殊途同歸的技術(shù)發(fā)展之路

袁怡男

對(duì)于IT行業(yè)來(lái)說(shuō)，8月初是一年里相對(duì)平淡的日子。這時(shí)候正適合回頭看看，研究一下技術(shù)發(fā)展的軌跡。本期，我就來(lái)聊聊這些年CPU的發(fā)展情況。大家知道，現(xiàn)在CPU主要是x86和ARM兩大架構(gòu)各領(lǐng)風(fēng)騷，其架構(gòu)變化之路既有相同之處，也有各自靈光乍現(xiàn)之時(shí)。

早期CPU的發(fā)展有很多相同之處。比如：開(kāi)始大家都是單核，雖然各家的內(nèi)部架構(gòu)也有差異，但主要的競(jìng)爭(zhēng)通常都會(huì)歸于頻率低向頻率高的提升。隨后，一方面，制程逐漸成為頻率提升的瓶頸，另一方面，CPU內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)思路的不同帶來(lái)的性能差別也很大。比如，在AMD很困難的那10年里：一方面自家工廠的生產(chǎn)工藝不如對(duì)手，另一方面是創(chuàng)新的想法帶來(lái)了激進(jìn)的CPU內(nèi)部架構(gòu)，浮點(diǎn)性能上不去，頻率也上不去。而英特爾的酷睿架構(gòu)則稱霸了10年P(guān)C市場(chǎng)。

再向后發(fā)展，頻率和功耗的平衡往往成為難題。早期在CPU內(nèi)部架構(gòu)通常每8～10年才會(huì)有大變化的前提下，日益高漲的性能需求對(duì)于單核頻率的提升要求會(huì)不斷提高，但制程的進(jìn)步速度沒(méi)那么快，強(qiáng)行提升頻率必然帶來(lái)高功耗，頻率終歸是有瓶頸的。在PC的歷史上，這樣的瓶頸不止一次，比如1GHz、2GHz、3GHz、4GHz和5GHz都曾經(jīng)是數(shù)年難以突破的桎梏。在手機(jī)端，歷史上的情況也差不多，2GHz附近曾經(jīng)是性能與功耗控制的平衡點(diǎn)，哪怕是現(xiàn)在7nm制程的高通驍龍865+，單核3.1GHz左右基本也是性能與功耗平衡的極限了。

縱向提升性能遇到壁壘，要想進(jìn)一步提升綜合性能，就只能走并行路線。坦率地說(shuō)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，PC級(jí)別的軟件對(duì)多線程的需求并不高，但CPU廠商要戰(zhàn)勝競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，總得有新賣點(diǎn)，所以支持多線程就成了必然選擇。早期PC的x86架構(gòu)核心因?yàn)閮?nèi)部架構(gòu)中有兩套寄存器，所以開(kāi)始選擇用兩套寄存器來(lái)存儲(chǔ)兩個(gè)線程指令，當(dāng)一個(gè)執(zhí)行線程因等待數(shù)據(jù)處于停頓時(shí)，立即執(zhí)行另一個(gè)線程，避免處理器計(jì)算資源閑置，提升效率，這就是“超線程”技術(shù)。不過(guò)通過(guò)減少閑置時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的多線程畢竟性能提升不夠高，所以后來(lái)更直接的選擇就是雙核、三核。再往后，核心數(shù)量越來(lái)越多，大約是以2的倍數(shù)增長(zhǎng)，而類似“超線程”的技術(shù)也沒(méi)浪費(fèi)，高端型號(hào)就加上它。雖然也鬧過(guò)所謂“真假多核”的爭(zhēng)吵，但AMD和英特爾其實(shí)一直在互相學(xué)習(xí)，誰(shuí)的選擇更好，另一個(gè)的選擇終歸也會(huì)靠過(guò)去。

核心數(shù)量越多，最遠(yuǎn)兩個(gè)核心之間在數(shù)據(jù)同步時(shí)的性能損耗就越大，因?yàn)樾枰綌?shù)據(jù)時(shí)的延遲越來(lái)越高，所以多核心的內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸成了難題。雙核的時(shí)候，直接用總線連上，然后再協(xié)調(diào)一下就好;四核、八核的時(shí)候，交叉連上，再M(fèi)CM封裝。但更多核心的時(shí)候，當(dāng)時(shí)領(lǐng)先的英特爾就選擇了環(huán)狀總線;再多，用兩個(gè)環(huán)狀總線，用CrossBar連接兩個(gè)環(huán)......還要更多核心，上Mesh結(jié)構(gòu)，最大核心數(shù)量擴(kuò)展到28個(gè)！而AMD一直通過(guò)MCM多芯片封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多核處理器，在Zen2架構(gòu)時(shí)更靈機(jī)一動(dòng)：4個(gè)核心組成一個(gè)CCX，每?jī)蓚€(gè)CCX再組成一個(gè)CCD，然后每個(gè)CCD都連上中間的I/O模塊，大大降低延時(shí)！不但把一個(gè)封裝里的最大核心數(shù)提升到64顆，在數(shù)量上超過(guò)了英特爾的56個(gè)，較之前Zen架構(gòu)時(shí)32顆核心的性能也大幅提升！

另一方面，ARM架構(gòu)主要用在手機(jī)上，所以更關(guān)心的是功耗控制。更多的核心就意味著更多的耗電，你看蘋果之前就很不喜歡加核心。于是ARM陣營(yíng)的“big.LITTLE”組合創(chuàng)意橫空出世：區(qū)分大小核心，讓性能需求高的任務(wù)用大核心，性能需求低的任務(wù)用小核心。ARM架構(gòu)的CPU生產(chǎn)商還進(jìn)一步區(qū)分了“大、中、小”三級(jí)核心，進(jìn)一步提升效率。甚至連英特爾也看到了這種架構(gòu)的好處，在Lakefield混合處理器上就選擇了“1個(gè)酷睿+4個(gè)凌動(dòng)”的組合。這對(duì)于需要續(xù)航能力的超輕薄筆記本來(lái)說(shuō)應(yīng)該是個(gè)很好的解決方案，后續(xù)我們很快也會(huì)有實(shí)際測(cè)試。

綜合來(lái)看，在CPU的發(fā)展前行之路上，除了制程是一個(gè)硬桎梏以外，競(jìng)爭(zhēng)者之間靈光一現(xiàn)的創(chuàng)新往往就會(huì)帶來(lái)領(lǐng)先，但各家公司的選擇也很靈活，如果證明是好的思路，很快就會(huì)去學(xué)習(xí)，殊途同歸。所以長(zhǎng)期來(lái)看，終歸是各領(lǐng)風(fēng)騷那么幾年。