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作者：Julio Diez Ruiz 過去幾年，采用多線程或多內(nèi)核CPU的微處理器架構(gòu)有了長足的發(fā)展。現(xiàn)在它們已經(jīng)成為臺式電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置，并且在高端嵌入式市場的CPU中也已非常普及。這種發(fā)展是想要獲得更高性能的處理器設(shè)計(jì)師推動(dòng)的結(jié)果。但硅片技術(shù)已經(jīng)達(dá)到性能極限。滿足不斷提高的處理能力需求的解決方案，高度依賴于像在基于微處理器的系統(tǒng)級芯片(SoC)中復(fù)制內(nèi)核處理器這樣的架構(gòu)化解決方案。 戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律指出，隨著晶體管尺寸的縮小，每平方英寸硅片面積上可以集成的晶體管數(shù)量每兩年會(huì)翻一番。當(dāng)然，這個(gè)“定律”并不是一種物理規(guī)律，而是根據(jù)60年代和70年代對技術(shù)的觀察經(jīng)驗(yàn)得出的一個(gè)猜想。但它從第一次被提出到現(xiàn)在都非常準(zhǔn)確——并且至少在下一個(gè)十年中有望延續(xù)其正確性。 摩爾定律一直能保持正確性的原因是，縮小芯片上元件尺寸的能力使得設(shè)計(jì)師能夠不斷提高處理器、存儲(chǔ)器等器件中的晶體管密度。由于晶體管越來越小，設(shè)計(jì)師可以在處理器中增加更多的功能單元，并在相同面積上實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的架構(gòu)。 由于這種更高的密度，像分支預(yù)測或亂序執(zhí)行等技術(shù)在現(xiàn)代處理器中已經(jīng)很普及，雖然它們非常耗用資源。這些技術(shù)提高了每周期執(zhí)行指令數(shù)(IPC)，即提高了指令吞吐量，這是影響處理器總體性能的兩大基本根源之一。更小的晶體管尺寸還可以支持更高的時(shí)鐘速率。當(dāng)晶體管的柵極長度縮短1/k時(shí)，電路延時(shí)也可以減少同樣的量。隨著電路延時(shí)的減少，晶體管開關(guān)時(shí)間也相應(yīng)縮短，因此時(shí)鐘速率可以提高k倍。處理器工作在更高頻率可以提供更高的性能，但需要付出一定的代價(jià)。 然而，現(xiàn)在設(shè)計(jì)遇到了一些實(shí)際的限制。隨著晶體管尺寸的進(jìn)一步縮小，晶體管密度和芯片頻率的提高顯得非常有限，而影響越來越大。其中更高的功耗和更大的傳輸延時(shí)是最令人擔(dān)心的兩大因素，也是影響進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙。 芯片功耗 芯片功耗和相關(guān)的散熱問題正在成為硬件設(shè)計(jì)師面臨的一個(gè)巨大障礙。隨著晶體管數(shù)量的不斷增加，當(dāng)前處理器在很小的面積上就需要相當(dāng)大的能量。這意味著需要散發(fā)很高的功率密度。問題不僅在于晶體管的數(shù)量，高的工作頻率對功耗也有很大的影響，下面還會(huì)討論到。 為了對過去幾十年中這些參數(shù)的演變有一個(gè)印象，圖1顯示了在20年時(shí)間內(nèi)Intel的x86架構(gòu)中晶體管數(shù)量和工作頻率的增加情況，最早的數(shù)據(jù)來自80386架構(gòu)——第一個(gè)32位x86處理器。 
圖1：X86架構(gòu)中的晶體管數(shù)量和頻率演變。 注意，上述兩個(gè)參數(shù)都是用對數(shù)刻度標(biāo)示的，這也表明了它們進(jìn)步幅度之大。在功耗方面，圖2顯示了這些處理器的典型功耗演變情況，這次采用的是線性刻度。
