片上系统的发展趋势

有关硬件未来趋势是倾向片上还是片外的问题，很多人似乎已经有了自己的判断。我最近正好在Slashdot上看到一篇讨论这个问题的文章（http://hardware.slashdot.org/article.pl?sid=07/03/05/121213）。此文主要内容如下：

“在不久的将来，中央处理器（CPU）将不再真正位居中央。AMD已经宣布以协处理器概念为核心的Torrenza平台计划。Intel也宣布了类似的CSI计划，并正为之努力。利用这些技术，我们未来可将专用芯片（如GPU、APU等）直接插入主板专用插槽。Hardware.Info的文章《AMD Torrenza和Intel CSI揭密》（http://www.hardware.info/en-UK/articles/amdnY2pvZGma/The_CPU_redefined_AMD_Torrenza_and_Intel_CSI/），为我们描绘了处理器的未来。”

这真是个趋势吗？

是的，的确存在这个趋势。但是，反向趋势也同时存在；而且我认为中期来看，反向趋势更可能占主导地位。我会在后文详细解释其原因。

计算机历史上，两种趋势如影随形

了解CPU历史，或多年来经常接触CPU的人，可能会发现在CPU发展过程中，存在如下两个趋势，甚至有时候因为硬件功能的不同需要，它们同时存在：

l        片外发展。比如，图形处理功能最开始是由CPU完成的，到后来为了获得更好的性能，被移至片外并成为独立部件GPU。

l        片上发展。比如，FPU最初是一个协处理器，到后来为了获得更好的性能，被移至片上成为CPU的一部分。

事实上，两种趋势风水轮流转。甚至不同的硬件部件同时按相反趋势发展。而现在，我们不过是巧遇某些部件“片外发展”罢了。

接下来，我们分析片上（或片外）发展的动因：

l        当CPU大部分时间已相当繁忙，没有余力时，人们开始嚷嚷“为得到更好的性能”向片外发展。他们正确。

l        当CPU大部分时间空闲，或系统功耗过大时，人们开始嚷嚷“为得到更好的性能”向片上发展，他们还是正确的（如果你读了我的博客文章《Woz采访录》（http://herbsutter.spaces.live.com/blog/cns!2D4327CC297151BB!155.entry），你就知道Steve Wozniak（译者注：美国苹果电脑共同创始人之一）曾经是如何反复强调他的神奇构想——用更少的芯片做更多事情。这个想法直接带来了个人电脑的成功，没有他的想法，PC时代要晚很多年才能到来。感谢Woz）。

即便能完成同等功能，普通CPU累加系统的效率也毫无疑问比不上专用芯片。我们更应该认识到这两种力量的价值，是它们在不同时期，为了不同的硬件特性交替占据上风，从而推动产业发展。

当前形势的新特点和新动向

现在是一个巨变（http://blog.csdn.net/hsutter/archive/2006/08/29/1136281.aspx）的时代，不再像过去那样追求单核速度，重心已经转移到速度不显著变化，但数量剧增的多核方式上。那么，这会改变长期以来片上发展的趋势，而转向发展协处理器么？

首先要强调的是，目前仍然存在正反两方面力量。我在《免费午餐已经结束》（http://blog.csdn.net/hsutter/archive/2006/08/29/1136281.aspx）一文中讲到了这两方面的影响：

l        一方面，某些因素要求发展协处理器，将部分工作从CPU剥离。单核的速度已不像过去那样能迅速提升，而我们软件人大多对CPU频率情有独钟，总希望硬件能做更多工作——我们几乎从来不愿意删掉软件已有的功能。对于绝大多数现有软件而言，CPU频率提升的影响更为直接，我们希望CPU的全副心神能投入到程序代码的运行上，而不要为其他工作分心。单线程程序如此，对那些无法升级的多线程程序来说，也是这样。 

l        而另一方面，也存在要求CPU承担更多工作，限制协处理器发展的反面力量。我们现在更多使用多核而不是单核（不久可能是核阵列）。在软件业追赶上硬件发展的步伐、基于多核的应用大规模出现并成为主流前，CPU总容量呈富余状态，这也是我们的尴尬之处。因此，这就存在利用空闲核和富余核代替昂贵的协处理器完成工作的需求。至少在我们的软件得到充分发展、能充分利用处理器能力之前，这种需求会一直存在。

