忘掉“频率”与“架构”

处理器的发展已经到了一个新的关口，英特尔在抛弃高频率路线之后，以多核和内部架构的改进作为主要方向，AMD则开始谋求协处理器加速机制，SUN公司在UltraSparc T1/T2处理器中采用专用化设计，IBM的Cell则以前卫的分布式计算理念打造超级计算系统。无论是传统的x86体系还是RISC体系，都在积极谋求更卓越的运算性能，并妥善解决高性能所带来的高功耗和工艺技术难题。尽管看法各不相同，技术手段也各有差异，但微处理器工业都在朝向共同的目标前进――更高的性能，同时具有更低的成本。

最终目的――提升晶体管效率与能源效率

无论你遇到的是什么应用，例如3D游戏、2D图像处理、多媒体娱乐、上网浏览或者IM交流，它们的本质都是二进制数的加减乘除运算，只是应用不同，所对应的计算类型也各不相同，例如3D游戏、多媒体、图像处理主要涉及浮点运算，其中的多媒体和图像应用需要大量的矢量和矩阵运算，这也是SSE/3D Now等指令集存在的原因；至于网络浏览、办公软件、互联网服务器等应用一般只涉及整数运算。

处理器提供完整的计算功能，它的通用属性允许执行各种各样的计算指令，对于x86平台而言，任务的多样性要求处理器能够提供全面的计算功能，因此x86处理器在整数、浮点方面的性能一般都比较均衡，那么提高性能就意味着两者应该同时获得提升。

然而，性能的提升必定会受到功耗和成本的限制，微处理器厂商的目标都是实现最高的效益――即处理器成本最低，但性能最优。处理器的成本有双层含义，一是芯片本身的制造成本，它由芯片的晶体管集成度、制造工艺和良品率共同决定，不过从设计层面来看，晶体管的多寡决定成本的高低――设计者最希望的是用更少的晶体管实现更出色的性能，这样的任务考验着设计者的技术功底，而衡量设计优劣我们可以引入“每晶体管性能”来评定。

另一个成本是指用户的使用成本，它所说的就是电费支出，由芯片的功耗所决定。个人用户或许对此不算很敏感，但对于拥有大量计算机的企业、网吧、数据中心而言，电费支出往往相当惊人，在性能相同的条件下，低功耗的芯片显然更受欢迎。同时，低功耗芯片发热量更低，能够提供更人性化的使用感受(例如风扇噪音更低)，因此也更受欢迎；我们可以采用“每瓦性能”来衡量处理器的能源效率，这也是英特尔在Core平台中高调宣扬的概念之一。

所有的微处理器业者都在追求“每晶体管性能”与“每瓦性能”的最大化，这两项指标直接决定了处理器的竞争力水平――一个新的问题由此产生：要做到两项指标的最大化，应该采用何种设计思路?高频率、优化的架构、多核还是协处理器?

矛盾的平衡术――架构与频率谁是重点?

在漫长的时间内，x86处理器都在寻求频率的增长，频率高低也成为衡量处理器性能的唯一要素，相信大家对1999年英特尔与AMD的1GHz突破记忆犹新，不过随后英特尔拿出Netburst架构的Pentium 4，在频率之争中遥遥领先，并依靠高频率赢得了对K7的胜利，但在K8架构出现之后，低频率的Athlon 64系列处理器凭借优越的微架构在性能上赶超。

这就引起一个新的问题：频率与架构哪一个对CPU性能影响更重要?

