詳解5個(gè)被誤解的CPU/GPU概念

提起多核與多線(xiàn)程，很多人首先會(huì )想到手機中的多核大戰，而忘記了多線(xiàn)程技術(shù)，從單核到雙核到四核再到8核，似乎多核才是處理器發(fā)展的王道，但是為什么到了8核之后多核之戰就打住了呢?多線(xiàn)程技術(shù)到底有沒(méi)有優(yōu)勢?

從英特爾1971年推出第一款商用微處理器4004到現在，處理器已經(jīng)走過(guò)了三十多年的歷程，目前，CPU處理器已經(jīng)從服務(wù)器、PC發(fā)展到嵌入式、工控、消費、醫療等各個(gè)領(lǐng)域，但是從總體架構上來(lái)看，CPU的架構并沒(méi)有太大改善，不過(guò)也有一些新的架構突破，作為一個(gè)一直跟CPU打交道的工程師，感覺(jué)很多人被一些概念誤導，這里談?wù)?個(gè)被誤解的CPUGPU概念。

1、多核與多線(xiàn)程

提起多核與多線(xiàn)程，很多人首先會(huì )想到手機中的多核大戰，而忘記了多線(xiàn)程技術(shù)，從單核到雙核到四核再到8核，似乎多核才是處理器發(fā)展的王道，但是大家想過(guò)沒(méi)有?為什么到了8核之后多核之戰就打住了呢?多線(xiàn)程技術(shù)到底有沒(méi)有優(yōu)勢?

其實(shí)多核有個(gè)的缺陷就是隨著(zhù)內核數量的提升，性能的提升并不跟核數增加成正比，按照阿姆達定律：一個(gè)程序存在兩部分，只能串行計算的部分S，和能夠并行計算地部分P。兩部分之和是整個(gè)程序，因此S+P=1。這個(gè)程序如果在一個(gè)具有N個(gè)核心的處理器上運行，那么和它在一個(gè)單核處理器上運行相比，速度的提升是1/(S + P/N)。當N趨近于無(wú)窮大時(shí)(即假設我們有無(wú)窮多個(gè)核心)，速度提升的上限是1/S，即速度提升的上限取決于程序不能被并行計算的部分。

這個(gè)定律的結果就是，即便我們能夠有效地并行計算一個(gè)程序的 95%，剩下 5% 只能串行計算的部分限制了這個(gè)程序的運行速度最多能提升 1/5%=20 倍。而現有的程序中很少能夠做到 95% 以上部分的并行計算。這張圖顯示了對于4種不同類(lèi)型的程序(分別有50%，75%，90%，95%的部分能夠并行處理)的速度提升相對于處理器核心數量的關(guān)系，縱軸是相對于單核處理器速度提升的倍數，橫軸是處理器核心的數量?？梢钥吹?條曲線(xiàn)隨著(zhù)處理器核心數量的增加逐漸趨于平坦。

現在的多核處理器還遠遠沒(méi)到擁有 1，000 個(gè)核心的時(shí)候。然而未來(lái)的某一天，不管是軟件還是硬件工程師們也許會(huì )滿(mǎn)頭大汗地向客戶(hù)解釋這個(gè)問(wèn)題：為什么最新的 1，000 核處理器比舊的 100 核處理器快不了多少?

所以多核的發(fā)展路子是有局限的，再來(lái)看看多線(xiàn)程技術(shù)，多線(xiàn)程(英語(yǔ)：multithreading)，是指從軟件或者硬件上實(shí)現多個(gè)線(xiàn)程并發(fā)執行的技術(shù)。具有多線(xiàn)程能力的計算機因有硬件支持而能夠在同一時(shí)間執行多于一個(gè)線(xiàn)程，進(jìn)而提升整體處理性能。其實(shí)這個(gè)技術(shù)是非常好的，現在英特爾在PC處理器領(lǐng)域基本是走的多線(xiàn)程的路子。它最新的CPU都是四核8線(xiàn)程。

多線(xiàn)程技術(shù)可以在不顯著(zhù)增加功耗和面積的條件下提供性能的穩定增加，舉例來(lái)說(shuō)，雙核和單核雙線(xiàn)程，每增加一個(gè)線(xiàn)程有50%穩定線(xiàn)性增加，但是對于多核來(lái)說(shuō)，雙核比單核有50%提升，但是三核只有30%提升，而四核只有20%的提升了。

