高端處理器芯片的技術(shù)趨勢與可持續發(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(chǎng)需求，分析了當下所面臨的挑戰和機遇，以及處理器架構的發(fā)展和未來(lái)方向。

　　隨著(zhù)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(shí)，從整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )到云數據中心的新應用模式對計算機系統提出了很多新的要求。要應對這種新局面，就需要通過(guò)深入理解應用的本質(zhì)需求，設計可持續發(fā)展的計算系統結構。

高端處理器芯片需要高性?xún)r(jià)比和低能耗

　　目前的市場(chǎng)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?xún)r(jià)比。就當下市場(chǎng)來(lái)看，不斷降低成本的需求仍然存在，但是也出現了成本增長(cháng)的新因素。對很多應用來(lái)說(shuō)，性能不再是最核心的瓶頸，用戶(hù)體驗成為新的關(guān)注點(diǎn)。例如現在的交通系統，已經(jīng)有汽車(chē)、火車(chē)和飛機，雖然更快一些會(huì )更好，但已經(jīng)不是整個(gè)系統競爭力提升的決定因素，更多在于用戶(hù)體驗和競爭力方面的考量。隨之而來(lái)的是性能本身也出現了一些新的形式，傳統意義上的計算速度和事務(wù)處理速度已經(jīng)不能體現系統的整體性能，現在還要加入服務(wù)速度，即單位時(shí)間內服務(wù)的請求數。

　　另一方面則是低能耗。從需求方面來(lái)說(shuō)，低能耗已經(jīng)成為一種新的趨勢。如今，計算系統已經(jīng)出現兩極分化，即云端和終端。云端規模太大，散熱和耗電都會(huì )成為很大的負擔，因而數據中心的利用率成為關(guān)注點(diǎn)。對終端方面來(lái)說(shuō)，電池壽命是主要限制，待機時(shí)間成為關(guān)鍵影響因素。

　　實(shí)際上，計算系統更多的能耗不是在計算方面，而是在通訊方面。一項研究表明，在一項Linpack計算中發(fā)現，平均每個(gè)浮點(diǎn)運算在FPU里消耗10pJ能量，而在訪(fǎng)存通路上耗能475pJ。因而，計算本身消耗的能量并不多，在訪(fǎng)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，很多數據傳送依賴(lài)于無(wú)線(xiàn)通信，這將使計算和無(wú)線(xiàn)射頻通信消耗的能量差距更大。

通過(guò)新結構和新算法解決低功耗

　　為了解決能耗方面的問(wèn)題，我們除了有效利用訪(fǎng)問(wèn)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的結構也會(huì )有相應變化，眾核并行結構是當下降低能耗的一種新結構。同時(shí)，要求軟件棧采用扁平化結構，即軟件棧不要太深，因為軟件棧的不同層次之間，都是數據拷貝和傳送，軟件棧越深，耗電就會(huì )越多。另外，面向應用特性也可以做一些定制結構。

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

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

制約新結構產(chǎn)生的因素

　　有兩個(gè)重要因素制約了對新結構的探索，即已有的軟硬件生態(tài)系統和開(kāi)發(fā)成本?，F存的大量工業(yè)標準和事實(shí)標準構成了成熟的軟硬件的生態(tài)系統，一旦新的結構不適應這種軟件生態(tài)，就很難生存下去，而重新開(kāi)發(fā)一個(gè)新的生態(tài)，比開(kāi)發(fā)一種新結構更為困難。這在很大程度上制約了開(kāi)發(fā)者對新結構的探索。而開(kāi)發(fā)新結構的成本也會(huì )很高，一個(gè)新結構需要一個(gè)新的芯片支撐，現在的極限工藝條件下，一次性工程開(kāi)發(fā)的投入越來(lái)越高，開(kāi)發(fā)一款新的芯片投入已經(jīng)在億美元的量級上。據IDC服務(wù)器市場(chǎng)架構分析，在2015年第一季度，X86服務(wù)器系統占整個(gè)市場(chǎng)99.26%份額，非X86系統只占0.74%。而在非X86市場(chǎng)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構革新的包袱。以X86為例，其條件碼會(huì )影響流水線(xiàn)效率，變長(cháng)指令則會(huì )影響指令譯碼和發(fā)射效率，復雜指令也會(huì )影響指令執行效率。