CPU的性能是由执行计算任务的能力来衡量的，在相同的时间段内，执行计算任务越多的处理器性能就越高。而决定性能高低的主要有两个指标：其一就是主频，它所指的是CPU在单位时间内能执行多少次指令。打个比方，CPU的主频就好比是人在单位时间内可以走多少步路；其二就是IPC(IPC：Instruction Per Clock)，它所指的是CPU在每个时钟周期内可以执行多少条指令，代表指令执行的数量，同样做个比方，IPC就好比是人走每步路的长度。那么，CPu的性能可以用如下公式表达：“处理器(CPU)性能=主频×IPC”。

换言之，二者相辅相成，同等重要，但无论哪一个指标，都无法单独决定CPU的性能。

IPC主要由CPU的架构来决定，事实上，主频与IPC是一对矛盾综合体，在处理器设计中，高频率往往要以低IPC为代价，而高IPC又会遭遇频率难以提升的困扰，芯片设计者必须在两者之间取得平衡。过去的Netburst试图走一条极端化的道路，它通过提升流水线长度来获得高频运作，但同时也导致低IPC的后果，而高频运作还带来高功耗、高热量的弊端，因此虽然Netburst架构可以凭借逼近4GHz的高频率保有高性能，但高功耗的拖累让它不堪重负，也限制了未来发展空间。

此后，英特尔在Core微架构中改变了这种做法，它采用一个新的公式：“处理器(CPU)性能=每瓦性能×功耗”，通过优良的微架构达到每瓦性能的最佳化，从而可以在低功耗条件下获得超越对手的高效能。另外在IPC方面，Core架构的表现极为优异，它可以同时解码4条指令，加上宏操作融合技术与微操作融合技术，Core架构最多可以同时解码5条指令，相比之下，AMD的K8架构只具备同时解码3条指令的能力。由于IPC性能突出，Core架构在较低的频率下就能够获得大幅超越前代产品的性能，英特尔也从此完全抛弃硬伤较多的Netburst架构。

AMD新近推出的K10架构其实也是主频与IPC平衡的一个典范，K10在K8基础上改良而来，主要增强了浮点方面的计算能力，不过在指令解码能力方面，K10没有获得增强：每个周期仍只能解码3条微指令，实际执行能力逊于英特尔的Core架构；不过，K10集成了内存控制器，拥有更卓越的内存性能，加上SSE指令单元扩展到128位，引入2MB三级缓存，以及对微架构进行深度的改良，这些措施都有效提升K10的IPC性能。因此，K10同样没有强调高频运作，但它的性能并不亚于竞争对手，芯片的功耗和发热量也都控制在较好的水平，从而能够保持理想的市场竞争力。

从单核到多核、从巨内核到微内核

处理器从单核发展到多核可以让“每晶体管性能”获得显著的提升，也就是能够以更低的代价获得相当出色的性能。

在单核心时代，处理器提升性能的主要途径是频率与缓存，利用缓存容量作为高低阶产品区分依据的做法相当流行，典型的例子包括Pentium 4与Celeron、Athlon XP与Duron；在缓存容量上，英特尔的产品相对于其他品牌而言从来都占据绝对优势，这很大程度上得益于半导体工艺的领先。但从经济效率角度来看，大缓存设计绝对不是理想方案，例如二级缓存容量从1MB提升到2MB，带来的性能增益在10％以内，但高速缓存为SRAM部件、1bit数据就需占用6个晶体管，1MB缓存需要接近5000万个晶体管，比CPU核心都高出不少。不妨以当年的Northwood为例：Northwood Pentium 4的二级缓存 为512KB、晶体管总量7500万个，而相同核心的Pentium 4 Extreme Edition由于增加了2MB的三级高速缓存，晶体管数量大幅攀升到1.78亿――尽管晶体管数量比前者高出1.37倍，芯片生产成本也高出许多，但性能提升幅度仅在10％左右，这种设计显然非常缺乏经济效益。相反，假如将这些晶体管用于CPU核心的设计，也就是让处理器拥有双核心，那么带来的性能增益可以在80％以上。

