"膠水"不算"融合"！AMD談CPU+GPU架構(gòu)
泡泡網(wǎng)CPU頻道2月3日 早在2006年，AMD重金收購ATI之時，AMD的目光就沒有局限于ATI現(xiàn)成的顯卡和芯片組產(chǎn)品線，而是著眼于更加長遠(yuǎn)的CPU+GPU整合方案。轉(zhuǎn)眼間四年時間過去了，ATI旗下的顯卡和芯片組如今做得是有聲有色，而CPU+GPU的融合方案也初具雛形。
單從技術(shù)和架構(gòu)方面來講，AMD一直都扮演著領(lǐng)導(dǎo)者的角色，64位處理器、集成內(nèi)存控制器、HT總線、涼又靜(CnQ)節(jié)能、硬件防病毒、原生雙核四核等等，無一不讓競爭對手苦苦追隨。從AMD近年來的口號“The future is fusion”來看，AMD未來的重點就是CPU和GPU的融合計劃，AMD再次站在了業(yè)界的前沿。
但是，Intel在2010年伊始，以迅雷不及掩耳之勢發(fā)布業(yè)內(nèi)首款CPU+GPU整合架構(gòu)的全新處理器——Core i5/i3及新奔騰雙核，而AMD的Fusion至今還沒有實際產(chǎn)品出現(xiàn)。以不斷創(chuàng)新而著稱的AMD這次居然落后，真的是這樣嗎？
AMD高級副總裁兼技術(shù)事業(yè)部總經(jīng)理Chekib Akrout先生
AMD CTO接受國內(nèi)IT媒體專訪
近日，AMD高級副總裁兼技術(shù)事業(yè)部總經(jīng)理Chekib Akrout先生訪華，筆者有幸對這位以技術(shù)見長的副總裁做了簡短的專訪，詳細(xì)咨詢了一些關(guān)于AMD Fusion APU的資料，在此分享給廣大讀者朋友們。
近年來CPU的技術(shù)、架構(gòu)和性能都發(fā)生了翻天覆地的變化，但一切改變都并不像人們預(yù)想中的那么順利，Intel和AMD走了不少的彎路才讓處理器性能產(chǎn)生飛躍式提升，Chekib Akrout先生首先回顧近年來CPU發(fā)展所經(jīng)歷的幾個階段：
● 單核心時代：主頻不能無限提升
第一個時代我們稱之為單核時代，一切重點都是放在主頻頻率，希望它越來越快，性能越來越強。但隨著功耗和復(fù)雜性要求越來越高，瓶頸效應(yīng)越來越嚴(yán)重，迫使雙方改變策略。Intel和AMD的主頻大戰(zhàn)有兩個標(biāo)志性事件：
2000年，Intel和AMD爭分奪秒的對1GHz主頻發(fā)起了沖擊，Intel率先發(fā)布Pentium III 1.13GHz，但由于緩存無法工作在高頻下，產(chǎn)生間歇性鎖死現(xiàn)象，Intel不得已宣布召回這批處理器。在這次1GHz主頻大戰(zhàn)中穩(wěn)妥的AMD憑借Athlon 1GHz笑到了最后。
“銅礦”奔三1.13GHz BUG事件
隨后AMD改變策略，以優(yōu)化處理器執(zhí)行效能為重點，推出了Athlon XP及后來的Athlon 64處理器。而執(zhí)著的Intel似乎無法接受1GHz主頻大戰(zhàn)中的慘敗的事實，孤注一擲地推出了NetBurst架構(gòu)，開始瘋狂的提升CPU主頻，相繼突破了2GHz、3GHz、并向4GHz邁進……
Intel CEO Barrett因未能使Netburst(Pentium 4)突破4G而下跪
此后，雖然Pentium 4的主頻節(jié)節(jié)攀升，但媒體和用戶都發(fā)現(xiàn)Intel的高頻處理器并不比頻率低很多的AMD處理器強，于是高頻低能成為了Pentium 4的代名詞，而恐怖的發(fā)熱和功耗成為了整個業(yè)界的負(fù)擔(dān)。最終Intel止步于3.8GHz，這個頻率時至今日都沒有被打破，Intel CEO終于以戲劇性的方式接受了主頻大戰(zhàn)的失敗。
● 多核心時代：核心數(shù)量不能無限增多
為了進一步解決增加性能的問題，處理器開始進入到一個多核時代，在多核時代，每增加一顆核心就能帶來非?？捎^的性能提升，如今雙核已經(jīng)普及，三核、四核也逐漸發(fā)揮出了應(yīng)有的實力。
