多核技術(shù)將是未來(lái)處理器發(fā)展的主要趨勢(shì)

從上世紀(jì)70年代微處理器誕生以來(lái)，性能、功能和功耗表現(xiàn)一直按照摩爾定律在提高。但是從大型機(jī)時(shí)代一直到現(xiàn)在的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，不同的應(yīng)用對(duì)各類處理器提出了非常不同的需求，由此產(chǎn)生了種類繁多的微處理器。由于技術(shù)的進(jìn)步和具體應(yīng)用的需求變化，處理器的發(fā)展有點(diǎn)紛繁復(fù)雜的味道。

以多核提升性能功耗比

Tensilica亞太區(qū)銷售總監(jiān)Sam Wang聲稱，多核技術(shù)將是未來(lái)處理器發(fā)展的主要趨勢(shì)，包括同構(gòu)和異構(gòu)多核技術(shù)，而不是一味追求更高的處理器主頻。

多核處理器把多個(gè)處理器核集成到同一個(gè)芯片之上。得益于片上更高的通信帶寬和更短的通信時(shí)延，多核處理器在并行性方面具有天然的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓/頻率、負(fù)載優(yōu)化分布等，可有效降低功耗。研究表明利用大量簡(jiǎn)單的處理器核提高并行性可以取得更好的性能功耗比。

Sam Wang認(rèn)為這種趨勢(shì)是多種因素綜合決定的。首先隨著半導(dǎo)體制造工藝進(jìn)入深亞微米時(shí)代，增加芯片中門電路的邊際成本變得越來(lái)越小，因此我們可以在單個(gè)芯片中集成更多的功能?？紤]到漏電功耗對(duì)整個(gè)芯片功耗的影響，靠提升主頻來(lái)提高單核性能不如將任務(wù)分配到運(yùn)行在較低主頻的多顆處理器上運(yùn)行，這樣設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以更好的控制整個(gè)芯片的功耗。而后PC時(shí)代到來(lái)，越來(lái)越多的芯片將用于電池供電的設(shè)備，3C設(shè)備將在單個(gè)手持或口袋設(shè)備中融合在一起，使得低功耗成為芯片設(shè)計(jì)的重要需求，而不再是摩爾定律帶來(lái)的“免費(fèi)贈(zèng)品”。

正是這些方面的巨大優(yōu)勢(shì)，所有的處理器廠商都推出了多核處理器產(chǎn)品，從最高端的服務(wù)器處理器到對(duì)功耗非常敏感的嵌入式處理器，都走上了多核處理器的道路。在移動(dòng)處理器市場(chǎng)占據(jù)絕對(duì)份額的ARM發(fā)布的Cortex A9是它首個(gè)多核心處理內(nèi)核，由此所有的主流處理器架構(gòu)都走上了多核化的道路。

即使在DSP領(lǐng)域，這一趨勢(shì)也有體現(xiàn)。德州儀器半導(dǎo)體事業(yè)部業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理丁剛就表示，在某些苛求高性能的應(yīng)用中，DSP多核方案會(huì)越來(lái)越多。

回顧整個(gè)計(jì)算機(jī)架構(gòu)發(fā)展史，從大型機(jī)到x86架構(gòu)的PC，發(fā)展趨勢(shì)從來(lái)都是以分布式的多核運(yùn)算替代高主頻的單核架構(gòu)，因此相信嵌入式微處理器設(shè)計(jì)也將按照這樣的趨勢(shì)發(fā)展下去。

多線程也是一個(gè)方向

在嵌入式處理器領(lǐng)域，MIPS的MIPS34K內(nèi)核是目前業(yè)界唯一可公開授權(quán)得到的多線程CPU內(nèi)核。MIPS中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)費(fèi)浙平認(rèn)為多核處理器和多線程技術(shù)是未來(lái)嵌入式處理器的一個(gè)方向，因?yàn)槎嗑€程處理器在一個(gè)CPU核上對(duì)軟件模擬出兩個(gè)邏輯處理器，以極小的硬件代價(jià)獲得相當(dāng)比例的總體性能和吞吐量提高。這可以算是MIPS的一個(gè)構(gòu)架方面的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗闹饕獙?duì)手ARM還沒(méi)有支持同時(shí)多線程技術(shù)的內(nèi)核產(chǎn)品。

