高效低能耗未来处理器发展方向

    近两年来，主流的×86处理器频率最高徘徊在3Hz上下，没有突破4Hz大关，相反的，处理器核心从双核到四核，制程从65nm到最新的45nm，并且功耗越来越低，效率越来越高，处理器的频率发展遇到很大的瓶颈，处理器两大巨头Intel和AMD也转变了竞争方向，从单纯的频率之争，到注重实际效能，并且往多核发展，近来的GPU和CPU之争也引发了人们对未来处理器发展趋势的思考。处理器未来将如何发展?频率是否还有提升的空间?未来处理器的架构会如何演变?

    顺序执行的回归主导未来十年处理器竞争

    早期的CISC处理器是采用顺序执行的，自Pentium处理器之后，CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，例如Intel的PentiumⅡ。超长指令集CPU由于融合了RISC和CISC的优势，成为过去十年处理器主要发展方向，乱序执行(Out of Order)设计，也成为处理器提升的关键，如Netburst架构(Pentium 4)处理器能够向乱序执行处理器单元每周期发送三条指令，而Conroe核心每周期可向乱序执行处理单元发送六条指令。

    最新的IBM POwer 6处理器则大胆放弃乱序执行，由于顺序执行能节省大量晶体管，这就使得Power6 CPU的每个内核都相当简单，频率也能轻松提升到4GHz以上。而Intel最新的低功耗处理器Atom也采用了顺序设计的架构，获得相对较高的频率，处理器性能和Pentium M接近，却仍然保持极低的功耗。Intel在去年就曾展示过80核心的Tera-Scale CPU，运算速度可达每秒万亿次，就是采用顺序运算，采用精简的核心架构。顺序执行使得处理器可以获得高频率和低功耗，许多人认为，顺序执行成为未来处理器徽架构的趋势，将主导未来十年的处理器竞争。

    小核心功耗以毫瓦计

    IDF上Intel推出的凌动处理器(Atom)成为低功耗处理器的代表产品，热设计功耗范围(TDP)在0.6-2.5W(目前笔记本电脑处理器的TDP为35瓦)，平均功耗范围为160-22D毫瓦，而闲置时的功耗范围为80-100毫瓦。Atom虽然是针对MID(移动互联网设备)推出，但是和x86架构兼容，可以提供完整的互联网应用，随后还将推出双核的Diamondville。

    通过Atom处理器采用的精简核心，我们可以看到，处理器的功耗和性能降低并不是成比例的。据Pollack定律：从i386起，Intel每一新架构需要两到三倍的硅芯片面积，而性能只提升1.4到1.7倍。简言之，性能的提升与复杂性的平方根成比例。就两代处理器来说，性能每提升1倍，复杂性便增加4倍；速度提升4倍(依摩尔定律需六年时间)。晶体管就要多用16倍。反过来应用Pollack定律，更小核心芯片的性能会随芯片面积的平方根而减少，但功耗的降低是线性的，这就导致功耗大为降低，而性能下降反而更少。另一方面，多任务处理技术有可能提供接近线性的性能改进，用两个更小的处理器来替换—个大的单颗处理器，有可能把性能提高80%以上。采用更大数量的小型核心也会使运算吞吐量呈线性增加。

    多核未来处理器发展趋势

    主流的x86CPU核心数量从双核到四核甚至八核，多核正成为处理器未来提升性能的趋势。不过真正意义上的多核并不是我们现在所说的四核或八核处理器，芯片设计工程师们考虑把更多个小型核心整合在未来的设计之中，面不是只依赖于某个单一的复杂核心。未来处理器并不会简单循着多核心发展的方向，而要把多个复杂的核心整合在一个芯片上。将更多小型核心整合在一起的设计恩路，每个核心的性能会比较大型的复杂核心低，但整体的运算能力却会高很多。

    根据Intel的计划，未来将会推出一种类似于Atom处理器那样低功耗简单CPU内核，然后根据数量增加或缩减，以实现所有设备采用相同CPU内部架构的梦想。未来手机很可能只拥有一两个处理器内核，掌上电脑可能具备2-8个处理器内核，而笔记本和台式机处理器内核则能达到几十上百个，至于服务器和大型机内核数量会更多。lntel的Tera-Scale CPU虽然不是x86架构，但是这种设计方案却成为未来处理器发展方向，而Atom的低功耗高性能，也让这种设计思路的实现成为可能。

    GPU还是CPU？

    之前，AMD和NVIDIA都竞相推进GPGPU(通用图形芯片)，将GPU用于通用计算，Intel也将推出通用处理器Larrabee。Larrabee是一种可编程的多核心架构，不同的版本会有不同数量的核心，并使用经过调整的x86指令集，性能上将会达到万亿次浮点运算级别。值得注意的是，Larrabee中的处理核心为顺序执行核心。Larrabee与AMD、NVIDIA的GPGPU技术不同，后两者分别使用Stream Processing(流处理)和CUDA(统一计算设备架构)来满足对GPGPU计算的需求。而Larrabee基于传统的x86架构，它既可用在显卡上，也可用作一个特殊的x86处理器，满足一些高性能计算的需求。看来，Larrabee的市场应用前景将会更加广阔。

    Intel IDF上高调称Larrabee将消灭GPU，而NVIDIA则炮轰Intel，称GPU相对CPU更加重要，也引发了近期热门的GPU和CPU之争。NVIDIA近期则继续宣称GPU比CPU重要的理论：大部分用户都不需要四核，但是更多的应用需要绘图方面的能力，包括操作系统界面、视频及游戏等，再加上DX1O把游戏大部分的指令都交给GPU处理，使得用户购买四核和双核的性能差距已经非常小。

    对于GPU与CPU谁更重要，小编认为是仁者见仁，智者见智，DIY 2.0时代的用户需求更趋个性化，如何选择，还是交给市场决定吧。不过认为GPU、CPU双方各有所长，谈取代言之尚早，至少在现有PC架构上，GPU和CPU还将并存，并且各自发挥自己的长处。不过，融合将是CPU和GPU的未来发展趋势，而随者AMD Fusion、NVIDIA CUDA以及Intel Lanabee的推出，将会再次上演一出三国争雄的好戏。

    结语：

    可以预见，木来处理器将会朝着高性能、低功耗以及多核心的方向发展，当多核真正得到长足发展对，未来PC架构将会发生翻天覆地的变化，我们的电脑中将同时运行数十个核心，运算性能将大大增强，也将迎来一个崭新的时代。对这一切的列来，我们拭目以待，也充满了期待。