AMD向異構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商開(kāi)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(shí)簡(jiǎn)化設計減少系統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。這一方法降低了設計的復雜性，減小了處理節點(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)器應用來(lái)說(shuō)更合適，因為服務(wù)器通常為多用戶(hù)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(lái)性能上的提升相同，GPU和系統芯片組技術(shù)的發(fā)展同樣使電腦受益匪淺，這一點(diǎn)在特定的應用中體現得尤為明顯。如果應用軟件使用了多線(xiàn)程技術(shù)，增加的處理核能分擔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(xiàn)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》)認為異構多核處理器對PC最為合適。此類(lèi)處理器還集成了其他特殊邏輯功能來(lái)滿(mǎn)足各種應用和使用模式，例如I/O加速，圖像處理等。市場(chǎng)已經(jīng)準備好迎接處理器的如此重大的轉變了嗎? AMD認為是，并計劃于2008年末開(kāi)始這一轉變。
　　
同構VS異構

異構多核處理器的概念并不新鮮。早在10多年前，嵌入式市場(chǎng)就提供這樣的解決方案，甚至一些新的娛樂(lè )用處理器，例如IBM的CELL處理器也是用此類(lèi)概念設計的產(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(lái)說(shuō)，這是一個(gè)全新并可怕的設計理念。兩家公司都害怕這一趨勢，因為設計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(shí)鐘下工作。在過(guò)去，處理器，GPU，存儲器和I/O這些獨立器件在同一時(shí)鐘下工作，幾乎是“不可能完成的任務(wù)”。此外，如果公司沒(méi)有這方面的專(zhuān)家，可能需要購買(mǎi)相關(guān)的IP。即使有這方面的專(zhuān)家，也會(huì )存在侵犯他人專(zhuān)利的潛在可能性。

開(kāi)發(fā)這樣一種處理器需要做出很多抉擇。是為特定的客戶(hù)或使用模式設計芯片還是為大多數客戶(hù)設計芯片？為特定客戶(hù)和使用模式開(kāi)發(fā)芯片將可以做出更優(yōu)化的設計，但可能會(huì )增加設計的難度，使設計公司的負擔加重。另一選擇是通過(guò)SoC模式中可替換的IP block使設計更具靈活性。但是，這一方案與優(yōu)化設計以降低處理器和系統的能耗的目的相矛盾，并可能降低整體性能，增加處理器的復雜性。此外，一個(gè)公司能在保持開(kāi)發(fā)進(jìn)度，產(chǎn)品性能和能量需求的同時(shí)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(guò)去異構多核處理器只在嵌入式市場(chǎng)使用—因為圍繞使用模式進(jìn)行設計，并不需要最頂尖的性能。最后問(wèn)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(guò)增加處理核，高速存儲器，或增強前端總線(xiàn)來(lái)提高？制造方面，使用異類(lèi)多核架構所引起的晶圓變大以及潛在的產(chǎn)量和收益的負面影響是否劃算？

向異構多核處理器轉變是一個(gè)重大的轉變，可能引發(fā)硅和系統供應商的分流。在歷史上，類(lèi)似的轉變要經(jīng)歷很長(cháng)的時(shí)期，例如算術(shù)協(xié)處理器的同化。然而，市場(chǎng)變化莫測，企業(yè)需要創(chuàng )新來(lái)保持競爭的優(yōu)勢。

ATI的價(jià)值

正如我們所預測的，AMD并購了ATI。2006年10月25日，AMD宣布下一代處理器的開(kāi)發(fā)將嵌入圖形處理核。這標志AMD向為主流計算機提供異構多核處理器邁出了第一步。為了給這一轉變提供一個(gè)良好的環(huán)境，AMD與獨立的軟件供應商展開(kāi)合作來(lái)開(kāi)發(fā)新的指令，例如矢量浮點(diǎn)指令以及支持“Fusion”架構的工具。第一批“Fusion”處理器有望在2008年末或2009年初上市。