原來(lái)的ARM處理器內(nèi)核確實(shí)沒(méi)有支持同時(shí)多線程技術(shù)，但ARM市場(chǎng)部經(jīng)理Kumaran Siva在Linley技術(shù)處理器大會(huì)上表示，ARM會(huì)根據(jù)不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求來(lái)支持多線程技術(shù)，首先可能會(huì)用于網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)和通信市場(chǎng)是對(duì)處理器要求最高的領(lǐng)域之一，多核多線程屬于基本的要求。在思科、華為等通訊設(shè)備商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備里，大量存在幾十核的微處理器。當(dāng)然在高性能領(lǐng)域，ARM還是一個(gè)追趕者，它的優(yōu)勢(shì)還是在低功耗方面。

多核和多線程技術(shù)的聯(lián)合使用是目前處理器理論和實(shí)踐中能實(shí)現(xiàn)的最強(qiáng)并行處理技術(shù)，多核和多線程技術(shù)的軟件基礎(chǔ)是多線程編程，如何分配和管理任務(wù)的線程，以及由此帶來(lái)的性能開銷都是整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)最核心的研究課題。

超標(biāo)量超流水線技術(shù)闖進(jìn)嵌入式領(lǐng)域

超標(biāo)量和超流水線技術(shù)現(xiàn)在廣泛用于高性能通用處理器上。在嵌入式市場(chǎng)，功耗從來(lái)是重中之重，這些技術(shù)應(yīng)用的相對(duì)較少。但是隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的提高和對(duì)高性能的個(gè)人/家庭娛樂(lè)/信息終端的巨大需求，嵌入式處理器的主頻和性能都在大幅增長(zhǎng)，其中最大的代表就是ARM的Cortex A系列，原來(lái)的ARM11處理器一般主頻只能達(dá)到500MHz左右，而現(xiàn)在高端手機(jī)使用的Cortex A8已經(jīng)達(dá)到了1GHz主頻，A9更上層樓，最高可達(dá)1.5GHz，最新發(fā)布的A15內(nèi)核可以達(dá)到2.5GHz。提高主頻的方式主要靠?jī)蓚€(gè)方式：制造工藝的改進(jìn)和拉長(zhǎng)的流水線。這種主頻倍增的情況顯然是兩種方式共同作用的結(jié)果，肯定也加入了大量的分支預(yù)測(cè)電路做到亂序執(zhí)行，否則新的內(nèi)核也不可能達(dá)到原來(lái)內(nèi)核的3～5倍性能。而MIPS的費(fèi)浙平也自豪地宣稱，僅使用普通設(shè)計(jì)流程和物理IP，MIPS74K 主頻在TSMC 40nm 工藝下能達(dá)到2.4GHz以上的主頻。MIPS74K正是雙發(fā)射不對(duì)稱亂序執(zhí)行超標(biāo)量處理器，擁有業(yè)界最高單核全速性能。

顯然，在服務(wù)器和桌面市場(chǎng)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的主頻和性能大戰(zhàn)在嵌入式領(lǐng)域又要上演了，手機(jī)和平板電腦市場(chǎng)是其主戰(zhàn)場(chǎng)，高主頻多核心的處理器是所有消費(fèi)類電子產(chǎn)品的主要賣點(diǎn)。當(dāng)然由于嵌入式產(chǎn)品的特性，功耗永遠(yuǎn)不會(huì)被各大廠商忘記。英特爾甚至為了降低產(chǎn)品功耗進(jìn)入嵌入式市場(chǎng)，把Atom處理器的分支預(yù)測(cè)電路都閹割了，真可謂是殊途同歸，目的當(dāng)然是為了達(dá)到特定應(yīng)用的要求。

DSP和MCU的指令擴(kuò)展

指令集構(gòu)架屬于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的核心，它的發(fā)展歷程也就是整個(gè)處理器的發(fā)展史。歷史上的計(jì)算機(jī)分為CISC和RISC兩種指令集構(gòu)架。這兩種指令體系在80和90年代曾經(jīng)有大量的爭(zhēng)論，現(xiàn)在RISC處理器占據(jù)了絕對(duì)主流的地位，就是以CISC面目出現(xiàn)的x86處理器也早開始使用RISC內(nèi)核。

指令體系的進(jìn)步可能是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)最核心的改進(jìn)，也是難度最大的部分，近年來(lái)也難以有實(shí)質(zhì)的突破。但在RISC微處理器發(fā)展過(guò)程中，產(chǎn)生了超長(zhǎng)指令字（VLIW）微處理器，它使用非常長(zhǎng)的指令組合，把許多條指令連在一起，就可以并行執(zhí)行。VLIW技術(shù)在DSP領(lǐng)域得到了實(shí)際廣泛的應(yīng)用，TI、ADI和CEVA的DSP內(nèi)核都采用了這種指令構(gòu)架。