圖2：不同代X86處理器的功耗演變。 晶體管數(shù)量在持續(xù)增加，一些最新的Intel Core i7處理器中的晶體管數(shù)量已經(jīng)超過22億個(gè)。功耗也在緩慢增加，高的可達(dá)130W，當(dāng)然這取決于具體型號。然而，這些新處理器的時(shí)鐘頻率卻不再增加，保持在3.5GHz左右。 時(shí)鐘頻率停滯不前的原因之一是目前的集成電路已經(jīng)達(dá)到功率密度的物理極限，產(chǎn)生的熱量已經(jīng)達(dá)到芯片封裝能夠散發(fā)的極限，因此硬件設(shè)計(jì)師必須限制頻率的提高。Intel的確從未為功效而犧牲性能，但如今的物理限制使得他們只能在功耗上面做文章。 一些公式可以更好地展示頻率和晶體管數(shù)量是如何影響芯片功耗的。一些簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系可以讓我們清楚地看出為什么這些參數(shù)在當(dāng)前設(shè)計(jì)中是如此重要。 下列公式顯示了芯片功耗與工作頻率和其它系數(shù)的關(guān)系。
這是用于當(dāng)前集成電路的主流半導(dǎo)體技術(shù)——CMOS技術(shù)的功耗表達(dá)式。公式的第一部分(加數(shù))是芯片的動(dòng)態(tài)功耗(也就是晶體管開關(guān)時(shí)由容性負(fù)載充放電引起的功耗)，代表芯片執(zhí)行的有用工作。A是活躍系數(shù)，代表每個(gè)時(shí)鐘周期中進(jìn)行開關(guān)的晶體管比例(因?yàn)槊總�(gè)時(shí)鐘周期中并不是所有晶體管都必須開關(guān))；C是晶體管的容性負(fù)載；V是電壓；f是頻率。 公式中的第2個(gè)加數(shù)是由于短時(shí)間短路電流(ISC)引起的少量動(dòng)態(tài)功耗，這個(gè)電流是在有限的上升或下降時(shí)間t內(nèi)從晶體管電壓源流到地的電流。最后一個(gè)加數(shù)是靜態(tài)功耗，即由于漏電流(Ileak)引起的功耗，這也是唯一在加電，但不活動(dòng)的電路中存在的功耗。這種功耗適用于整個(gè)電路，與晶體管狀態(tài)無關(guān)，因此該項(xiàng)中沒有活躍系數(shù)。 從公式的第一項(xiàng)可以看出為何功耗只是呈線性增加，而頻率呈對數(shù)增加，這是因?yàn)殡妷菏嵌畏降年P(guān)系。 工程師能夠?qū)⑦@個(gè)電壓從5V減小到1V以下，從而幫助他們控制住功耗同時(shí)不降低性能。遺憾的是，許多因素是相互影響的，工程師必須不斷進(jìn)行折衷。例如，想象一下我們想要通過降低最初設(shè)置在2V的電源電壓來減小芯片的動(dòng)態(tài)功耗(只考慮公式中的第一項(xiàng))。如果我們能夠?qū)㈦娫措妷航档偷?.7V，雖然電壓只下降了15%，但功耗可以顯著下降28%。然而，降低電源電壓對電路的最大頻率和晶體管的閾值電壓(晶體管的導(dǎo)通電壓)有副作用。
在我們這個(gè)例子中，如果閾值電壓為0.5V，電路工作頻率為4GHz，那么為了保持相同的工作頻率，必須將閾值電壓降低到大約0.32V。然而，這樣做也許是不可行的，因?yàn)殚撝惦妷阂蕾囉谝恍┘夹g(shù)參數(shù)，當(dāng)超出一定的范圍時(shí)，不改變半導(dǎo)體制造工藝是不可能繼續(xù)減小的。如果不改變閾值電壓，最大頻率將降低到3GHz，降幅為25%。 另一方面，即使你能夠降低電源電壓和閾值電壓并且不影響性能，但漏電流與閾值電壓呈指數(shù)依賴關(guān)系：
