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2023年殊途同归的技术发展之路.doc
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2023 殊途同归 技术发展
殊途同归的技术发展之路殊途同归的技术发展之路 袁怡男 對于 IT 行业来说,8 月初是一年里相对平淡的日子。这时候正适合回头看看,研究一下技术发展的轨迹。本期,我就来聊聊这些年 CPU 的发展情况。大家知道,现在 CPU 主要是 x86 和 ARM 两大架构各领风骚,其架构变化之路既有相同之处,也有各自灵光乍现之时。早期 CPU 的发展有很多相同之处。比如:开始大家都是单核,虽然各家的内部架构也有差异,但主要的竞争通常都会归于频率低向频率高的提升。随后,一方面,制程逐渐成为频率提升的瓶颈,另一方面,CPU 内部架构设计思路的不同带来的性能差别也很大。比如,在 AMD 很困难的那 10 年里:一方面自家工厂的生产工艺不如对手,另一方面是创新的想法带来了激进的 CPU 内部架构,浮点性能上不去,频率也上不去。而英特尔的酷睿架构则称霸了 10 年 PC 市场。再向后发展,频率和功耗的平衡往往成为难题。早期在 CPU 内部架构通常每810 年才会有大变化的前提下,日益高涨的性能需求对于单核频率的提升要求会不断提高,但制程的进步速度没那么快,强行提升频率必然带来高功耗,频率终归是有瓶颈的。在 PC 的历史上,这样的瓶颈不止一次,比如 1GHz、2GHz、3GHz、4GHz 和 5GHz 都曾经是数年难以突破的桎梏。在手机端,历史上的情况也差不多,2GHz 附近曾经是性能与功耗控制的平衡点,哪怕是现在 7nm制程的高通骁龙 865+,单核 3.1GHz 左右基本也是性能与功耗平衡的极限了。纵向提升性能遇到壁垒,要想进一步提升综合性能,就只能走并行路线。坦率地说,在很长一段时间里,PC 级别的软件对多线程的需求并不高,但 CPU 厂商要战胜竞争对手,总得有新卖点,所以支持多线程就成了必然选择。早期 PC 的x86 架构核心因为内部架构中有两套寄存器,所以开始选择用两套寄存器来存储两个线程指令,当一个执行线程因等待数据处于停顿时,立即执行另一个线程,避免处理器计算资源闲置,提升效率,这就是“超线程”技术。不过通过减少闲置时间来实现的多线程毕竟性能提升不够高,所以后来更直接的选择就是双核、三核。再往后,核心数量越来越多,大约是以 2 的倍数增长,而类似“超线程”的技术也没浪费,高端型号就加上它。虽然也闹过所谓“真假多核”的争吵,但 AMD 和英特尔其实一直在互相学习,谁的选择更好,另一个的选择终归也会靠过去。核心数量越多,最远两个核心之间在数据同步时的性能损耗就越大,因为需要同步数据时的延迟越来越高,所以多核心的内部架构设计逐渐成了难题。双核的时候,直接用总线连上,然后再协调一下就好;四核、八核的时候,交叉连上,再 MCM 封装。但更多核心的时候,当时领先的英特尔就选择了环状总线;再多,用两个环状总线,用 CrossBar 连接两个环.还要更多核心,上 Mesh 结构,最大核心数量扩展到 28 个!而 AMD 一直通过 MCM 多芯片封装技术来实现多核处理器,在 Zen2 架构时更灵机一动:4 个核心组成一个 CCX,每两个 CCX 再组成一个 CCD,然后每个 CCD 都连上中间的 I/O 模块,大大降低延时!不但把一个封装里的最大核心数提升到 64 颗,在数量上超过了英特尔的 56 个,较之前Zen 架构时 32 颗核心的性能也大幅提升!另一方面,ARM 架构主要用在手机上,所以更关心的是功耗控制。更多的核心就意味着更多的耗电,你看苹果之前就很不喜欢加核心。于是 ARM 阵营的“big.LITTLE”组合创意横空出世:区分大小核心,让性能需求高的任务用大核心,性能需求低的任务用小核心。ARM 架构的 CPU 生产商还进一步区分了“大、中、小”三级核心,进一步提升效率。甚至连英特尔也看到了这种架构的好处,在 Lakefield 混合处理器上就选择了“1 个酷睿+4 个凌动”的组合。这对于需要续航能力的超轻薄笔记本来说应该是个很好的解决方案,后续我们很快也会有实际测试。综合来看,在 CPU 的发展前行之路上,除了制程是一个硬桎梏以外,竞争者之间灵光一现的创新往往就会带来领先,但各家公司的选择也很灵活,如果证明是好的思路,很快就会去学习,殊途同归。所以长期来看,终归是各领风骚那么几年。

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