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始向多核處理器進軍。兩家公司盡可能在芯片上集成更多的處理核，同時簡化設計減少系統功耗并提高整體性能。多核處理器的實質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，并成為多核處理器發展的一種趨勢—這種趨勢顯然對于服務器應用來說更合適，因為服務器通常為多用戶提供固定且有限的功能。

與處理器技術的進步為電腦帶來性能上的提升相同，GPU和系統芯片組技術的發展同樣使電腦受益匪淺，這一點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程技術，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化的難度。在利用多線程技術方面，軟件已經落后于硬件。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。此類處理器還集成了其他特殊邏輯功能來滿足各種應用和使用模式，例如I/O加速，圖像處理等。市場已經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，嵌入式市場就提供這樣的解決方案，甚至一些新的娛樂用處理器，例如IBM的CELL處理器也是用此類概念設計的產品。然而對于AMD和Intel這兩位PC和大型服務器處理器的領軍人物來說，這是一個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，所有與核有關的主邏輯器件，必須在一致的時鐘下工作。在過去，處理器，GPU，存儲器和I/O這些獨立器件在同一時鐘下工作，幾乎是“不可能完成的任務”。此外，如果公司沒有這方面的專家，可能需要購買相關的IP。即使有這方面的專家，也會存在侵犯他人專利的潛在可能性。

開發這樣一種處理器需要做出很多抉擇。是為特定的客戶或使用模式設計芯片還是為大多數客戶設計芯片？為特定客戶和使用模式開發芯片將可以做出更優化的設計，但可能會增加設計的難度，使設計公司的負擔加重。另一選擇是通過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，一個公司能在保持開發進度，產品性能和能量需求的同時保持技術上的領先嗎？歷史證明這是不可能的，這也解釋了為什么過去異構多核處理器只在嵌入式市場使用—因為圍繞使用模式進行設計，并不需要最頂尖的性能。最后問一句，這是使用硅和制造資源的最優方法嗎？處理器的性能或其他方面，能否通過增加處理核，高速存儲器，或增強前端總線來提高？制造方面，使用異類多核架構所引起的晶圓變大以及潛在的產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重大的轉變，可能引發硅和系統供應商的分流。在歷史上，類似的轉變要經歷很長的時期，例如算術協處理器的同化。然而，市場變化莫測，企業需要創新來保持競爭的優勢。

ATI的價值

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發將嵌入圖形處理核。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良好的環境，AMD與獨立的軟件供應商展開合作來開發新的指令，例如矢量浮點指令以及支持“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。

雖然沒有透露新處理器的細節，AMD還是提供了一些關鍵性能的線索。AMD將在處理器中嵌入一個圖形處理核來消除處理器冗余，這個圖形處理核與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上成為另一個處理器核。這與AMD目前的雙核及多核處理器很像。在這種方式下，圖形核就像一個多用途核，可以實現其它功能，例如矢量浮點計算。這使得該處理器對PC和服務器具有吸引力。MPR認為，AMD在未來一段時間內可能繼續采用將兩個或兩個以上x86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有望研制成功移動版或低電壓處理器，它們將是新處理器產品線的一個重要組成部分。

AMD的目標之一是在保持或減少處理器TDP（Thermal Design Power）的同時提高系統的每瓦性能。
并希望使用類似的方法將X86技術用于消費電子與嵌入式應用之中。在并購ATI時AMD首次表示：在此類應用中進一步降低能耗的比較快捷的方法是使用單X86核來降低晶圓尺寸，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AMD和Intel同樣瞄準了8核服務器處理器。

AMD表示新的Fusion處理器將定位于整個市場，但是目前所有的AMD處理器和ATI系統芯片組以及GPU產品的開發工作將繼續進行。由于目前無法確定AMD怎樣為其Fusion處理器定價以及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域，例如移動電腦和嵌入式系統，以及特殊的服務器，例如瘦身客戶機或刀片服務器。