德州儀器的丁剛和ADI的張鐵虎都認(rèn)為：SIMD (多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重?cái)?shù)據(jù))和VLIW (超長(zhǎng)指令字)將會(huì)在新一代高性能DSP處理器中占據(jù)主導(dǎo)地位。

Tencilica的Sam Wang指出，傳統(tǒng)的固定架構(gòu)處理器靠提升主頻來(lái)提高性能，而Tensilica的可配置處理器通過(guò)添加專用指令提高數(shù)據(jù)處理的效率，從而在較低主頻下達(dá)到相同或更高的性能。

飛思卡爾微控制器事業(yè)部高級(jí)系統(tǒng)工程師 Charlie Wu則認(rèn)為，32位MCU也會(huì)增加DSP所具有的乘累加指令，但是只是整數(shù)指令。這樣MCU也具有一些DSP的功能，可以進(jìn)行一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的濾波器計(jì)算。

愛特梅爾公司亞太區(qū)戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān)曹介龍則強(qiáng)調(diào)，隨著新一代具DSP功能的MCU的面世，入門級(jí)DSP和普通MCU的差別變得越來(lái)越小，界限也變得越來(lái)越模糊。愛特梅爾具有整數(shù)、定點(diǎn)DSP算法、單周期乘法和累加指令的32位AVR MCU就是一個(gè)很好的示例。

異構(gòu)微處理器日趨流行

多核處理器可以分成對(duì)稱多處理SMP和非對(duì)稱多處理AMP，而非AMP又可分為異構(gòu)和同構(gòu)。異構(gòu)多處理使用不同類型的處理核心運(yùn)行不同的應(yīng)用，最典型的搭配方式有MCU+DSP、DSP+FPGA、MCU+FPGA等。異構(gòu)多處理的好處是可以同時(shí)發(fā)揮不同類型處理器各自的長(zhǎng)處來(lái)滿足不同種類應(yīng)用的性能和功耗需求。應(yīng)用在索尼PS3游戲機(jī)上的CELL處理器就是這樣一種典型的異構(gòu)多處理結(jié)構(gòu)，這種處理器內(nèi)含一個(gè)PowerPC處理器核心和8個(gè)SPE單元，當(dāng)時(shí)給整個(gè)業(yè)界帶來(lái)空前的性能和不凡的功耗表現(xiàn)。而且為了讓異構(gòu)處理有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，Kronos組織發(fā)布了OPENCL標(biāo)準(zhǔn)，可以協(xié)調(diào)不同的處理單元共同計(jì)算。

前面提到的處理器里面增加DSP指令擴(kuò)展，也可以看作是一種異構(gòu)多處理，等于把MCU和DSP融合在了一起。而NXP即將推出集成Cortex M0和M4的所謂非對(duì)稱多處理器，也是這一趨勢(shì)的最佳注腳。

ADI技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張鐵虎認(rèn)為：“微控制器是低成本的，主要執(zhí)行智能定向控制任務(wù)的通用處理器能很好執(zhí)行智能控制任務(wù)，但是它的缺點(diǎn)就是數(shù)字信號(hào)處理功能比較差，而DSP則能彌補(bǔ)這一功能缺陷。許多應(yīng)用都需要兼具智能控制和數(shù)字信號(hào)處理兩種功能，因而，把DSP和微處理器進(jìn)行結(jié)合，用單一芯片實(shí)現(xiàn)這兩種功能，將會(huì)大大加速個(gè)人通信機(jī)、智能電話、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，減小PCB體積，減小功耗，降低整個(gè)系統(tǒng)成本。”

FPGA與MCU兩個(gè)產(chǎn)品的融合也并不新鮮。熟悉Altera產(chǎn)品線的工程師們都清楚，除了Altera自己的Nios核之外，還有ARM的Cortex M1、飛思卡爾的Coldfire。而Xilinx本身，也是在自產(chǎn)自銷的MicroBlaze核之外，還有PowerPC核。即使是ARM公司與FPGA的合作，就能數(shù)出一堆來(lái)，從Altera到Actel，再到Xilinx。甚至英特爾也將自己的Atom處理器和Altera的Arria II GX FPGA集成在一起推出代號(hào)Stellarton的所謂可配置處理器。

Altera的軟件及工具營(yíng)銷部的高級(jí)總監(jiān)Chris Balough表示，關(guān)于FPGA和CPU的關(guān)系，整合這些器件的趨勢(shì)十多年前就出現(xiàn)了，而且這個(gè)趨勢(shì)將日趨加速。

而Xilinx亞太區(qū)及大中華區(qū)市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)張宇清則斷言：融合MCU和DSP以及FPGA的SoC可稱為理想的SoC。