電壓VT是熱電壓，取決于絕對溫度T。k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子上的電荷量。在常溫時(shí)熱電壓值大約為30mV。當(dāng)相比于熱電壓有較大的閾值電壓時(shí)，漏電流效應(yīng)可以忽略，但當(dāng)閾值電壓較小——大約在100mV左右時(shí)，漏電流效應(yīng)就變得突出了。 另外，不僅熱電壓與溫度有關(guān)，閾值電壓通常也隨溫度變化而變化，這兩種變化將疊加在一起共同影響漏電流。漏電流增加意味著靜態(tài)功耗的增加，因此對于低電壓值而言，電壓降低技術(shù)存在一定的實(shí)用性限制。 圖3顯示了兩個(gè)不同溫度下的這些效應(yīng)。T=300K的第一條曲線顯示了與閾值電壓的指數(shù)關(guān)系。T=330K的第二條曲線是考慮了閾值電壓隨溫度變化因素下的估計(jì)數(shù)據(jù)。這樣，橫坐標(biāo)仍然代表標(biāo)稱閾值電壓，但晶體管的實(shí)際閾值電壓因溫度效應(yīng)而偏向更低的值，因此對漏電流有較大的影響。
圖3：閾值電壓和溫度對漏電流的影響。 漏電流還與絕緣柵厚度有關(guān)。當(dāng)采用非常薄的柵極電介質(zhì)時(shí)，電子可以穿過絕緣層形成隧道效應(yīng)，進(jìn)而形成隧道電流，導(dǎo)致高功耗。鑒于使用32nm及以下工藝時(shí)的實(shí)際柵極長度，這種效應(yīng)在當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)工藝中是非常重要的。 當(dāng)然，處理器內(nèi)核并不是芯片中唯一耗能的器件。比如內(nèi)存也消耗相當(dāng)大的能量，現(xiàn)代處理器專門開辟了大塊裸片區(qū)域來集成多級緩存。 工程師通常會(huì)應(yīng)用多種設(shè)計(jì)技術(shù)來減少內(nèi)存的漏電流或活動(dòng)系數(shù)(功耗公式中的A系數(shù))，進(jìn)而達(dá)到降低功耗的目的。 例如，緩存等級的層次化組織不僅可以改善數(shù)據(jù)訪問時(shí)間，而且有助于降低消耗的功率，因?yàn)楦「木彺嫠枘芰勘雀蟾h(yuǎn)的緩存要少。這種結(jié)構(gòu)化解決方案在降低功耗的同時(shí)能保持性能不變。與這種想法類似，另外一個(gè)常用的解決方案是將內(nèi)存組織成庫的形式來提高效率。這種情況下可以只激活正在訪問的庫，從而節(jié)省能量。 然而，追求更高性能并不總是正確的做事方式。有時(shí)以一定的吞吐量代價(jià)來降低功耗就足夠了。有些處理器專門用于特定的應(yīng)用，它們總是做相同類型的運(yùn)算，比如DSP。音頻處理、數(shù)字濾波器或數(shù)據(jù)壓縮算法是這些器件的典型應(yīng)用，評估這些應(yīng)用的指標(biāo)是一次操作需要多少能量、這些處理器做這些運(yùn)算需要花多長時(shí)間。 一個(gè)處理器如果在執(zhí)行算法時(shí)一開始就比其它處理器花更多的時(shí)間但消耗更少的功率，那么最終就具有更高的能效值。衡量這種效率的一個(gè)指標(biāo)是MIPS/W(每秒每瓦百萬指令數(shù))。雖然必須關(guān)注指標(biāo)MIPS，但一般來說具有更高M(jìn)IPS/W的器件被認(rèn)為具有更高的效率，這對嵌入式設(shè)備特別是電池供電設(shè)備來說尤其讓人感興趣。事實(shí)上，如今在服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域人們更樂意使用更高能效的處理器。 芯片的傳輸延時(shí) 限制晶體管密度提高和芯片工作頻率增加的另外一個(gè)主要因素是走線的傳輸延時(shí)。現(xiàn)代處理器中使用的GHz數(shù)量級高頻時(shí)鐘意味著一個(gè)時(shí)鐘周期不到一個(gè)納秒。這么短的周期時(shí)間正在成為影響信號傳播的一個(gè)問題。 減小芯片的特征尺寸將造成柵極長度和晶體管電容減小，從而有利于提高時(shí)鐘速率，克服容量范圍限制。但芯片上的走線由于更高的電阻和電容而變得越來越慢。走線的寬度和高度變小是走線面積縮小的根本原因，并導(dǎo)致更高的電阻。 由于走線表面積變小，與表面積有關(guān)的電容跟著降低，但相鄰走線之間的距離也在縮小，最終形成更高的耦合電容。