架构与ISA:移动处理器的真正关键

我最近参加了the Linley Tech Mobile Conference (Linley Tech移动技术研讨会),这是每年在硅谷连续举办两天的技术研讨会,聚焦于移动处理议题。参与的厂商包括Synopsys、英特尔、GLOBALFOUNDRIES、高通(容我补充,这些都是Imagination日益壮大的生态系统伙伴)以及其他许多公司。

今年,在圣塔克拉拉熟悉的景色和Hyatt Regency酒店中,这场盛会再度登场。这是让媒体、分析师、资深工程师和经理人等众多科技产业从业人员齐聚一堂的好地方。

我的简报是排在第三个议程,主题为移动CPU。我解释了为什么尽管所有的趋势都朝高端软件开发和抽象级发展,而不重视底层的CPU与GPU指令集架构(ISA)。但是当设计CPU、GPU和移动装置用的其他处理器时,利用从一开始就为可扩展性建构的高效处理架构还是会带来显著的差异。

功率和日益缩短的产品开发周期 ─ 移动处理器的竞争态势
移动产品开发目前面临着两个非常不同的挑战,这些挑战限制了运算技术进展的脚步,并又返过来直接影响到移动应用处理本身。

一方面,功率是每一家主要处理器IP和芯片供应商试图主导市场的终极战场。因此,系统设计人员必须谨慎在高效能和低功耗间取得平衡,这也影响着每个SoC设计的重大决定。此议题已经主导了28纳米设计,并将会继续影响20纳米以下的SoC设计。但更重要的是,散热议题已成为超越移动应用领域,从嵌入式运算和移动运算扩大到网络、M2M和物联网等各种市场的关键考虑方面。

我们遭遇的另一个重大挑战是产品开发周期越来越短。过去,18~24个月的开发周期是常态,但现在我们看到有些客户将时间缩短到每6~12个月就推出新款芯片。这需要投入庞大的设计工作,而且当产品要满足不同层级市场的需求时,耗费的研发精力会更大。

融合趋势使得一些传统以来不会快速推出新产品的市场也大幅加速了设计周期,像是智能电视、便携式游戏机或连网汽车都需要采用最新科技,才能获得已习惯于使用口袋卡片个人计算器的消费者青睐。

不管是针对重复使用或是能够更妥善地在单一芯片上分配不同的运算资源,程序代码可移植性都是解决低功耗与缩短开发周期挑战的解决方案。这是异构处理革命的基础,也是能将这一愿景变成现实的技术,同时可避免程序代码对低端硬件的依赖性。今天的CPU会执行许多通用软件,但是,现有SoC各功能方块的利用率必须提升,才能适应未来效能增加的需求。LLVM便是一个很好的例子,它免除了程序对底层ISA的依赖,并能实现程序代码横跨不同装置与架构的可移植性目标。

PowerVR GPU推升异构处理效率
Imagination的PowerVR ‘Rogue’ 架构 可为移动装置提供约1 TFLOPS的效能。定义系统效能和特性的一个重要部分現已与绘图和这些高度平行处理器的运算潜能有关。

传统以来,绘图效能主要是用来推动装置的显示功能。

但由于绘图处理具备了足夠的功能,所以提升SoC的效率将取决于发挥GPU的潜力。这可通过新的和增强的API、可扩充软件解决方案和统一的编程环境来实现。

重新认识RISC架构概念

尽管此趋势已逐渐兴起,CPU仍然是系统中主要且最常用的通用可编程单元。Imagination的MIPS架构发展可追溯到30年前John Hennessy和他的团队将编译程序理论的专业知识带到单纯的RISC架构构建中,推动了优化编译程序的进展。

30年之后,这样的想法刚好与业界期望在运行期间采用JIT/动态编译程序技术,以向程序代码可移植转移的趋势相同。MIPS ISA的特性包括每指令单一运算、简易寻址模式、非预测执行或非整数条件位等,可为现实世界带来实际效益,以协助系统设计人员实现更高的效能,开发出高频执行的高端、超标量、乱序CPU,并同时保持低功耗特性。

也就是说,尽管这些技术能让业界脱离底层ISA的历史包袱,但固有的架构特性对动态编译效能、如何有效地将架构构建在芯片中,以及支持开放标准与操作系统来说,仍然非常重要。

proAptiv CPU是Imagination无须妥协的MIPS架构如何能带来高效能、低功耗CPU的最好例子。举例来说,架构中缺乏预测性指令可简化分支预测方法的建构,这是proAptiv CPU具备领先的同级预测效能的主要原因。

进一步提升的架构效率与微架构设计选择,使得此核心在推出时便能提供同类产品的最高CoreMark/MHz CPU分数,与竞争性CPU方案相比,面积更是缩小了约60%。

移动CPU ─ 不仅是应用处理器
但应用处理器不仅是移动SoC中的CPU。其他的功能,像基带中的通信处理,它与移动装置的网络功能有关,也非常重要,而且也能受益于其它的架构特性。多线程处理器能以与单核心CPU相近的面积与功耗提供更高效能。

这能通过内置的硬件调度器和输出限定器(yield qualifier)?,来实现更佳的实时/确定性处理需求和服务质量(QoS)。运用我们的多线程和多核解决方案,客户能用我们和合作伙伴共同开发的优化LTE基带堆栈和多家供应商提供的多线程RTOS来建立优异的基带解决方案。与采用单线程的内核相比,利用此技术能为LTE流量提升37~53%的数据处理量。

总之,异构运算的基本技术已开始用来推动移动运算的发展。Imagination提供广泛的IP产品组合,以拥抱可扩展、可移植、高度开放和标准导向的未来。我们相信,架构(CPU、GPU或其他)应根据它们的真实效能来相互竞争,产业将不再像过去一样受限于单一ISA架构,而会有更快速的发展。

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