但是，隨著融合技術(shù)的廣泛應(yīng)用，融合平臺(tái)存在的許多問(wèn)題也漸漸浮出水面，張鐵虎認(rèn)為有以下問(wèn)題有待解決：(1)功耗有待降低。DSP和MCU的融合平臺(tái)擁有更高性能的同時(shí)，也會(huì)比單一的DSP或MCU產(chǎn)生更高的功耗。便攜式設(shè)備對(duì)于功耗是非常敏感的，也就意味著首當(dāng)其沖的是如何進(jìn)一步降低功耗。(2)應(yīng)用環(huán)境的完善與更新，即為用戶提供更加簡(jiǎn)易、高效的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。(3)復(fù)雜程度的降低。嵌入式系統(tǒng)日益復(fù)雜化，因此，盡可能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，變得越來(lái)越重要。(4)成本控制。任何一個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展都有著對(duì)成本控制的嚴(yán)格要求，如何在提高性能的同時(shí)又能有效控制成本，提高性價(jià)比，是所有開發(fā)廠商的根本利益之所在。

不可逆轉(zhuǎn)的SoC集成

由于集成電路集成度不斷提高，將完整計(jì)算機(jī)所有不同的功能塊一次直接集成于一顆芯片上的SoC片上系統(tǒng)就成為整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，也是嵌入式微處理器本身的一個(gè)發(fā)展方向。處理器集成各類功能模塊和外圍接口直接組成完整的計(jì)算系統(tǒng)可以顯著降低系統(tǒng)成本和功耗，提高系統(tǒng)可靠性。這在嵌入式市場(chǎng)已經(jīng)成為絕對(duì)的主流，因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)功能相對(duì)固定，對(duì)可靠性、成本、功耗要求更高。

飛思卡爾Charlie Wu認(rèn)為DSC（數(shù)字信號(hào)控制器）會(huì)大量應(yīng)用在新能源領(lǐng)域，如數(shù)字電源，太陽(yáng)能發(fā)電；混合動(dòng)力汽車的電池充電管理等。

NXP的金宇杰則認(rèn)為：今后MCU的發(fā)展方向就是不斷集成各種模擬接口以降低系統(tǒng)整體成本，甚至連CAN這樣原來(lái)非常昂貴的接口，以后會(huì)因?yàn)榧傻叫酒瑑?nèi)而可以進(jìn)入工業(yè)界。

但是今年在桌面處理器市場(chǎng)也出現(xiàn)了這種趨勢(shì)。比如最近AMD發(fā)布的APU就是把CPU、GPU、內(nèi)存控制器等融合在一塊芯片上，由于集成度增高，系統(tǒng)的整體功耗大幅度減少，從而得以進(jìn)入上網(wǎng)本、一體機(jī)、HTPC甚至嵌入式市場(chǎng)。

專有 vs 開放

由于ARM在移動(dòng)處理器市場(chǎng)的極端成功，它開放的IP授權(quán)模式和封閉的專有處理器模式成為整個(gè)業(yè)界討論的一個(gè)話題。由于這幾年Cortex M系列內(nèi)核的成功推廣，各主要MCU廠商都推出了ARM核心的MCU產(chǎn)品，幾乎業(yè)內(nèi)所有的人都認(rèn)為ARM通用內(nèi)核MCU將會(huì)占據(jù)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。的確M0核在成本、功耗方面已經(jīng)非常接近8位MCU，而在代碼量方面可以比原來(lái)的8051處理器降低30%～40%，可以大幅降低片上Flash的需求。再加上ARM內(nèi)核的通用性，對(duì)于軟件開發(fā)人員來(lái)說(shuō)實(shí)在方便。

ARM授權(quán)模式比英特爾的x86處理器市場(chǎng)更加開放更加有活力。而且處理器IP授權(quán)廠商不止ARM一家，還有MIPS科技，這家授權(quán)廠商的開放性更高，愿意給客戶提供指令集架構(gòu)的授權(quán)。在DSP領(lǐng)域，也有類似角色，CEVA是最大的DSP內(nèi)核授權(quán)商，2009年占據(jù)了78%的市場(chǎng)份額。

當(dāng)然專有的處理器也有通用處理器無(wú)法企及的優(yōu)勢(shì)，愛特梅爾公司亞太區(qū)戰(zhàn)略營(yíng)銷總監(jiān)曹介龍解釋說(shuō)，通用MCU架構(gòu)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域擁有很好的“橫向”市場(chǎng)覆蓋度，而專有MCU架構(gòu)則在某些應(yīng)用中擁有更好的“垂直”滲透力，例如電容式觸摸屏、智能電池管理、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用。因而，對(duì)于優(yōu)秀的MCU供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，最重要的是能夠同時(shí)支持和提供采用通用MCU架構(gòu)和專有MCU架構(gòu)的優(yōu)良的MCU解決方案。