多核心時代AMD一直致力于解決多核心協(xié)同工作的效能問題，因此率先發(fā)布原生雙核、原生四核以及少有的三核處理器。而Intel的首款雙核及四核產(chǎn)品都是通過“膠水”封裝而來，性能提升有限，之后才推出真正的原生產(chǎn)品，給用戶帶來了驚喜。
四核處理器多數(shù)情況下都只有1-2顆核心工作
處理器核心越多性能自然越強，但效率實際上卻在不斷降低，而且復(fù)雜性越來越高，受到了功耗、發(fā)熱、成本等多方面因素的制約，這個瓶頸和當(dāng)初盲目追求高主頻其實很類似。
● 異構(gòu)計算時代：CPU+GPU融合是大勢所趨
所以處理器又進入到第三時代，我們稱之為異構(gòu)系統(tǒng)時代，在這個時代處理器增加了很多不同的計算單元，希望能夠提高性能，希望獲得很多數(shù)據(jù)并行，但它需要很多的計算單位，編程成為最大的制約因素。在這個新時代中，目前還處于曲線開端，因此（有很大的發(fā)展空間）今后將會帶來更多提高性能的機會。
以上是從計算角度來看的，從工作量來看，在視頻、圖形計算工作的負(fù)載方面，視頻用得比較多。舉個例子，現(xiàn)在視頻已經(jīng)占了整個互聯(lián)網(wǎng)用戶三分之一的流量。AMD如何通過自己的融聚技術(shù)滿足目前大家所需要的現(xiàn)代工作負(fù)載要求呢？首先有X86技術(shù)，還有GPU技術(shù)。我們知道X86技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，用于CPU的軟件產(chǎn)品也非常成熟。所有的編程人員都知道如何根據(jù)它進行編程，同時有非常好的程序序列。從GPU來講，也非常出色，負(fù)載優(yōu)化，兩者結(jié)合才使我們迎來了融聚時代。
現(xiàn)在我們有了CPU和GPU，如何結(jié)合起來打造融聚技術(shù)呢？GPU是針對固定功能，主要是圖形處理。但隨著技術(shù)不斷發(fā)展，也越來越有可編程性。CPU本身就具有很高的可編程性，隨著演變發(fā)展，也可以承擔(dān)一些GPU的工作。當(dāng)我們的GPU編程性越來越高，當(dāng)CPU密度越來越大，我們就有可能把兩者結(jié)合起來，這就是去年年底我們?yōu)槭裁葱剂说谝豢钊诰奂夹g(shù)，我們稱之為LIano。有了這種集成能力，我認(rèn)為CPU、GPU不斷密切配合，就可以獲得更大的計算密度。有了非常好的計算密度，我們就可以搞出非常好的編程模型，讓開發(fā)人員開發(fā)出新的應(yīng)用，充分利用我們的架構(gòu)。
Intel剛剛發(fā)布的CPU+GPU整合式處理器，表面上看AMD所倡導(dǎo)的概念被Intel搶先了。但詳細(xì)分析其架構(gòu)之后大家會發(fā)現(xiàn)Intel的做法只是將CPU和GPU兩顆不同的芯片封裝在了一起（也就是通常所說的“膠水”技術(shù)），而不是真正把CPU和GPU無縫“融合”在一起，實際從技術(shù)和架構(gòu)方面來講這是一種倒退。
Clarkdale核心處理器“膠水”示意圖
32nm工藝Westmere架構(gòu)的Clarkdale處理器與Intel此前45nm工藝Nehalem架構(gòu)的Bloomfield及Lynnfield處理器完全不同。Bloomfield（Core i7 9XX）整合了三通道內(nèi)存控制器，Lynnfield（Core i7 8XX和i5 7XX）整合了雙通道內(nèi)存控制器以及PCI-E控制器，而Clarkdale（Core i5 6XX和i3 5XX）其實什么都沒有整合：
Bloomfield/Lynnfield/Clarkdale核心架構(gòu)圖
上面的三款核心架構(gòu)示意圖揭露了所有答案，Lynnfield雖然少了一條內(nèi)存通道，但由于DDR3帶寬過剩因此性能損失很小，而PCI-E控制器的加入讓整合度更高、架構(gòu)更為先進。
