AMD向异构多核处理器迈出第一步

从2004年下半年起，AMD和Intel这两大主流处理器供应商开始向多核处理器进军。两家公司尽可能在芯片上集成更多的处理核，同时简化设计减少系统功耗并提高整体性能。多核处理器的实质是在同一芯片中集成很多同样的处理核。这一方法降低了设计的复杂性，减小了处理节点，并成为多核处理器发展的一种趋势—这种趋势显然对于服务器应用来说更合适，因为服务器通常为多用户提供固定且有限的功能。

与处理器技术的进步为电脑带来性能上的提升相同，GPU和系统芯片组技术的发展同样使电脑受益匪浅，这一点在特定的应用中体现得尤为明显。如果应用软件使用了多线程技术，增加的处理核能分担部分功能从而提高整体性能。但是，处理核的增加也加大了软件优化的难度。在利用多线程技术方面，软件已经落后于硬件。因此，MPR(Micro Prosessor Peport《微处理器报告》)认为异构多核处理器对PC最为合适。此类处理器还集成了其他特殊逻辑功能来满足各种应用和使用模式，例如I/O加速，图像处理等。市场已经准备好迎接处理器的如此重大的转变了吗?AMD认为是，并计划于2008年末开始这一转变。

同构VS异构

异构多核处理器的概念并不新鲜。早在10多年前，嵌入式市场就提供这样的解决方案，甚至一些新的娱乐用处理器，例如IBM的CELL处理器也是用此类概念设计的产品。然而对于AMD和Intel这两位PC和大型服务器处理器的领军人物来说，这是一个全新并可怕的设计理念。两家公司都害怕这一趋势，因为设计这样的处理器并非易事。首先，所有与核有关的主逻辑器件，必须在一致的时钟下工作。在过去，处理器，GPU，存储器和I/O这些独立器件在同一时钟下工作，几乎是“不可能完成的任务”。此外，如果公司没有这方面的专家，可能需要购买相关的IP。即使有这方面的专家，也会存在侵犯他人专利的潜在可能性。

开发这样一种处理器需要做出很多抉择。是为特定的客户或使用模式设计芯片还是为大多数客户设计芯片？为特定客户和使用模式开发芯片将可以做出更优化的设计，但可能会增加设计的难度，使设计公司的负担加重。另一选择是通过SoC模式中可替换的IP block使设计更具灵活性。但是，这一方案与优化设计以降低处理器和系统的能耗的目的相矛盾，并可能降低整体性能，增加处理器的复杂性。此外，一个公司能在保持开发进度，产品性能和能量需求的同时保持技术上的领先吗？历史证明这是不可能的，这也解释了为什么过去异构多核处理器只在嵌入式市场使用—因为围绕使用模式进行设计，并不需要最顶尖的性能。最后问一句，这是使用硅和制造资源的最优方法吗？处理器的性能或其他方面，能否通过增加处理核，高速存储器，或增强前端总线来提高？制造方面，使用异类多核架构所引起的晶圆变大以及潜在的产量和收益的负面影响是否划算？

向异构多核处理器转变是一个重大的转变，可能引发硅和系统供应商的分流。在历史上，类似的转变要经历很长的时期，例如算术协处理器的同化。然而，市场变化莫测，企业需要创新来保持竞争的优势。

ATI的价值

正如我们所预测的，AMD并购了ATI。2006年10月25日，AMD宣布下一代处理器的开发将嵌入图形处理核。这标志AMD向为主流计算机提供异构多核处理器迈出了第一步。为了给这一转变提供一个良好的环境，AMD与独立的软件供应商展开合作来开发新的指令，例如矢量浮点指令以及支持“Fusion”架构的工具。第一批“Fusion”处理器有望在2008年末或2009年初上市。

