　
同構(gòu)VS異構(gòu)

異構(gòu)多核處理器的概念并不新鮮。早在10多年前，嵌入式市場就提供這樣的解決方案，甚至一些新的娛樂用處理器，例如IBM的CELL處理器也是用此類概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。然而對于AMD和Intel這兩位PC和大型服務(wù)器處理器的領(lǐng)軍人物來說，這是一個全新并可怕的設(shè)計(jì)理念。兩家公司都害怕這一趨勢，因?yàn)樵O(shè)計(jì)這樣的處理器并非易事。首先，所有與核有關(guān)的主邏輯器件，必須在一致的時鐘下工作。在過去，處理器，GPU，存儲器和I/O這些獨(dú)立器件在同一時鐘下工作，幾乎是“不可能完成的任務(wù)”。此外，如果公司沒有這方面的專家，可能需要購買相關(guān)的IP。即使有這方面的專家，也會存在侵犯他人專利的潛在可能性。

開發(fā)這樣一種處理器需要做出很多抉擇。是為特定的客戶或使用模式設(shè)計(jì)芯片還是為大多數(shù)客戶設(shè)計(jì)芯片？為特定客戶和使用模式開發(fā)芯片將可以做出更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，但可能會增加設(shè)計(jì)的難度，使設(shè)計(jì)公司的負(fù)擔(dān)加重。另一選擇是通過SoC模式中可替換的IP block使設(shè)計(jì)更具靈活性。但是，這一方案與優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低處理器和系統(tǒng)的能耗的目的相矛盾，并可能降低整體性能，增加處理器的復(fù)雜性。此外，一個公司能在保持開發(fā)進(jìn)度，產(chǎn)品性能和能量需求的同時保持技術(shù)上的領(lǐng)先嗎？歷史證明這是不可能的，這也解釋了為什么過去異構(gòu)多核處理器只在嵌入式市場使用—因?yàn)閲@使用模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，并不需要最頂尖的性能。最后問一句，這是使用硅和制造資源的最優(yōu)方法嗎？處理器的性能或其他方面，能否通過增加處理核，高速存儲器，或增強(qiáng)前端總線來提高？制造方面，使用異類多核架構(gòu)所引起的晶圓變大以及潛在的產(chǎn)量和收益的負(fù)面影響是否劃算？

向異構(gòu)多核處理器轉(zhuǎn)變是一個重大的轉(zhuǎn)變，可能引發(fā)硅和系統(tǒng)供應(yīng)商的分流。在歷史上，類似的轉(zhuǎn)變要經(jīng)歷很長的時期，例如算術(shù)協(xié)處理器的同化。然而，市場變化莫測，企業(yè)需要創(chuàng)新來保持競爭的優(yōu)勢。

ATI的價值

正如我們所預(yù)測的，AMD并購了ATI。2006年10月25日，AMD宣布下一代處理器的開發(fā)將嵌入圖形處理核。這標(biāo)志AMD向?yàn)橹髁饔?jì)算機(jī)提供異構(gòu)多核處理器邁出了第一步。為了給這一轉(zhuǎn)變提供一個良好的環(huán)境，AMD與獨(dú)立的軟件供應(yīng)商展開合作來開發(fā)新的指令，例如矢量浮點(diǎn)指令以及支持“Fusion”架構(gòu)的工具。第一批“Fusion”處理器有望在2008年末或2009年初上市。

雖然沒有透露新處理器的細(xì)節(jié)，AMD還是提供了一些關(guān)鍵性能的線索。AMD將在處理器中嵌入一個圖形處理核來消除處理器冗余，這個圖形處理核與X86核共享高速緩存，主存儲器和I/O等資源。這種方法和Intel的4核處理器使用多個模塊，以及系統(tǒng)集成芯片或CELL處理器那樣使用單獨(dú)的IP塊不同。這種程度的嵌入使圖形核本質(zhì)上成為另一個處理器核。這與AMD目前的雙核及多核處理器很像。在這種方式下，圖形核就像一個多用途核，可以實(shí)現(xiàn)其它功能，例如矢量浮點(diǎn)計(jì)算。這使得該處理器對PC和服務(wù)器具有吸引力。MPR認(rèn)為，AMD在未來一段時間內(nèi)可能繼續(xù)采用將兩個或兩個以上x86內(nèi)核與CPU相結(jié)合的架構(gòu)。到2007年中期，AMD將在雙核處理器中使用3級高速緩存架構(gòu)。2007年末或2008年初AMD有望研制成功移動版或低電壓處理器，它們將是新處理器產(chǎn)品線的一個重要組成部分。