　　由于當下市場(chǎng)的商業(yè)價(jià)值高于技術(shù)革新，舊的指令集的商業(yè)價(jià)值戰勝了技術(shù)革新的很多方面。在技術(shù)上，RISC比CISC好，而現在在市場(chǎng)上卻越來(lái)越少了，基本上只剩下一個(gè)ARM;之前有一個(gè)EPIC看起來(lái)也比CISC好，現在也已經(jīng)推出歷史舞臺。這是一個(gè)商業(yè)和技術(shù)博弈的結果，相對于技術(shù)，商業(yè)起著(zhù)更重要的作用。

　　與主流的指令集的兼容是比較重要的，因為要利用已有的軟性生態(tài)。即使是傳統的指令集其實(shí)也是一直在不斷地與時(shí)俱進(jìn)，根據新的應用需求不斷發(fā)展的。以X86(傳統的指令集)來(lái)說(shuō)，從最早70年代末，80年代初就有了，但是一直在不斷地擴展，增加了SIMD多媒體、SIMD向量計算，指令系統支持虛擬化、加解密運算，各種安全保護機制不斷地發(fā)展。

　　另一方面，指令系統結構仍有不斷創(chuàng )新的空間。隨著(zhù)Internet的發(fā)展，出現了很多跨平臺的語(yǔ)言，例如JAVA等語(yǔ)言，對ISA(指令集平臺)的依賴(lài)性相對較小。

通用結構和專(zhuān)用結構

　　物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)巨大的市場(chǎng)，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(chǎng)雖然非常大，但是不可能有一種架構包涵天下，可能有多種不同的架構，而每個(gè)架構/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(lái)看，通用結構是樣樣都能做，通用計算機是適用于科學(xué)與工程計算、數據處理、事務(wù)處理、過(guò)程控制等各種應用，可高效率地運行SPEC CPU基準程序或包括其它各類(lèi)應用負荷特征的基準程序。專(zhuān)用結構是針對某類(lèi)算法而設計的，是從算法到架構映射出的特定結構，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、流處理器等。包括現在的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(zhuān)用性。

　　通用結構的優(yōu)勢在于可以基于最先進(jìn)的工藝來(lái)做，穩定可靠，成本相對較低，有成熟的生態(tài)系統和解決方案，可以大批量生產(chǎn)。但是通用結構對許多應用并不是最優(yōu)的，它適合所用的應用，但只是對各種應用都不會(huì )太差。因而會(huì )導致資源過(guò)度浪費、延遲增大、能耗增加等因素。例如從云計算來(lái)看，一個(gè)通用的CPU中只有30%的面積是經(jīng)常用到的。

　　專(zhuān)用結構針對應用算法進(jìn)行了優(yōu)化設計，效率高、省資源、能耗低。專(zhuān)用架構要開(kāi)發(fā)者自己做，增加了大量的設計和驗證工作，上市時(shí)間不確定，穩定性和可靠性也可能有問(wèn)題。由于巨大的NRE(Non-Recurring Engineering，一次性工程費用)難以被小批量產(chǎn)品所分攤，成本也會(huì )較高。

未來(lái)處理器架構

　　未來(lái)的通用處理器的設計空間是跨越通用和專(zhuān)用的鴻溝，實(shí)現通用、高效、低功耗、低成本的處理芯片?？梢杂么罅亢?jiǎn)單的核代替少量復雜的核，這樣雖然會(huì )降低能耗，但是比較專(zhuān)用;增加動(dòng)態(tài)特性，每個(gè)核支持多個(gè)硬件線(xiàn)程，片上能夠容納大量的線(xiàn)程進(jìn)行運算，這對開(kāi)發(fā)并行性，容忍訪(fǎng)存延遲有好處;另外，通過(guò)一個(gè)核上有多個(gè)線(xiàn)程，多個(gè)核上有更多線(xiàn)程，用動(dòng)態(tài)方式調度核內、核間線(xiàn)程，這樣的結構會(huì )更通用。就需求來(lái)看，終極目標是開(kāi)發(fā)一種普適的架構，同時(shí)支持數據并行和線(xiàn)性并行，可以滿(mǎn)足從云到端的各類(lèi)數據需求，包括云計算、服務(wù)器及移動(dòng)終端。

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

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