虽然没有透露新处理器的细节，AMD还是提供了一些关键性能的线索。AMD将在处理器中嵌入一个图形处理核来消除处理器冗余，这个图形处理核与X86核共享高速缓存，主存储器和I/O等资源。这种方法和Intel的4核处理器使用多个模块，以及系统集成芯片或CELL处理器那样使用单独的IP块不同。这种程度的嵌入使图形核本质上成为另一个处理器核。这与AMD目前的双核及多核处理器很像。在这种方式下，图形核就像一个多用途核，可以实现其它功能，例如矢量浮点计算。这使得该处理器对PC和服务器具有吸引力。MPR认为，AMD在未来一段时间内可能继续采用将两个或两个以上x86内核与CPU相结合的架构。到2007年中期，AMD将在双核处理器中使用3级高速缓存架构。2007年末或2008年初AMD有望研制成功移动版或低电压处理器，它们将是新处理器产品线的一个重要组成部分。

AMD的目标之一是在保持或减少处理器TDP（Thermal Design Power）的同时提高系统的每瓦性能。
并希望使用类似的方法将X86技术用于消费电子与嵌入式应用之中。在并购ATI时AMD首次表示：在此类应用中进一步降低能耗的比较快捷的方法是使用单X86核来降低晶圆尺寸，能耗和费用。第一款嵌入式和主流应用将在2008年末采用新的45nm工艺，同时AMD和Intel同样瞄准了8核服务器处理器。

AMD表示新的Fusion处理器将定位于整个市场，但是目前所有的AMD处理器和ATI系统芯片组以及GPU产品的开发工作将继续进行。由于目前无法确定AMD怎样为其Fusion处理器定价以及Fusion处理器的性能如何，MPR认为Fusion处理器的使用最初被限制在某些应用领域，例如移动电脑和嵌入式系统，以及特殊的服务器，例如瘦身客户机或刀片服务器。

多重挑战

在通向异构多核处理器的道路上，AMD面临许多挑战。Intel是AMD要面临的第一个，也使最大的挑战。Intel已经宣布，从2006年第4季度开始，他们针对服务器，高端桌上电脑，甚至主流PC引入4核处理器。Intel还宣传其Terascale计算概念，即在单个处理器上集成数十个甚至数百个内核。看起来Intel倾向于同构多核处理器，而其他特殊功能通过外部I/O实现。AMD的策略能像开发64位指令集一样再次引发Intel的计划的改变吗？除拥有Imagination Technology Group的知识产权许可外，Intel还拥有一个国际化图像工程师团队。此外Intel还可以与Nvidia合作或并购Nvidia来获得其它所需的技术。在2006年秋天的Intel信息技术峰会(IDF)，Intel首次表示在以后的设计中使用异核架构，但是并没有透露细节。

时间是AMD面临的第二个重要挑战，AMD计划与业界展开合作，特别是软件公司，为其嵌入式图形处理核开发新指令。这可能需要长期的努力，特别是在众多公司加入参与进来的情况下。AMD表示新的Fusion处理器最早在2008年末投入生产。虽然Intel没有发布其单晶四核心，MPR预测它将使用新的45nm工艺生产，最早在2007年第四季度投入市场。如果事实果真如此，这将为Intel争取一年多的时间来做出反应，Intel还可能用其强有力的产品将AMD赶出市场。

图1 MPR预测的AMD异构处理器框图

时间挑战的另一方面来自于图形处理器，处理核，内存控制器以及处理器中其它功能元件开发进度的协调。由于上市时间和存储器架构转变、GPU与CPU复杂性息息相关，这一目标在过去使用独立元件是不可能完成的。如果AMD要跟上产品开发进程，这将是一个重大的挑战。此外，嵌入式处理器设计将导致更复杂的设计，尽管可能比使用独立元件简单些。

正如前面提到的，设计和生产能力都是重要因素。并购ATI使得AMD获得了重要的人力以及生产资源，这些资源可用于Fusion处理器开发，但是这笔费用会被转嫁到其它产品上吗？AMD已经表示其将继续提供没有嵌入图形处理器的主流处理器，嵌入图形处理器的系统芯片组和独立的GPU，所以我们还不清楚AMD愿为Fusion的成功付出多大的代价，以及Fusion处理器和其它产品之间如何定位。

