高端處理器芯片的技術趨勢與可持續(xù)發(fā)展

作者/ 唐志敏　中科院計算技術研究所

摘要：本文介紹了高端處理器芯片的市場需求，分析了當下所面臨的挑戰(zhàn)和機遇，以及處理器架構的發(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，從整個傳感器網絡到云數據中心的新應用模式對計算機系統(tǒng)提出了很多新的要求。要應對這種新局面，就需要通過深入理解應用的本質需求，設計可持續(xù)發(fā)展的計算系統(tǒng)結構。

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。就當下市場來看，不斷降低成本的需求仍然存在，但是也出現了成本增長的新因素。對很多應用來說，性能不再是最核心的瓶頸，用戶體驗成為新的關注點。例如現在的交通系統(tǒng)，已經有汽車、火車和飛機，雖然更快一些會更好，但已經不是整個系統(tǒng)競爭力提升的決定因素，更多在于用戶體驗和競爭力方面的考量。隨之而來的是性能本身也出現了一些新的形式，傳統(tǒng)意義上的計算速度和事務處理速度已經不能體現系統(tǒng)的整體性能，現在還要加入服務速度，即單位時間內服務的請求數。

　　另一方面則是低能耗。從需求方面來說，低能耗已經成為一種新的趨勢。如今，計算系統(tǒng)已經出現兩極分化，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擔，因而數據中心的利用率成為關注點。對終端方面來說，電池壽命是主要限制，待機時間成為關鍵影響因素。

　　實際上，計算系統(tǒng)更多的能耗不是在計算方面，而是在通訊方面。一項研究表明，在一項Linpack計算中發(fā)現，平均每個浮點運算在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、傳感器領域中，很多數據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。

通過新結構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)的結構也會有相應變化，眾核并行結構是當下降低能耗的一種新結構。同時，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(tǒng)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很多了，傳統(tǒng)上人們只考慮算法的計算復雜度，而現在還需要考慮訪存復雜度和通信復雜度。傳統(tǒng)上會認為計算量越少越好，現在可能會考慮“計算多一點，通信少一點”，以計算的增長為代價換取通信的減少，更能節(jié)省能耗。

制約新結構產生的因素

　　有兩個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(tǒng)和開發(fā)成本?，F存的大量工業(yè)標準和事實標準構成了成熟的軟硬件的生態(tài)系統(tǒng)，一旦新的結構不適應這種軟件生態(tài)，就很難生存下去，而重新開發(fā)一個新的生態(tài)，比開發(fā)一種新結構更為困難。這在很大程度上制約了開發(fā)者對新結構的探索。而開發(fā)新結構的成本也會很高，一個新結構需要一個新的芯片支撐，現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在億美元的量級上。據IDC服務器市場架構分析，在2015年第一季度，X86服務器系統(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，復雜指令也會影響指令執(zhí)行效率。

　　由于當下市場的商業(yè)價值高于技術革新，舊的指令集的商業(yè)價值戰(zhàn)勝了技術革新的很多方面。在技術上，RISC比CISC好，而現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，現在也已經推出歷史舞臺。這是一個商業(yè)和技術博弈的結果，相對于技術，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，因為要利用已有的軟性生態(tài)。即使是傳統(tǒng)的指令集其實也是一直在不斷地與時俱進，根據新的應用需求不斷發(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、加解密運算，各種安全保護機制不斷地發(fā)展。

　　另一方面，指令系統(tǒng)結構仍有不斷創(chuàng)新的空間。隨著Internet的發(fā)展，出現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。

通用結構和專用結構

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

　　從學術角度/技術角度來看，通用結構是樣樣都能做，通用計算機是適用于科學與工程計算、數據處理、事務處理、過程控制等各種應用，可高效率地運行SPEC CPU基準程序或包括其它各類應用負荷特征的基準程序。專用結構是針對某類算法而設計的，是從算法到架構映射出的特定結構，例如神經網絡、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用性。

　　通用結構的優(yōu)勢在于可以基于最先進的工藝來做，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。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太差。因而會導致資源過度浪費、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%的面積是經常用到的。

　　專用結構針對應用算法進行了優(yōu)化設計，效率高、省資源、能耗低。專用架構要開發(fā)者自己做，增加了大量的設計和驗證工作，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，一次性工程費用)難以被小批量產品所分攤，成本也會較高。

未來處理器架構

　　未來的通用處理器的設計空間是跨越通用和專用的鴻溝，實現通用、高效、低功耗、低成本的處理芯片?？梢杂么罅亢唵蔚暮舜嫔倭繌碗s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行運算，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)方式調度核內、核間線程，這樣的結構會更通用。就需求來看，終極目標是開發(fā)一種普適的架構，同時支持數據并行和線性并行，可以滿足從云到端的各類數據需求，包括云計算、服務器及移動終端。

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

　　參考文獻：

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