而且從開(kāi)發(fā)難度來(lái)說(shuō)，多線(xiàn)程開(kāi)發(fā)難度要弱于多核，多核是需要大量人工優(yōu)化的，后期需要芯片廠(chǎng)商和系統廠(chǎng)商投入大量的人力物力，而得益于英特爾的普及，軟件系統對多線(xiàn)程的支持已經(jīng)很成熟了，Linux早就支持多線(xiàn)程了，而且多線(xiàn)程開(kāi)發(fā)是CPU自動(dòng)分派任務(wù)不用人工參與，這樣可以提升開(kāi)發(fā)效率。

所以，未來(lái)CPU的發(fā)展除了從32位升級到64位，在多核多線(xiàn)程的應用上不應該割裂開(kāi)，多核多線(xiàn)程可以提升CPU的能效，解決性能和功耗的矛盾。

2、MIPS CPU內核與ARM CPU內核

現在A(yíng)RM處理器名氣很大，很多人認為一定是ARM CPU內核強于MIPS CPU內核，其實(shí)這是個(gè)錯誤認識，有時(shí)商業(yè)選擇中技術(shù)因素并不是主導因素，往往其他因素才是主導因素。

在2000年前后，MIPS處理器在中國的名聲也是非常大，畢竟它是RISC處理器架構的發(fā)明者，但是，ARM處理器在2000年初進(jìn)入中國后，通過(guò)生態(tài)系統打敗了MIPS內核。當時(shí)把ARM帶入中國的譚軍博士在高校推廣ARM處理器，開(kāi)發(fā)很多教程，還到處舉辦培訓和講座，另外，針對中國IC設計公司缺乏設計能力的現狀，ARM推出了針對中國IC半導體公司的授權策略和硬核模式，大大降低了CPU的開(kāi)發(fā)難度。

以前，CPU設計都是高高在上皇冠上的明珠，ARM把CPU設計變成了搭積木時(shí)的設計，大量中國半導體IC設計公司采用了ARM內核，而且ARM也構建了比較好的生態(tài)系統，借助手機大發(fā)展起來(lái)。而MIPS當時(shí)在中國的生態(tài)系統做的不夠好，也不調整自己的授權模式，因此敗北是必然的。

不過(guò)，自從MIPS被Imagination收購后，反而有了大發(fā)展，我分析一個(gè)原因是Imagination強化了生態(tài)系統建設，例如和包括博通、Cavium、Ikanos、Ineda Systems、Ingenic Semiconductor、Lantiq、Nevales Networks、PMC和高通等共同成立prpl基金會(huì )。這也是強化生態(tài)系統的節奏，而且有很多大牌公司加入。

Imagination除了強大的GPU外，還提供CPU，ISP、VPU、zigbee藍牙wifi，4G LTE等多種內核，而且提供了針對物聯(lián)網(wǎng)，云計算的IP產(chǎn)品，可以算是提供最全IP的公司，MIPS內核一直以低功耗著(zhù)稱(chēng)，隨著(zhù)生態(tài)系統構建好，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)大爆發(fā)，Imagination機會(huì )很多啊。

3、安全性誰(shuí)家強?

自從“棱鏡門(mén)”曝光后，安全已經(jīng)成為移動(dòng)通信設備和其他便攜式電子設備最關(guān)注的焦點(diǎn)，如何提升設備的安全防護水準?顯然，從芯片就開(kāi)始提供設備的安全防護是最有效的舉措。ARM公司于2003年提在嵌入式領(lǐng)域出了TrustZone技術(shù)，為硬件系統提供安全保護，這個(gè)技術(shù)安全嗎?

我看過(guò)Imagination Technologies公司CEO HosseinYassaie在接受媒體采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)“打個(gè)比方說(shuō)，這個(gè)TrustZone技術(shù)就像是銀行的一個(gè)保險柜，你可以把認為安全的應用都放進(jìn)去，在以前，應用都比較單一，這樣的安全防護也許有一定的作用，但是現在，手機等移動(dòng)設備都集成了很多應用，這些都放在一個(gè)保險柜中顯然安全風(fēng)險就增大了很多。”

在CPU內核的設計中集成系統安全性擴展，是TrustZone在A(yíng)RMv6內核架構下的重要擴展特性之一，TrustZone分離了兩個(gè)并行執行的環(huán)境：非安全的“普通”執行環(huán)境;安全可信任的“安全”環(huán)境，但是問(wèn)題來(lái)了，如果一個(gè)應用偽裝成“可信任的”進(jìn)入到你的安全區會(huì )怎么樣?其他應用和數據還會(huì )安全嗎?