雖然沒(méi)有透露新處理器的細節，AMD還是提供了一些關(guān)鍵性能的線(xiàn)索。AMD將在處理器中嵌入一個(gè)圖形處理核來(lái)消除處理器冗余，這個(gè)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(gè)模塊，以及系統集成芯片或CELL處理器那樣使用單獨的IP塊不同。這種程度的嵌入使圖形核本質(zhì)上成為另一個(gè)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(gè)多用途核，可以實(shí)現其它功能，例如矢量浮點(diǎn)計算。這使得該處理器對PC和服務(wù)器具有吸引力。MPR認為，AMD在未來(lái)一段時(shí)間內可能繼續采用將兩個(gè)或兩個(gè)以上x(chóng)86內核與CPU相結合的架構。到2007年中期，AMD將在雙核處理器中使用3級高速緩存架構。2007年末或2008年初AMD有望研制成功移動(dòng)版或低電壓處理器，它們將是新處理器產(chǎn)品線(xiàn)的一個(gè)重要組成部分。

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

AMD表示新的Fusion處理器將定位于整個(gè)市場(chǎng)，但是目前所有的AMD處理器和ATI系統芯片組以及GPU產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)工作將繼續進(jìn)行。由于目前無(wú)法確定AMD怎樣為其Fusion處理器定價(jià)以及Fusion處理器的性能如何，MPR認為Fusion處理器的使用最初被限制在某些應用領(lǐng)域，例如移動(dòng)電腦和嵌入式系統，以及特殊的服務(wù)器，例如瘦身客戶(hù)機或刀片服務(wù)器。

多重挑戰

在通向異構多核處理器的道路上，AMD面臨許多挑戰。Intel是AMD要面臨的第一個(gè)，也使最大的挑戰。Intel已經(jīng)宣布，從2006年第4季度開(kāi)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計算概念，即在單個(gè)處理器上集成數十個(gè)甚至數百個(gè)內核?？雌饋?lái)Intel傾向于同構多核處理器，而其他特殊功能通過(guò)外部I/O實(shí)現。AMD的策略能像開(kāi)發(fā)64位指令集一樣再次引發(fā)Intel的計劃的改變嗎？除擁有Imagination Technology Group的知識產(chǎn)權許可外，Intel還擁有一個(gè)國際化圖像工程師團隊。此外Intel還可以與Nvidia合作或并購Nvidia來(lái)獲得其它所需的技術(shù)。在2006年秋天的Intel信息技術(shù)峰會(huì )(IDF)，Intel首次表示在以后的設計中使用異核架構，但是并沒(méi)有透露細節。

時(shí)間是AMD面臨的第二個(gè)重要挑戰，AMD計劃與業(yè)界展開(kāi)合作，特別是軟件公司，為其嵌入式圖形處理核開(kāi)發(fā)新指令。這可能需要長(cháng)期的努力，特別是在眾多公司加入參與進(jìn)來(lái)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(méi)有發(fā)布其單晶四核心，MPR預測它將使用新的45nm工藝生產(chǎn)，最早在2007年第四季度投入市場(chǎng)。如果事實(shí)果真如此，這將為Intel爭取一年多的時(shí)間來(lái)做出反應，Intel還可能用其強有力的產(chǎn)品將AMD趕出市場(chǎng)。

圖1  MPR預測的AMD異構處理器框圖

時(shí)間挑戰的另一方面來(lái)自于圖形處理器，處理核，內存控制器以及處理器中其它功能元件開(kāi)發(fā)進(jìn)度的協(xié)調。由于上市時(shí)間和存儲器架構轉變、GPU與CPU復雜性息息相關(guān)，這一目標在過(guò)去使用獨立元件是不可能完成的。如果AMD要跟上產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程，這將是一個(gè)重大的挑戰。此外，嵌入式處理器設計將導致更復雜的設計，盡管可能比使用獨立元件簡(jiǎn)單些。

正如前面提到的，設計和生產(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(kāi)發(fā)，但是這筆費用會(huì )被轉嫁到其它產(chǎn)品上嗎？AMD已經(jīng)表示其將繼續提供沒(méi)有嵌入圖形處理器的主流處理器，嵌入圖形處理器的系統芯片組和獨立的GPU，所以我們還不清楚AMD愿為Fusion的成功付出多大的代價(jià)，以及Fusion處理器和其它產(chǎn)品之間如何定位。