反觀Clarkdale核心，它的內(nèi)存控制器、集成顯卡、PCI-E控制器都在北橋里面，這與Intel上代Core 2平臺沒有什么兩樣，將CPU和北橋封裝在一起并不能提升性能，僅僅是簡化了主板設(shè)計而已。由于Clarkdale沒有整合內(nèi)存控制器的原因，其內(nèi)存性能非常低下，性能方面并沒有帶來驚喜，只是拜先進的32nm工藝所賜，功耗和發(fā)熱表現(xiàn)比較出色，僅此而已。
代號Pineview的新Atom處理器為單芯片CPU+GPU設(shè)計
Clarkdale將CPU和北橋封裝在了一起，而Intel新一代Atom N450是一顆單芯片整合了內(nèi)存控制器和集成顯卡的處理器，看上去似乎更像一顆CPU+GPU整合式處理器，實際上它的架構(gòu)更為落后：膠水版Clarkdale的CPU和北橋之間好歹使用了新一代的QPI總線互聯(lián)，而新Atom的CPU和北橋雖然在同一顆芯片之內(nèi)，但他們之間依然使用老邁的FSB總線：
新Atom本質(zhì)上也是將CPU和北橋簡單的放在一起，只是由于晶體管數(shù)較少，更容易整合，沒必要使用膠水。而在內(nèi)部架構(gòu)方面，落后的FSB總線依然得到了保留，CPU和北橋（包括內(nèi)存控制器和顯卡）之間的瓶頸依然存在，性能根本沒有任何提升。
而AMD所要做的融聚技術(shù)并不是簡單地將CPU和GPU（及傳統(tǒng)的北橋）攢在一塊，更重要的是通過融聚提升性能，獲得更有價值的應(yīng)用。
Intel的Atom的確是一款很有創(chuàng)意的處理器，被廣泛的應(yīng)用在上網(wǎng)本和低端電腦之上，但這款處理器由于性能太弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用戶當(dāng)前的要求以及未來日益增長的互聯(lián)網(wǎng)圖形化需求。Intel新一代Atom也只是新瓶裝舊酒，沒有實質(zhì)性的改進。
Atom D510相比上代N330性能沒有任何提升（新舊ATOM游戲性能PK）
下面為大家介紹一款去年年底AMD宣布推出的最新技術(shù)，面向低功耗、低成本、低端市場的Bobcat核心，這顆核心非常小巧、高效，而且功耗非常低，能夠在低于一瓦的情況下工作。Bobcat以不到目前處理器核心一半的面積實現(xiàn)了當(dāng)前主流處理器90%的性能。這款核心將在2011年初隨著AMD代號為Brazos的筆記本APU問世。它的設(shè)計非常靈活，高度可合成，可重新組合CPU使用。
“Bobcat” X86核心：小巧，高效，強大
·非常低的設(shè)計功耗——注重每瓦性能
·用不到一半的硅面積實現(xiàn)當(dāng)今主流性能的90%
·綜合/易用
·支持完整的ISA——SSE1～3和虛擬化
·2011年/筆記本APU/“Brazos”
核心架構(gòu)類似K7/K8/K10的整數(shù)/浮點管線分離設(shè)計（而不是Atom那種順序執(zhí)行），2ALU/2AGU/2FPU，ALU/AGU/FPU都擁有獨占的端口，ALU為對稱設(shè)計，AGU為非對稱設(shè)計（1Load/1Store），F(xiàn)PU也是非對稱設(shè)計（1FADD/1FMUL）。
Bobcat將會使用最新的32nm SOI工藝制造，以接近于主流處理器的性能，實現(xiàn)超低的功耗將是其最大的亮點，它將大大改善便攜式筆記本的性能和續(xù)航時間，成為入門級首選處理器核心。
既然Clarkdale（Core i5/i3）和Pineview（新Atom）都不是真正的CPU+GPU整合式處理器，那么到底什么樣的處理器才是真正將CPU和GPU合而為一呢？我們來看看AMD代號為LIano的APU：
Llano核心照片
目前AMD關(guān)于LIano的APU資料都處于保密階段，所有規(guī)格和技術(shù)參數(shù)都將在2月8日（北京時間2月9日）舉行的ISSCC 2010大會上公布，產(chǎn)品將會在下半年量產(chǎn)，正式發(fā)布將會在2011年初，以下只是一些泄露出來未經(jīng)官方證實的初步資料：