耦合電容增加的速度大于表面電容減小的速度，因此抵消了表面電容減少效應(yīng)，并形成了更高總體走線電容的組合效應(yīng)。 走線傳輸延時(shí)直接正比于電阻與電容的乘積：Rw×Cw，因此隨著每一代縮小特征尺寸的新技術(shù)的推出，走線延時(shí)變得越來越長。隨著時(shí)鐘速率的加快和走線傳輸速度的變慢，信號可以傳輸?shù)木嚯x以及一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以到達(dá)的芯片面積將變小，最終導(dǎo)致通信范圍成為約束條件的新情況。 對于具體的微架構(gòu)來說，這不會(huì)成為大問題，因?yàn)殡娐烦叽鐚⒁远畏降谋壤s小。但為了充分利用更小的晶體管尺寸并獲得更高的IPC，設(shè)計(jì)師正在開發(fā)更為復(fù)雜的微架構(gòu)，生成更深的流水線，增加更多的執(zhí)行單元，并使用大的微架構(gòu)化結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，芯片上更高的通信延時(shí)將對尺寸甚至這些結(jié)構(gòu)的布局和最大工作頻率造成實(shí)際的限制。 舉個(gè)例子，Intel Pentium 4中使用的錯(cuò)誤預(yù)測流水線設(shè)計(jì)要求的級數(shù)是Pentium Ⅲ流水線的兩倍。由于具有更高的時(shí)鐘速率和走線延時(shí)，流水線必須劃分為更小的段，并且在每級流水線中做更少的工作。但走線延時(shí)變得如此之大，以致于Pentium 4流水線中有兩級是額外增加的，用于將信號從一級驅(qū)動(dòng)到下一級，以便有足夠的時(shí)間去執(zhí)行要求的運(yùn)算，因?yàn)橛泻芏嗟臅r(shí)鐘周期時(shí)間用在了信號抵達(dá)下一級上。 在ARM公司發(fā)布的高級微控制器總線架構(gòu)(AMBA)規(guī)范中，可以看到走線延時(shí)如何影響設(shè)計(jì)的另一個(gè)類似例子。在第一版AMBA規(guī)范中引入、設(shè)計(jì)用于互連高性能系統(tǒng)模塊的高級系統(tǒng)總線(ASB)使用了雙向總線和主/從架構(gòu)。 在第二版AMBA規(guī)范中，引入了高級高性能總線(AHB)，用于改善對更高性能的支持，并替代ASB。在這個(gè)新的總線規(guī)范中，獨(dú)立于其它功能的雙向總線被替換為復(fù)用總線機(jī)制。這種修改初看起來似乎增加了不必要的走線和電路復(fù)雜性。但在很高性能系統(tǒng)中的走線延時(shí)效應(yīng)使得有必要引入中繼驅(qū)動(dòng)器(與Pentium 4例子中看到的一樣)。這在形成組合式復(fù)用總線的單向總線中是可行的，但在雙向總線中很難實(shí)現(xiàn)。 面臨的挑戰(zhàn) 我們已經(jīng)看到有兩個(gè)主要的技術(shù)性限制在不斷影響摩爾定律和和處理器性能的持續(xù)改進(jìn)。但技術(shù)在不斷發(fā)展。縮小特征尺寸有助于提高晶體管密度和頻率，而設(shè)計(jì)師也仍在設(shè)法縮小晶體管尺寸，單顆芯片上的晶體管數(shù)量有望超過10億個(gè)。 業(yè)界預(yù)測，半導(dǎo)體技術(shù)工藝將在2014年達(dá)到35nm柵極長度，但實(shí)際上從2011年開始就已經(jīng)有人在用22nm工藝制造產(chǎn)品了。功耗和傳輸延時(shí)問題激勵(lì)著業(yè)界每個(gè)人去研究制造晶體管的新材料，而在現(xiàn)代處理器中已經(jīng)在應(yīng)用新的組織化和架構(gòu)化解決方案。高k值氧化柵(k指的是材料的介電常數(shù))正在替代用了幾十年的二氧化硅柵極電介質(zhì)，它能實(shí)現(xiàn)更薄的絕緣層并更好地控制漏電流。 新的低k值電介質(zhì)的使用使得減小耦合電容以及傳輸延時(shí)成為可能。