此外，Fusion处理器需要一条产能更大，复杂性更高的生产线，但目前AMD的生产力已经十分紧张。不过2008年末，AMD将把Fab30的生产能力提升为300mm，届时将被称为Fab38。新加坡特许半导体的加入可以进一步提高AMD的生产能力。

最后一方面的挑战来自于市场的认可度。以前开发嵌入图形处理器或其它功能的处理器的努力常被严重的产品延期和不尽如人意的性能所累。因此导致嵌入式处理器的使用范围仅限于嵌入式应用。甚至和嵌入式有关的术语，例如SoC,集成式设计，模式设计也常常给市场带来负面影响。AMD不应仅限于证明对主流PC市场来说嵌入式设计已经成熟，还要让消费者相信这一点。

AMD的动力

尽管面临诸多挑战，AMD有历史和市场两方面的动力促使其开发嵌入式处理器。2004年AMD与Microsoft合作为x86架构引入了64位指令。AMD还率先将内存控制器集成到架构中，Intel虽然没有这样做，但是承认将来这么做是必需的。这次处理器架构的创新以及生产能力的提升使得AMD成为强有力的竞争者，甚至在某些领域成为技术领导者。AMD的市场动力来源于其通过增强与OEM之间的联系以及通过公开标准建立的良好的生态系统。

AMD能引导市场向异构多核处理器方向发展吗？答案是：只靠自己不行。但是如果有合作团队以及软硬件供应商的支持，AMD很有希望成功。其中一个关键的因素是AMD还保持其处理器的兼容性，只是通过增强指令和生产能力来提高其处理器的性能。向多核处理器转变还给IC产业带来了重要的好处——在提高性能的同时降低能耗。

在处理器上增加更多的功能将提高处理器和系统设计的效率。集成解决方案消除了连接独立GPU的总线，减少了由图像处理产生的通过前端总线传输的数据。集成GPU特殊指令集进一步降低了系统的复杂性。将图形处理器和存储控制器集成到处理器中也减少了冗余。这种冗余是由联接3个很难在同一时钟下工作的元件带来的。减少冗余还推动了未来技术间的转换，降低了系统OEM的潜在风险。

由于ATI在消费应用领域的市场占有率，新的处理器技术也使其他消费者和嵌入式应用从中获益，范围上至游戏控制器下至机顶盒。如果AMD和ATI能够提供能耗低于1W的处理器，其产品将会对手持移动设备领域极具吸引力。除了高度集成的处理器带来的好处，OEM还可以围绕指令集进行设计。该指令集是行业中最大的可用代码库和编程资源。

MPR的观点

MPR一直认为服务器适合使用同构多核处理器。此外PC的处理器也在向同构双核方向发展，因为目前的软件架构通常是在后台运行应用程序或是同时执行多个应用程序。然而，如果要进一步提高PC和其它消费电子产品的性能也许异构多核架构比较合适。因为异构多核架构可以满足顾客不同的要求。基于这一点，MPR预测未来十年PC甚至处理器的设计将发生重大的变化。 AMD目前的转变符合未来发展的趋势。

AMD已经向异构多核处理器迈出了第一步。但是，如果Intel不跟随AMD的做法，无疑会给AMD添加风险和不确定性。因为鉴于Intel的市场占有率，它可以轻易的引导市场的发展方向。尽管存在风险，MPR认为AMD的方向是正确的。在2008年末引入一个新的处理器系列可能有点操之过急，但是即使有些延期，新的处理器最晚将在2009年中期投放市场。MPR希望Intel跟随AMD的做法，甚至先于AMD做出转变。就像将在2008年上市的Nehalem处理器。(本文摘自MicroProcessor Report，小强编译)