LIano包括了一顆四核心處理器，沒有L3（可能為了節(jié)約晶體管）但擁有2M L2（每顆核心512KB）。GPU部分擁有6個SIMD引擎，如果每個引擎擁有80個流處理器（HD5000就是這個規(guī)格），那么總共就是480個流處理器。
CPU和GPU之間不通過傳統(tǒng)的PCI-E總線，而是直接使用高速的HT總線直連，并且共享內(nèi)存控制器，這樣的設(shè)計可以大大降低CPU和GPU數(shù)據(jù)通訊延遲，提升異構(gòu)計算的效率。我們猜測這樣的設(shè)計目的就是為了充分利用內(nèi)存帶寬并提升性能，架構(gòu)遠(yuǎn)優(yōu)于Intel，實際上對于GPU來說肯定不如配備專用的顯存，但好處就是成本大大下降。
AMD Propus處理器的晶體管數(shù)量為3億，再加上480個流處理器和其它的專用邏輯芯片6億左右的晶體管，LIano處理器將會擁有10億個晶體管，和HD5770的GPU差不多，但將會使用32nm SOI工藝制造，因此功耗發(fā)熱將會更低，我們估計TDP可望控制在100W以內(nèi)。
當(dāng)然，AMD APU不止LIano一款，其規(guī)格將會非常靈活多變，用戶可根據(jù)需要選擇偏重于CPU或者偏重于GPU的型號。如此一來將會衍生出種類龐大的APU家族，當(dāng)問及這樣的產(chǎn)品定位會不會造成用戶無從選擇時，Chekib Akrout先生指出：未來的APU與現(xiàn)在多核CPU的定位劃分沒有本質(zhì)區(qū)別，現(xiàn)在AMD的CPU產(chǎn)品型號也非常多，有雙核、三核、四核甚至六核，每一個系列還根據(jù)二級緩存或三級緩存大小進一步細(xì)分，而APU將會以CPU和GPU核心數(shù)劃分產(chǎn)品線。
Bobcat定位入門級，LIano定位主流中低端，而AMD另一款定位高端的核心Bulldozer（推土機）也是備受矚目，它最大的亮點就是每一顆核心擁有雙倍的整數(shù)運算單元，整數(shù)和浮點為非對稱設(shè)計：
AMD神奇的“推土機”架構(gòu)
在一個推土模塊里面有兩個獨立的整數(shù)核心，每一個都擁有自己的指令、數(shù)據(jù)緩存，也就是scheduling/reordering邏輯單元。AMD也提到，這兩個整數(shù)單元的中的任何一個的吞吐能力都要強于Phenom II上現(xiàn)有的整數(shù)處理單元。Intel的Core構(gòu)架無論整數(shù)或者浮點，都采用了統(tǒng)一的scheduler（調(diào)度）派發(fā)指令。而AMD的構(gòu)架使用獨立的整數(shù)和浮點scheduler。
現(xiàn)在推土機將整數(shù)調(diào)度單元增長了一倍，浮點運算的部分則維持原樣。在FP scheduler之后是兩個128位的FMAC。AMD認(rèn)為每一個線程被分發(fā)到核心將會使用到一個128位的FMAC，如果這個線程只是純粹的整數(shù)操作，另外一個FMAC就可以使用全部的FP執(zhí)行資源。在AMD看來，目前存在于服務(wù)器上的80%的操作都是純粹的整數(shù)操作，這也就是AMD只加強整數(shù)運算單元而無視浮點運算單元的重要原因。
另一方面，隨著CPU和GPU異構(gòu)計算應(yīng)用越來越多，GPU將會越來越多的負(fù)擔(dān)起浮點運算的操作，預(yù)計未來3-5年的時間內(nèi)，所有浮點運算都將會交給最擅長做浮點運算的GPU，這也就是推土機加強整數(shù)運算的真正目的，雖然推土機架構(gòu)并未整合GPU（因為它定位高端，不論企業(yè)還是玩家都需要最強的CPU和GPU），但一切都在為Fusion而準(zhǔn)備著，可以說AMD繼64bit、整合內(nèi)存控制器、HT總線、三個層級緩存之后，又一次引領(lǐng)業(yè)界，走在了巨頭Intel前面！■<
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