AMD的目標(biāo)之一是在保持或減少處理器TDP（Thermal Design Power）的同時提高系統(tǒng)的每瓦性能。
并希望使用類似的方法將X86技術(shù)用于消費(fèi)電子與嵌入式應(yīng)用之中。在并購ATI時AMD首次表示：在此類應(yīng)用中進(jìn)一步降低能耗的比較快捷的方法是使用單X86核來降低晶圓尺寸，能耗和費(fèi)用。第一款嵌入式和主流應(yīng)用將在2008年末采用新的45nm工藝，同時AMD和Intel同樣瞄準(zhǔn)了8核服務(wù)器處理器。

AMD表示新的Fusion處理器將定位于整個市場，但是目前所有的AMD處理器和ATI系統(tǒng)芯片組以及GPU產(chǎn)品的開發(fā)工作將繼續(xù)進(jìn)行。由于目前無法確定AMD怎樣為其Fusion處理器定價以及Fusion處理器的性能如何，MPR認(rèn)為Fusion處理器的使用最初被限制在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如移動電腦和嵌入式系統(tǒng)，以及特殊的服務(wù)器，例如瘦身客戶機(jī)或刀片服務(wù)器。

多重挑戰(zhàn)

在通向異構(gòu)多核處理器的道路上，AMD面臨許多挑戰(zhàn)。Intel是AMD要面臨的第一個，也使最大的挑戰(zhàn)。Intel已經(jīng)宣布，從2006年第4季度開始，他們針對服務(wù)器，高端桌上電腦，甚至主流PC引入4核處理器。Intel還宣傳其Terascale計(jì)算概念，即在單個處理器上集成數(shù)十個甚至數(shù)百個內(nèi)核?？雌饋鞩ntel傾向于同構(gòu)多核處理器，而其他特殊功能通過外部I/O實(shí)現(xiàn)。AMD的策略能像開發(fā)64位指令集一樣再次引發(fā)Intel的計(jì)劃的改變嗎？除擁有Imagination Technology Group的知識產(chǎn)權(quán)許可外，Intel還擁有一個國際化圖像工程師團(tuán)隊(duì)。此外Intel還可以與Nvidia合作或并購Nvidia來獲得其它所需的技術(shù)。在2006年秋天的Intel信息技術(shù)峰會(IDF)，Intel首次表示在以后的設(shè)計(jì)中使用異核架構(gòu)，但是并沒有透露細(xì)節(jié)。

時間是AMD面臨的第二個重要挑戰(zhàn)，AMD計(jì)劃與業(yè)界展開合作，特別是軟件公司，為其嵌入式圖形處理核開發(fā)新指令。這可能需要長期的努力，特別是在眾多公司加入?yún)⑴c進(jìn)來的情況下。AMD表示新的Fusion處理器最早在2008年末投入生產(chǎn)。雖然Intel沒有發(fā)布其單晶四核心，MPR預(yù)測它將使用新的45nm工藝生產(chǎn)，最早在2007年第四季度投入市場。如果事實(shí)果真如此，這將為Intel爭取一年多的時間來做出反應(yīng)，Intel還可能用其強(qiáng)有力的產(chǎn)品將AMD趕出市場。

圖1  MPR預(yù)測的AMD異構(gòu)處理器框圖

時間挑戰(zhàn)的另一方面來自于圖形處理器，處理核，內(nèi)存控制器以及處理器中其它功能元件開發(fā)進(jìn)度的協(xié)調(diào)。由于上市時間和存儲器架構(gòu)轉(zhuǎn)變、GPU與CPU復(fù)雜性息息相關(guān)，這一目標(biāo)在過去使用獨(dú)立元件是不可能完成的。如果AMD要跟上產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，這將是一個重大的挑戰(zhàn)。此外，嵌入式處理器設(shè)計(jì)將導(dǎo)致更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，盡管可能比使用獨(dú)立元件簡單些。

正如前面提到的，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力都是重要因素。并購ATI使得AMD獲得了重要的人力以及生產(chǎn)資源，這些資源可用于Fusion處理器開發(fā)，但是這筆費(fèi)用會被轉(zhuǎn)嫁到其它產(chǎn)品上嗎？AMD已經(jīng)表示其將繼續(xù)提供沒有嵌入圖形處理器的主流處理器，嵌入圖形處理器的系統(tǒng)芯片組和獨(dú)立的GPU，所以我們還不清楚AMD愿為Fusion的成功付出多大的代價，以及Fusion處理器和其它產(chǎn)品之間如何定位。

此外，F(xiàn)usion處理器需要一條產(chǎn)能更大，復(fù)雜性更高的生產(chǎn)線，但目前AMD的生產(chǎn)力已經(jīng)十分緊張。不過2008年末，AMD將把Fab30的生產(chǎn)能力提升為300mm，屆時將被稱為Fab38。新加坡特許半導(dǎo)體的加入可以進(jìn)一步提高AMD的生產(chǎn)能力。

