高端處理器芯片的技術趨勢與可持續發展

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和機遇，以及處理器架構的發展和未來方向。

　　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，設計可持續發展的計算系統結構。

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，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，傳統意義上的計算速度和事務處理速度已經不能體現系統的整體性能，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，計算系統已經出現兩極分化，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系統和開發成本。現存的大量工業標準和事實標準構成了成熟的軟硬件的生態系統，一旦新的結構不適應這種軟件生態，就很難生存下去，而重新開發一個新的生態，比開發一種新結構更為困難。這在很大程度上制約了開發者對新結構的探索。而開發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，一次性工程開發的投入越來越高，開發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服務器系統占整個市場99.26%份額，非X86系統只占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射效率，復雜指令也會影響指令執行效率。

　　由于當下市場的商業價值高于技術革新，舊的指令集的商業價值戰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。這是一個商業和技術博弈的結果，相對于技術，商業起著更重要的作用。

　　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。即使是傳統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展的。以X86(傳統的指令集)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，指令系統支持虛擬化、加解密運算，各種安全保護機制不斷地發展。

　　另一方面，指令系統結構仍有不斷創新的空間。隨著Internet的發展，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

　　物聯網是一個巨大的市場，但是物聯網的需求是非常碎片化的。因而，物聯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。

　　通用結構的優勢在于可以基于最先進的工藝來做，穩定可靠，成本相對較低，有成熟的生態系統和解決方案，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化設計，效率高、省資源、能耗低。專用架構要開發者自己做，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。可以用大量簡單的核代替少量復雜的核，這樣雖然會降低能耗，但是比較專用;增加動態特性，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中國集成電路產業促進大會”的高端芯片發展論壇中演講改編。)

　　參考文獻：

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　　[4]Peter Greenhalgh.ARM的A/R/M設計目標：適合的處理器來執行對應的任務[J].電子產品世界,2016(8):30-33.

　　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。