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，也使最大的挑戰。Intel已經宣布，從2006年第4季度開始，他們針對服務器，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，即在單個處理器上集成數十個甚至數百個內核。看起來Intel傾向于同構多核處理器，而其他特殊功能通過外部I/O實現。AMD的策略能像開發64位指令集一樣再次引發Intel的計劃的改變嗎？除擁有Imagination Technology Group的知識產權許可外，Intel還擁有一個國際化圖像工程師團隊。此外Intel還可以與Nvidia合作或并購Nvidia來獲得其它所需的技術。在2006年秋天的Intel信息技術峰會(IDF)，Intel首次表示在以后的設計中使用異核架構，但是并沒有透露細節。

時間是AMD面臨的第二個重要挑戰，AMD計劃與業界展開合作，特別是軟件公司，為其嵌入式圖形處理核開發新指令。這可能需要長期的努力，特別是在眾多公司加入參與進來的情況下。AMD表示新的Fusion處理器最早在2008年末投入生產。雖然Intel沒有發布其單晶四核心，MPR預測它將使用新的45nm工藝生產，最早在2007年第四季度投入市場。如果事實果真如此，這將為Intel爭取一年多的時間來做出反應，Intel還可能用其強有力的產品將AMD趕出市場。

圖1  MPR預測的AMD異構處理器框圖

時間挑戰的另一方面來自于圖形處理器，處理核，內存控制器以及處理器中其它功能元件開發進度的協調。由于上市時間和存儲器架構轉變、GPU與CPU復雜性息息相關，這一目標在過去使用獨立元件是不可能完成的。如果AMD要跟上產品開發進程，這將是一個重大的挑戰。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單些。

正如前面提到的，設計和生產能力都是重要因素。并購ATI使得AMD獲得了重要的人力以及生產資源，這些資源可用于Fusion處理器開發，但是這筆費用會被轉嫁到其它產品上嗎？AMD已經表示其將繼續提供沒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，以及Fusion處理器和其它產品之間如何定位。

此外，Fusion處理器需要一條產能更大，復雜性更高的生產線，但目前AMD的生產力已經十分緊張。不過2008年末，AMD將把Fab30的生產能力提升為300mm，屆時將被稱為Fab38。新加坡特許半導體的加入可以進一步提高AMD的生產能力。

最后一方面的挑戰來自于市場的認可度。以前開發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。甚至和嵌入式有關的術語，例如SoC,集成式設計，模式設計也常常給市場帶來負面影響。AMD不應僅限于證明對主流PC市場來說嵌入式設計已經成熟，還要讓消費者相信這一點。

AMD的動力

盡管面臨諸多挑戰，AMD有歷史和市場兩方面的動力促使其開發嵌入式處理器。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雖然沒有這樣做，但是承認將來這么做是必需的。這次處理器架構的創新以及生產能力的提升使得AMD成為強有力的競爭者，甚至在某些領域成為技術領導者。AMD的市場動力來源于其通過增強與OEM之間的聯系以及通過公開標準建立的良好的生態系統。

AMD能引導市場向異構多核處理器方向發展嗎？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。其中一個關鍵的因素是AMD還保持其處理器的兼容性，只是通過增強指令和生產能力來提高其處理器的性能。向多核處理器轉變還給IC產業帶來了重要的好處——在提高性能的同時降低能耗。

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，減少了由圖像處理產生的通過前端總線傳輸的數據。集成GPU特殊指令集進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。這種冗余是由聯接3個很難在同一時鐘下工作的元件帶來的。減少冗余還推動了未來技術間的轉換，降低了系統OEM的潛在風險。

由于ATI在消費應用領域的市場占有率，新的處理器技術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，其產品將會對手持移動設備領域極具吸引力。除了高度集成的處理器帶來的好處，OEM還可以圍繞指令集進行設計。該指令集是行業中最大的可用代碼庫和編程資源。

MPR的觀點

MPR一直認為服務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執行多個應用程序。然而，如果要進一步提高PC和其它消費電子產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足顧客不同的要求。基于這一點，MPR預測未來十年PC甚至處理器的設計將發生重大的變化。 AMD目前的轉變符合未來發展的趨勢。

AMD已經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，無疑會給AMD添加風險和不確定性。因為鑒于Intel的市場占有率，它可以輕易的引導市場的發展方向。盡管存在風險，MPR認為AMD的方向是正確的。在2008年末引入一個新的處理器系列可能有點操之過急，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。MPR希望Intel跟隨AMD的做法，甚至先于AMD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)