殊途同归的技术发展之路

袁怡男

對于IT行业来说，8月初是一年里相对平淡的日子。这时候正适合回头看看，研究一下技术发展的轨迹。本期，我就来聊聊这些年CPU的发展情况。大家知道，现在CPU主要是x86和ARM两大架构各领风骚，其架构变化之路既有相同之处，也有各自灵光乍现之时。

早期CPU的发展有很多相同之处。比如：开始大家都是单核，虽然各家的内部架构也有差异，但主要的竞争通常都会归于频率低向频率高的提升。随后，一方面，制程逐渐成为频率提升的瓶颈，另一方面，CPU内部架构设计思路的不同带来的性能差别也很大。比如，在AMD很困难的那10年里：一方面自家工厂的生产工艺不如对手，另一方面是创新的想法带来了激进的CPU内部架构，浮点性能上不去，频率也上不去。而英特尔的酷睿架构则称霸了10年PC市场。

再向后发展，频率和功耗的平衡往往成为难题。早期在CPU内部架构通常每8～10年才会有大变化的前提下，日益高涨的性能需求对于单核频率的提升要求会不断提高，但制程的进步速度没那么快，强行提升频率必然带来高功耗，频率终归是有瓶颈的。在PC的历史上，这样的瓶颈不止一次，比如1GHz、2GHz、3GHz、4GHz和5GHz都曾经是数年难以突破的桎梏。在手机端，历史上的情况也差不多，2GHz附近曾经是性能与功耗控制的平衡点，哪怕是现在7nm制程的高通骁龙865+，单核3.1GHz左右基本也是性能与功耗平衡的极限了。

纵向提升性能遇到壁垒，要想进一步提升综合性能，就只能走并行路线。坦率地说，在很长一段时间里，PC级别的软件对多线程的需求并不高，但CPU厂商要战胜竞争对手，总得有新卖点，所以支持多线程就成了必然选择。早期PC的x86架构核心因为内部架构中有两套寄存器，所以开始选择用两套寄存器来存储两个线程指令，当一个执行线程因等待数据处于停顿时，立即执行另一个线程，避免处理器计算资源闲置，提升效率，这就是“超线程”技术。不过通过减少闲置时间来实现的多线程毕竟性能提升不够高，所以后来更直接的选择就是双核、三核。再往后，核心数量越来越多，大约是以2的倍数增长，而类似“超线程”的技术也没浪费，高端型号就加上它。虽然也闹过所谓“真假多核”的争吵，但AMD和英特尔其实一直在互相学习，谁的选择更好，另一个的选择终归也会靠过去。

核心数量越多，最远两个核心之间在数据同步时的性能损耗就越大，因为需要同步数据时的延迟越来越高，所以多核心的内部架构设计逐渐成了难题。双核的时候，直接用总线连上，然后再协调一下就好;四核、八核的时候，交叉连上，再MCM封装。但更多核心的时候，当时领先的英特尔就选择了环状总线;再多，用两个环状总线，用CrossBar连接两个环......还要更多核心，上Mesh结构，最大核心数量扩展到28个！而AMD一直通过MCM多芯片封装技术来实现多核处理器，在Zen2架构时更灵机一动：4个核心组成一个CCX，每两个CCX再组成一个CCD，然后每个CCD都连上中间的I/O模块，大大降低延时！不但把一个封装里的最大核心数提升到64颗，在数量上超过了英特尔的56个，较之前Zen架构时32颗核心的性能也大幅提升！

另一方面，ARM架构主要用在手机上，所以更关心的是功耗控制。更多的核心就意味着更多的耗电，你看苹果之前就很不喜欢加核心。于是ARM阵营的“big.LITTLE”组合创意横空出世：区分大小核心，让性能需求高的任务用大核心，性能需求低的任务用小核心。ARM架构的CPU生产商还进一步区分了“大、中、小”三级核心，进一步提升效率。甚至连英特尔也看到了这种架构的好处，在Lakefield混合处理器上就选择了“1个酷睿+4个凌动”的组合。这对于需要续航能力的超轻薄笔记本来说应该是个很好的解决方案，后续我们很快也会有实际测试。

综合来看，在CPU的发展前行之路上，除了制程是一个硬桎梏以外，竞争者之间灵光一现的创新往往就会带来领先，但各家公司的选择也很灵活，如果证明是好的思路，很快就会去学习，殊途同归。所以长期来看，终归是各领风骚那么几年。