Microchip微控制器技術(shù)和開發(fā)部門產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Fanie Duvenhage認(rèn)為專有系統(tǒng)的存在不單單是技術(shù)的原因，更多還是各個(gè)廠商戰(zhàn)略的考慮，不想完全被ARM牽著鼻子走，除非市場(chǎng)的壓力實(shí)在太大，否則各個(gè)廠商不會(huì)輕易放棄自己的專有構(gòu)架。另外4位和8位MCU市場(chǎng)也很難被32位的ARM處理器完全取代。

因此，我們有相信與服務(wù)器市場(chǎng)類似的情況將再次上演，專有的處理器依靠系統(tǒng)廠商的支持仍舊保持一定份額，但是市場(chǎng)主流將是開放的架構(gòu)。

X86 vs ARM

本來(lái)英特爾和ARM在各自的領(lǐng)域呼風(fēng)喚雨，攻城略地?？墒钱?dāng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算時(shí)代的到來(lái)，井水不犯河水的日子到頭了，他們的產(chǎn)品策略正不斷地向?qū)Ψ街髟椎氖袌?chǎng)滲透。

根據(jù)InStat Research 的調(diào)查結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的處理器市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將于2013 年達(dá)到 22.3%，2013年7億5000萬(wàn)個(gè)處理器中的一半將被搭載在智能手機(jī)上。智能手機(jī)銷量預(yù)期將由2008年的2億部上升到2013年的5億部。不僅僅是預(yù)期銷量令人咂舌，盡管整個(gè)手機(jī)市場(chǎng)正在萎縮，但智能手機(jī)的實(shí)際銷量卻在大幅增長(zhǎng)。

據(jù) ARM 最近的描述，其收益的64%都來(lái)自于移動(dòng)市場(chǎng)。英特爾也希望能分上一杯羹，它可不想缺席這個(gè)急速增長(zhǎng)中的市場(chǎng)。巨人英特爾和ARM這個(gè)小巧靈活的大不列顛公司之間的戰(zhàn)線正在悄然拉開。當(dāng)然ARM自己不是處理器生產(chǎn)商，它只是整個(gè)處理器生態(tài)系統(tǒng)的一部分，直接跟英特爾交鋒的是高通、nVIDIA等處理器廠商。

英特爾針對(duì)嵌入式市場(chǎng)推出的Atom處理器是一款簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，去掉分支預(yù)測(cè)電路，只支持順序執(zhí)行的低功耗處理器。相比桌面處理器它的功耗已經(jīng)相當(dāng)小，可是相比ARM處理器，仍舊是電老虎，因?yàn)閤86處理器相比純RISC處理器總是會(huì)多出一些解碼譯碼電路，這是維持自己代碼兼容性的必然代價(jià)，也許是無(wú)法跨越的構(gòu)架鴻溝。英特爾想通過(guò)自己獨(dú)步天下的制造工藝來(lái)獲得功耗優(yōu)勢(shì)，理論上可行，但實(shí)際的產(chǎn)品Medfield仍舊沒(méi)有正式公布，所以業(yè)內(nèi)人士普遍不看好它在移動(dòng)市場(chǎng)的前景。

ARM去年9月已經(jīng)公布了Cortex A15MP內(nèi)核，雖然不是先前預(yù)測(cè)的64位處理器，但是支持?jǐn)U展尋址能力，可以突破4GB的內(nèi)存限制，還支持硬件虛擬化，顯然已經(jīng)可以進(jìn)入桌面甚至服務(wù)器市場(chǎng)。再加上微軟已經(jīng)宣布會(huì)開發(fā)ARM版本的Windows8，它的前景反而更加被業(yè)內(nèi)看好。畢竟能耗效率是整個(gè)行業(yè)越來(lái)越關(guān)心的指標(biāo)，ARM處理器在這方面有著天生的優(yōu)勢(shì)。

由于這兩家的實(shí)際產(chǎn)品都還沒(méi)有發(fā)布，實(shí)際的性能和功耗都還是未知數(shù)。雖然業(yè)內(nèi)普遍更加看好ARM所代表的整個(gè)陣營(yíng)，但是英特爾畢竟是處理器的巨人，在這方面的技術(shù)積累無(wú)人可敵，說(shuō)不定會(huì)有出乎大家意料的產(chǎn)品誕生，進(jìn)而改變整個(gè)行業(yè)的力量對(duì)比。