英特尔与AMD几乎同时意识到这个问题，因此它们转向了双核体系，到现在为止，双核心处理器已经成为主流，四核产品也在服务器和高阶市场大行其道，多核设计的优势在实用中获得充分的体现。不过随着核心数量的增多与频率提升，处理器的功耗问题又逐渐开始变得严峻，英特尔的Core 2 Quad与AMD的Phenom X4功耗都超过百瓦，主流的双核处理器也都达到89瓦，相当于当年Prescott处理器的水平。假如按照这种轨迹发展下去，多核设计同样将遭遇高功耗的制约、造成性能难以提升的困境。

AMD就这种观点的持有者，它们认为多核处理器在未来将遭遇Netburst的覆辙，必须被更高效率的设计所取代――AMD提出的方案就是Torrenza协处理器加速计划，即采用协处理器来辅助CPU完成计算任务。由于协处理器都采用专用化设计，在特定的应用中效率极高，它的引入能够显著提升平台的效能。另外，AMD还发展出Fusion混合处理器的概念，即将GPU作为协处理器直接整合于CPU内部，两者协同运算，不过这样做的目的主要在于资源的共享。

相比之下，IBM与英特尔的方案更为彻底：IBM认为主一从多核架构效率更高，这种设计在PS3中的Cell处理器中获得体现。在Cell处理器中，只有一个功能简单的主CPU负责任务分派，而真正的指令执行任务则是由数量众多的协处理器完成的；Cell处理器占用2.34亿个晶体管，90纳米、3.2GHz版本的功耗为110瓦，但浮点性能比规格相当的x86处理器高出十倍以上!受此启发，英特尔发展出Many Core计划，它同样是采用主一从多核架构，Many Core处理器最多可拥有80个核心，其中绝大多数都是各种功能的协处理单元(例如浮点加速器、Java解释器、Flash加速器等等)，主CPU的数量在4个以内、它们只是负责任务分配和整数运算任务。

无论是IBM Cell、AMD Torrenza/Fusion还是英特尔的Many Core，它们均采用协处理器加速的主从多核设计、隶属于“微内核”体系，而现行的多核处理器属于“巨内核”体系――巨内核的特点是核心设计复杂、要求动用数量庞大的晶体管，但单个核心就可以承担所有的任务，具有更强的通用性。而“微内核”则不同，它的核心设计都非常简单，往往只处理特定的任务，所需的晶体管和能耗当然也少得多，而在执行专用任务时，这些微内核的效率远高于通用的CPU；如果将大量的微内核集成在一起就能够完成各类计算任务，而这种做法无论在能源效率还是晶体管效率指标上都优于现行的“巨内核”设计。英特尔曾举例说明两种设计的差异：若要实现32GFLOPS/4GHz规格的处理器，现行的巨内核设计需要21平方毫米大小的芯片(假设45纳米工艺)才能做到，平均每平方毫米可提供1.5GFLOPS性能，每瓦能耗对应的，性能则是1.4GFLOPS；倘若改用微内核思想来构建32GFLOPS/4GHz处理器，那么芯片尺寸只要区区6平方毫米，平均每平方毫米芯片的性能为6.4GFLOPS，每瓦特性能为5.9GFLOPS。

由于在能源效率、晶体管利用效率方面都具有明显的优势，微内核将会取代巨内核(或者二者融合)成为未来微处理器设计的主导方案，英特尔在Larrabee高并行处理器中就首度采用微内核设计，AMD也在技术蓝图中披露了微内核设计的远景，IBM则在Cell中首开先河，可以说在这一点上，微处理器工业已经形成广泛的共识。

总结：成本决定谁笑到最后

无论微处理器开发朝着什么方向行进，更低成本、更高收益永远都是开发者的目标，频率提升和架构的改良都只是人们看到的表象，设计者总是希望用最少的晶体管、最低的能源消耗来获取最佳的性能，继对等架构的多核心之后，协处理器加速与微内核设计将成为新方向――或许我们可以忘记“频率”、“架构设计”之类的指标，只要关心处理器的购置成本、能源消耗与所能提供的性能水平，微处理器工业的历史早已证明，低成本的产品总会成为最终的胜利者。