计算机组成与体系结构读书报告:Requirements, Bottlenecks, and Good Fortune: Agents for Microprocessor Evolution

原文

https://www.cs.virginia.edu/~smk9u/CS6354S16/00964437.pdf

引言

在拜读了Y. Patt的论文《Requirements, Bottlenecks, and Good Fortune: Agents for Microprocessor Evolution》之后,不禁佩服这位教授对于未来处理器发展的一些期待。在文中,Patt教授总结了1971年到2001年之间的微处理器发展历程,预测了未来微处理器的发展方向,可能出现新的需求、也可能遇到瓶颈、当然也可能遇到好运。读完文章,不禁为教授的一些远见感到佩服,但是也发现了有一些预测并不与现实世界的发展完全相符。

预测与现实

据Patt教授预测,在写作的5年后,即2006年,CPU的时钟频率将达到6-10Ghz,并且将拥有超过10亿个晶体管。但是现实并没有如此乐观。如今的高性能处理器才能勉强达到默认运行设置下超过5Ghz的时钟频率,更高的时钟频率则需要超频设置以及更好的散热条件。甚至使用液氮散热才能达到作者预估的频率,所以在时钟频率的方面,我们明显是遇到了瓶颈。但是多核处理器的出现,使得单纯提高处理器频率并没有过多的意义。至于晶体管数量,据网上的资料显示,直到2010年的6核酷睿i7才达到了11.7亿的晶体管数量,远远没有2006年如此乐观。不过之后的晶体管数量突飞猛进,在英特尔最后一次更换制程后,晶体管数量达到了数十亿。如今用在手机上的苹果A14微处理器已经达到惊人的125亿之多。

此外,文中说明的芯片设计的方向也大体得到实现。比如高可靠性的芯片,现在英特尔的志强、超微半导体的霄龙以及华为的鲲鹏都是转为可靠性提供的服务器芯片,这些芯片在运行的时候拥有非常高的稳定性。

但是,很多预测的情景相关的微处理器并没有出现,反而是通用处理器来进行这些功能。比如银行的ATM、收银台大多是基于x86跑Windows的,也有基于ARM跑Android的。物联网使用的微处理器基本上是基于RISC和ARM的,只是在软件上开发以实现不同的功能。

文中预测的未来芯片,即将算法和程序也集成在芯片中并没有大规模地推广开来,只是制作成计算机的部件以供使用。大多数场合使用的微处理器依然是通用处理器,软件和算法依然独立于芯片之外。这种现象发生的根本原因是芯片算力得到了指数级的提升,软件提供特殊功能的开销已经可以忽略不计。甚至虚拟化的开销在很多场合中依然是可以接受的。

至今冯·诺依曼机的模型依然没有被打破,CPU运行代码必须从内存中读取。没有出现新的数据路径避免内存读取的高开销。不过现在CPU的缓存越来越大,缓存不命中率减少,在多级缓存的加持下,这一开销多多少少获得了缓解。

至于其他预测,如异步和同步的问题,在操作系统层面得到了解决。在CPU内部,处理器处理不同指令的时钟周期也已经不一样,并且引入了流水线。目前硅基芯片的物理极限还没到,新的芯片材料正在研究,也未正式投入使用。微码最令人深刻的使用还是用于修补臭名昭著的熔断和幽灵漏洞。FPGA的价格依然很高,也没有大规模进行应用。唯一在市售商品中出现的FPGA是一个将DDR内存转换为储存的硬件,不过也没有提供给用户可编程的接口。使用FPGA的原因仅仅是因为定制芯片的成本过高。

我的想法

私以为,Patt教授的想法是好的,有的过于乐观,有的则是低估了科技的发展速度。论文中预测的许多情形,20年之后的今天依然没有实现。而至今芯片发展到现在遇到更多的则是瓶颈。有的芯片厂商不思进取,多年不更新制程,至今仍然使用14nm工艺制造处理器。而且芯片制程已经快到物理极限,不使用新的材料已经无法再继续发展下去了。

不过人类日常使用的需求似乎已经达到了极限。现在人们日常对性能要求最高的情形是打游戏,CPU已经不再成为人们游戏体验的瓶颈,反而显卡性能决定了人们的游戏体验。对于个人来说,CPU的性能已经严重过剩。个人处理器的发展方向应该是研发新的架构,以期更低的功耗,更高的效率。而最新的显卡还没有使用最先进的工艺,却可以实现8K分辨率下的超逼真画质的流畅游戏。在科学计算中,大部分数据都是浮点数,而不是定点数或者整数,这使得CPU一无是处。

因此,在接下来的十年中,CPU性能的增长已经可有可无,发展方向是低功耗。而有很大发展空间的和决定用户体验的关键部件则是GPU。

这是CPU的Bottlenecks,GPU的Requirements和Good Fortune。

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