最后一方面的挑戰(zhàn)來自于市場的認(rèn)可度。以前開發(fā)嵌入圖形處理器或其它功能的處理器的努力常被嚴(yán)重的產(chǎn)品延期和不盡如人意的性能所累。因此導(dǎo)致嵌入式處理器的使用范圍僅限于嵌入式應(yīng)用。甚至和嵌入式有關(guān)的術(shù)語，例如SoC,集成式設(shè)計(jì)，模式設(shè)計(jì)也常常給市場帶來負(fù)面影響。AMD不應(yīng)僅限于證明對主流PC市場來說嵌入式設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟，還要讓消費(fèi)者相信這一點(diǎn)。

AMD的動力

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，AMD有歷史和市場兩方面的動力促使其開發(fā)嵌入式處理器。2004年AMD與Microsoft合作為x86架構(gòu)引入了64位指令。AMD還率先將內(nèi)存控制器集成到架構(gòu)中，Intel雖然沒有這樣做，但是承認(rèn)將來這么做是必需的。這次處理器架構(gòu)的創(chuàng)新以及生產(chǎn)能力的提升使得AMD成為強(qiáng)有力的競爭者，甚至在某些領(lǐng)域成為技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。AMD的市場動力來源于其通過增強(qiáng)與OEM之間的聯(lián)系以及通過公開標(biāo)準(zhǔn)建立的良好的生態(tài)系統(tǒng)。

AMD能引導(dǎo)市場向異構(gòu)多核處理器方向發(fā)展嗎？答案是：只靠自己不行。但是如果有合作團(tuán)隊(duì)以及軟硬件供應(yīng)商的支持，AMD很有希望成功。其中一個關(guān)鍵的因素是AMD還保持其處理器的兼容性，只是通過增強(qiáng)指令和生產(chǎn)能力來提高其處理器的性能。向多核處理器轉(zhuǎn)變還給IC產(chǎn)業(yè)帶來了重要的好處——在提高性能的同時降低能耗。

在處理器上增加更多的功能將提高處理器和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。集成解決方案消除了連接獨(dú)立GPU的總線，減少了由圖像處理產(chǎn)生的通過前端總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。集成GPU特殊指令集進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。將圖形處理器和存儲控制器集成到處理器中也減少了冗余。這種冗余是由聯(lián)接3個很難在同一時鐘下工作的元件帶來的。減少冗余還推動了未來技術(shù)間的轉(zhuǎn)換，降低了系統(tǒng)OEM的潛在風(fēng)險。

由于ATI在消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域的市場占有率，新的處理器技術(shù)也使其他消費(fèi)者和嵌入式應(yīng)用從中獲益，范圍上至游戲控制器下至機(jī)頂盒。如果AMD和ATI能夠提供能耗低于1W的處理器，其產(chǎn)品將會對手持移動設(shè)備領(lǐng)域極具吸引力。除了高度集成的處理器帶來的好處，OEM還可以圍繞指令集進(jìn)行設(shè)計(jì)。該指令集是行業(yè)中最大的可用代碼庫和編程資源。

MPR的觀點(diǎn)

MPR一直認(rèn)為服務(wù)器適合使用同構(gòu)多核處理器。此外PC的處理器也在向同構(gòu)雙核方向發(fā)展，因?yàn)槟壳暗能浖軜?gòu)通常是在后臺運(yùn)行應(yīng)用程序或是同時執(zhí)行多個應(yīng)用程序。然而，如果要進(jìn)一步提高PC和其它消費(fèi)電子產(chǎn)品的性能也許異構(gòu)多核架構(gòu)比較合適。因?yàn)楫悩?gòu)多核架構(gòu)可以滿足顧客不同的要求?；谶@一點(diǎn)，MPR預(yù)測未來十年P(guān)C甚至處理器的設(shè)計(jì)將發(fā)生重大的變化。 AMD目前的轉(zhuǎn)變符合未來發(fā)展的趨勢。

AMD已經(jīng)向異構(gòu)多核處理器邁出了第一步。但是，如果Intel不跟隨AMD的做法，無疑會給AMD添加風(fēng)險和不確定性。因?yàn)殍b于Intel的市場占有率，它可以輕易的引導(dǎo)市場的發(fā)展方向。盡管存在風(fēng)險，MPR認(rèn)為AMD的方向是正確的。在2008年末引入一個新的處理器系列可能有點(diǎn)操之過急，但是即使有些延期，新的處理器最晚將在2009年中期投放市場。MPR希望Intel跟隨AMD的做法，甚至先于AMD做出轉(zhuǎn)變。就像將在2008年上市的Nehalem處理器。(本文摘自MicroProcessor Report，小強(qiáng)編譯)