實(shí)現(xiàn)單個(gè)大型單片內(nèi)核的傳統(tǒng)微架構(gòu)正在演變?yōu)楦唵蔚亩鄡?nèi)核微架構(gòu)，后者允許占大部分的局部通信，從而避免了大的延時(shí)。 最近一些芯片制造商，如Intel公司，發(fā)布了三維集成電路。Intel最新的Ivy Bridge系列處理器作為Sandy Bridge系列的后繼產(chǎn)品，采用了新的三柵極(tri-gate)晶體管技術(shù)，在提升處理能力的同時(shí)可以降低所需的能耗。 使用3D晶體管替代以前的平面結(jié)構(gòu)晶體管后，各級流水線可以彼此垂直堆疊，從而能夠有效地縮短塊與塊之間的距離，消除走線延時(shí)效應(yīng)。據(jù)Intel介紹，公司的22nm 3D Tri-Gate晶體管功耗在相同時(shí)鐘頻率下不到32nm芯片上的平面晶體管的一半，超過了從一代工藝升級到下一代時(shí)通常所取得的效果。 多內(nèi)核架構(gòu)的發(fā)展非常迅速。例如，Tilera公司已經(jīng)在單顆芯片上成功開發(fā)出首個(gè)100內(nèi)核的處理器。為了達(dá)到這種集成度，Tilera將處理器與他們的設(shè)計(jì)師稱之為“瓦片(tile)”的通信開關(guān)組合在一起。通過組合這些瓦片，Tilera公司能夠搭建出一個(gè)形成網(wǎng)狀網(wǎng)的硅片。處理器一般通過總線互相連接，但隨著處理器數(shù)量的增加，這種總線很快變成了瓶頸。借助Tilera用瓦片平鋪出的網(wǎng)，每個(gè)處理器連接一個(gè)開關(guān)，它們可以像點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)那樣相互通信。除此之外，每個(gè)瓦片可以獨(dú)立運(yùn)行一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。或者你也可以將多個(gè)瓦片組合在一起，運(yùn)行像SMP Linux那樣的操作系統(tǒng)。 目前業(yè)內(nèi)正在研究開發(fā)令人稱奇的石墨烯晶體管，每個(gè)晶體管都是用一片僅一個(gè)原子厚度的碳制造的。理論上，這些晶體管支持非常高的工作頻率，可以高達(dá)1THz(1000GHz)，甚至可以在柔性基板上制造這些晶體管。不過這種技術(shù)還面臨許多挑戰(zhàn)，我們可能還要等幾年才能看到這些先進(jìn)技術(shù)實(shí)用化。 本文小結(jié) 目前業(yè)界面臨的問題是如何充分發(fā)揮這種巨大的并行處理能力。但嵌入式軟件行業(yè)已經(jīng)在開發(fā)強(qiáng)大的工具來幫助構(gòu)建新的、復(fù)雜的許多內(nèi)核應(yīng)用世界。 針對共享和分布式存儲(chǔ)架構(gòu)的OpenMP和MPI建議、以及針對不同種類系統(tǒng)的并行編程制定的開放標(biāo)準(zhǔn)OpenCL(開放計(jì)算語言)都非常有前途。利用OpenGL可以為混合有多內(nèi)核CPU、GPU甚至DSP的系統(tǒng)開發(fā)出合適的軟件。但最大的挑戰(zhàn)可能是改變編程人員的想法，使他們學(xué)會(huì)如何編寫出適合在這些系統(tǒng)運(yùn)行的高度并行和可靠的軟件。 關(guān)于作者： Julio Diez是一位軟件工程師，在嵌入式領(lǐng)域擁有15年的豐富經(jīng)驗(yàn)。在過去6年中他致力于為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)通信和安全軟件，包括用于西班牙國家安全局的首個(gè)安全通信系統(tǒng)。他的興趣包括多內(nèi)核架構(gòu)、操作系統(tǒng)、軟件設(shè)計(jì)和并行編程。他擁有西班牙馬德里理工大學(xué)的電信工程學(xué)士學(xué)位。你可以通過juliod73@yahoo.es與他取得聯(lián)系。 |