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

最后一方面的挑戰來(lái)自于市場(chǎng)的認可度。以前開(kāi)發(fā)嵌入圖形處理器或其它功能的處理器的努力常被嚴重的產(chǎn)品延期和不盡如人意的性能所累。因此導致嵌入式處理器的使用范圍僅限于嵌入式應用。甚至和嵌入式有關(guān)的術(shù)語(yǔ)，例如SoC,集成式設計，模式設計也常常給市場(chǎng)帶來(lái)負面影響。AMD不應僅限于證明對主流PC市場(chǎng)來(lái)說(shuō)嵌入式設計已經(jīng)成熟，還要讓消費者相信這一點(diǎn)。

AMD的動(dòng)力

盡管面臨諸多挑戰，AMD有歷史和市場(chǎng)兩方面的動(dòng)力促使其開(kāi)發(fā)嵌入式處理器。2004年AMD與Microsoft合作為x86架構引入了64位指令。AMD還率先將內存控制器集成到架構中，Intel雖然沒(méi)有這樣做，但是承認將來(lái)這么做是必需的。這次處理器架構的創(chuàng )新以及生產(chǎn)能力的提升使得AMD成為強有力的競爭者，甚至在某些領(lǐng)域成為技術(shù)領(lǐng)導者。AMD的市場(chǎng)動(dòng)力來(lái)源于其通過(guò)增強與OEM之間的聯(lián)系以及通過(guò)公開(kāi)標準建立的良好的生態(tài)系統。

AMD能引導市場(chǎng)向異構多核處理器方向發(fā)展嗎？答案是：只靠自己不行。但是如果有合作團隊以及軟硬件供應商的支持，AMD很有希望成功。其中一個(gè)關(guān)鍵的因素是AMD還保持其處理器的兼容性，只是通過(guò)增強指令和生產(chǎn)能力來(lái)提高其處理器的性能。向多核處理器轉變還給IC產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了重要的好處——在提高性能的同時(shí)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設計的效率。集成解決方案消除了連接獨立GPU的總線(xiàn)，減少了由圖像處理產(chǎn)生的通過(guò)前端總線(xiàn)傳輸的數據。集成GPU特殊指令集進(jìn)一步降低了系統的復雜性。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(gè)很難在同一時(shí)鐘下工作的元件帶來(lái)的。減少冗余還推動(dòng)了未來(lái)技術(shù)間的轉換，降低了系統OEM的潛在風(fēng)險。

由于A(yíng)TI在消費應用領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率，新的處理器技術(shù)也使其他消費者和嵌入式應用從中獲益，范圍上至游戲控制器下至機頂盒。如果AMD和ATI能夠提供能耗低于1W的處理器，其產(chǎn)品將會(huì )對手持移動(dòng)設備領(lǐng)域極具吸引力。除了高度集成的處理器帶來(lái)的好處，OEM還可以圍繞指令集進(jìn)行設計。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(guān)點(diǎn)

MPR一直認為服務(wù)器適合使用同構多核處理器。此外PC的處理器也在向同構雙核方向發(fā)展，因為目前的軟件架構通常是在后臺運行應用程序或是同時(shí)執行多個(gè)應用程序。然而，如果要進(jìn)一步提高PC和其它消費電子產(chǎn)品的性能也許異構多核架構比較合適。因為異構多核架構可以滿(mǎn)足顧客不同的要求?；谶@一點(diǎn)，MPR預測未來(lái)十年P(guān)C甚至處理器的設計將發(fā)生重大的變化。 AMD目前的轉變符合未來(lái)發(fā)展的趨勢。

AMD已經(jīng)向異構多核處理器邁出了第一步。但是，如果Intel不跟隨AMD的做法，無(wú)疑會(huì )給AMD添加風(fēng)險和不確定性。因為鑒于Intel的市場(chǎng)占有率，它可以輕易的引導市場(chǎng)的發(fā)展方向。盡管存在風(fēng)險，MPR認為AMD的方向是正確的。在2008年末引入一個(gè)新的處理器系列可能有點(diǎn)操之過(guò)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(chǎng)。MPR希望Intel跟隨AMD的做法，甚至先于A(yíng)MD做出轉變。就像將在2008年上市的Nehalem處理器。(本文摘自MicroProcessor Report，小強編譯)