那么，目前这两种力量的对比是否还像以前那样处于平衡呢？哪个会占主导地位？

简单来看，目前还是平衡的。但上述分析中所谓的原因，其实也只是中间结果，它们背后还有更深层次的原因（这也是我说“免费午餐已经结束”的根本原因）：

l        需要强调的是，我们现在使用多核，根本而言是因为CPU设计者不知道如何让现在已经达到巨大高度的晶体管集成度发挥作用。感谢莫尔定律，它仍在坚持每18个月让芯片中晶体管集成度翻番（尽管不少论坛流行“莫尔定律已死”的传言，但我认为它至少可以再撑十年）。大约五年前，商用CPU的设计者已经在“让芯片尽可能复杂，以便让单线程程序跑得更快”的老路上走到尽头。在此之前，我们已在这条路上顺利行进三十年，尽管其指导思想目前还能发挥作用，但已不可能按指数方式疯长了。现在，我们必须换走多核的道路。

但我们同时也要开拓新的道路，充分利用高度集成、数量庞大的晶体管的能力，而不仅仅是多核。毕竟，通过全面分析，我们会发现，这也是我非常想强调的一点：多核不是唯一的，也不一定是最好的解决之道。

片上发展趋势将在下个十年中居主导地位

这和AMD收购ATI等事情没有直接关系。我不打算在如下一些局部趋势上多费笔墨：

l        我们当然会看到GPU等片上应用的出现。这是充分利用晶体管技术和增加CPU、GPU间带宽的重要方法。考虑到CPU设计生产流程之长，我不认为在3、5年后能看到它的出现，不过这是迟早的事

l        我们当然会看到NIC等片上应用的出现。这也是充分利用晶体管技术和提高CPU、NIC（Network Interface Card，网卡）间带宽的重要方法。

l        我们当然还会看到其他一些工作（如加密、安全检测等，还可能包括烤面包机、熨斗等的功能）移至片上。

注意到SoC（Sytem on a Chip）了么？其实这并不困难，不需要绞尽脑汁。不少公开信息和相关推测中已经有所体现，我也确信已经有人指出此事。而且已经大量出现在各个CPU厂商公布的官方规划中。

芯片目前的集成度非常高，处理器根本用不完这么多晶体管。在现实世界中，地产总是和“位置”紧密相连。如果海滨（片上）地皮价格便宜（晶体管廉价），人们就会挤破脑袋购买，然后在上面疯狂修建大楼（迈阿密硅城！译者注：迈阿密是美国海滨旅游胜地）。此后，地产价格逐渐上升至供需关系平衡点（即SoC芯片耗费的晶体管数量达到顶点，就像我们现在到达传统系统的平衡点一样）。这个道理就像雨滴必然向下落那么简单。当然，海滨摩天大楼是否给人美学上的愉悦感觉，那是另一回事了。

毫无疑问，片上和片外趋势的车轮都将隆隆而进。不要因为5年后出现一些片外发展的新型协处理器，就断言片上趋势的错误；反之亦然。至少对过于20年来一直与计算机一起工作的人来说，两个趋势都不是真正的新闻，而仅仅是软件需求和硬件发展进程不平衡，并不断追求平衡过程中的正常现象。

真正的新闻尚在孕育期，那就是：下个十年中，更可能居主导地位的趋势是将目前独立的部件移至CPU上，而不是移出。尽管专家们众说纷纭，但现在的地产价格实在太便宜。迈阿密，我们来了！