因此全局硬件虛擬化(Virtualization-VZ)技術(shù)才是一個(gè)真正安全的技術(shù)，Hypervisor之于操作系統類(lèi)似于操作系統之于進(jìn)程。它們?yōu)閼脠绦刑峁┆毩⒌腣Z虛擬硬件平臺，而VZ虛擬硬件平臺反過(guò)來(lái)又提供對底層機器的虛擬的完整訪(fǎng)問(wèn)。Imaginaition將把Hypervisor VZ全局硬件虛擬化技術(shù)從傳統服務(wù)器領(lǐng)域帶入現代嵌入式領(lǐng)域的每一個(gè)角落。

全局虛擬化就是每個(gè)應用都是獨立的沙箱操作，兩個(gè)不同窗口都是不同的沙箱

這樣一來(lái)，黑客攻破難度大很多很多，攻破一個(gè)完全虛擬的是非常難的，你都知道到它的原理去怎么攻破?

4、GPU未來(lái)拼什么?

PC時(shí)代，GPU基本都是完成3D圖形加速，而移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，隨著(zhù)智能化的提升，GPU強大的并行能力可以把它的應用拓展到更多領(lǐng)域，GPU應該是其未來(lái)的發(fā)展方向，現在安卓已經(jīng)可以支持GPU通用計算。

我看很多評測機構也在看GPU在手機平板等產(chǎn)品上的重要作用，GPU不僅游戲體驗，在照相處理、UI顯示、滑動(dòng)處理甚至安全方面都在發(fā)揮巨大作用，我看很多復雜應用CPU也就開(kāi)到2、3個(gè)核而GPU是應用的主力軍，所以，未來(lái)GPU的地位會(huì )提升很多。尤其隨著(zhù)ARVR應用的普及，更需要強大的GPU來(lái)支持的。

5、緩存、亂序和流水線(xiàn)的秘密

其實(shí)看到自從CPU誕生到現在，一直在解決CPU和內存的瓶頸問(wèn)題，而且這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有得到解決所以業(yè)界是通過(guò)增加緩存來(lái)解決，很多移動(dòng)處理器已經(jīng)增加了一級緩存二級緩存甚至三級緩存，所以大家在比較CPU性能的時(shí)候，別光看CPU的主頻，還要看CPU的緩存面積以及帶來(lái)的DDR功耗問(wèn)題，要看整體功耗。

如何衡量CPU的性能?其實(shí)很簡(jiǎn)單，執行相同任務(wù)時(shí)功耗越低越好。而且要多比較，采取不同常用的場(chǎng)景來(lái)測試SOC功耗。

還有CPU常用的流水線(xiàn)、亂序等概念，流水線(xiàn)理論上是級數越多跑的越快，比如9級比7級流水線(xiàn)跑的快，但是如果執行不夠，CPU就會(huì )空跑，形象地比喻就是吃飯時(shí)噎住了。

我覺(jué)得CPU未來(lái)解決性能問(wèn)題有幾個(gè)方向：

一個(gè)是，單核增加流水線(xiàn)，增加發(fā)射，從單發(fā)射到雙發(fā)射到四發(fā)射(發(fā)射越多執行指令越多)，但這個(gè)發(fā)展方向似乎走不通。

另一個(gè)方向就是增加多核多線(xiàn)程，增加并行度，這里再提提MIPS內核，其實(shí)這個(gè)內核架構很好，沒(méi)有多核數量的限制，一些網(wǎng)絡(luò )設備都有上百個(gè)內核的產(chǎn)品。

還有是可以亂序執行，這是提升效率的方法，一般高端CPU有亂序執行功能。

我個(gè)人認為CPU的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了，未來(lái)是異構SOC的時(shí)代，協(xié)處理器會(huì )大發(fā)展，什么VPU、DPU、ISP、無(wú)線(xiàn)IP等等會(huì )采用更多，比如聯(lián)發(fā)科6595中的4K視頻編解碼器就是一顆協(xié)處理器，它完成了非常復雜的功能。