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異構CPU時代來臨：多架構協同成為計算新趨勢

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異構CPU時代來臨：多架構協同成為計算新趨勢

【異構CPU時代來臨：多架構協同成為計算新趨勢】關于CPU的討論往往圍繞一種指令集架構與另一種的對比——x86與Arm、Arm與RISC-V等等 。 然而 ， 在單一系統中使用多種CPU架構已成為常見做法 ， 無論是單一片上系統(SoC)還是更大的電子平臺 ， 如PC、汽車甚至數據中心 。 縱觀電子產業歷史 ， 從未存在過單一CPU架構選項 ， 因為沒有兩種處理工作負載是完全相同的 。
每種架構在軟件支持、復雜性、靈活性、功耗和成本方面都有其優勢和劣勢 。 因此 ， 利用多種CPU架構來處理不同工作負載或功能已成為通行做法 ， 就如同使用不同加速器——數字信號處理器(DSP)、圖形處理單元(GPU)、神經處理單元(NPU)和現場可編程門陣列(FPGA)來執行特定功能一樣 。 而且CPU或加速器的選擇會隨著行業趨勢而變化 ， 沒有哪個趨勢比人工智能(AI)更具顛覆性 。
AI正在改變行業對計算的構想 。 它要求性能功耗比呈指數級增長 ， 從最大的云服務器到最小的嵌入式設備都是如此 。 這推動了規模、效率、靈活性和對不斷變化的開源優先軟件生態系統支持方面的新動態 。 因此 ， 從硅片到服務提供商的整個行業都在尋找獨特解決方案 ， 這些方案往往包含不同的架構 。
計算的演進
在計算的早期年代 ， x86是首選架構 ， 由英特爾開發 ， AMD和英特爾共同推進 。 兩家公司最終在2024年開始合作開發未來的ISA增強功能 ， 以確保前向兼容性和軟件支持 。 雖然x86仍然是PC和通用服務器的主導架構 ， 但它現在與日益增長的RISC(精簡指令集計算機)架構生態系統共存 ， 通常在同一系統或SoC內 。 許多x86 SoC集成了用于安全、AI和電源管理的輔助RISC核心 。 x86架構的一個關鍵優勢是大多數PC和服務器應用程序都是為它設計的 ， 提供了軟件兼容性的傳承 。 x86架構也用于許多嵌入式應用 ， 但規模遠小于其他更節能的架構 。
就應用和數量而言 ， 領先的處理架構是Arm 。 Arm是移動設備、消費應用/物聯網、汽車以及幾乎所有其他領域的主要架構 。 雖然Arm架構最初因其小尺寸和性能效率而具有吸引力 ， 但它現在擁有最大的硬件和軟件生態系統 。
Arm最初取代了早期的嵌入式CPU架構 ， 如MIPS和摩托羅拉的68k和88k CPU 。 在1990年代和2000年代初 ， Arm成為嵌入式處理的領先RISC架構 ， 應用范圍從無線控制器到從定制專用集成電路(ASIC)到x86處理器中所有設備的特定處理功能單元 。 到2000年代末 ， Arm取代了數據中心應用中使用的許多其他架構 ， 如SPARC和PowerPC ， 包括網絡和存儲 。 在過去十年中 ， Arm解決了許多軟件兼容性挑戰 ， 使其成為PC和服務器中x86的可信替代方案 。
Arm架構現在為所有蘋果PC、越來越多的Windows PC、來自Ampere、富士通、華為、英偉達的許多服務器處理器以及超大規模服務提供商開發的所有定制處理器提供動力 ， 包括阿里巴巴、亞馬遜、谷歌、Meta、微軟和騰訊 。 相比之下 ， 2024年出貨了2.5億到3億顆x86處理器(其中一些帶有嵌入式RISC核心) ， 而估計出貨了290億顆Arm處理器 ， 在云和數據中心應用中的份額不斷增加 。
第三種處理器架構是RISC-V ， 這是一個任何人都可以使用和修改的開源ISA 。 雖然RISC-V正在從微控制器(MCU)到AI加速器的各個領域得到探索 ， 但2024年出貨的大約10億顆核心中大多數是深度嵌入式實現 。 RISC-V核心在最大的x86和Arm處理器供應商英特爾和高通的處理器中用于特定的MCU類功能 。 然而 ， 它也與其他CPU和DSP架構競爭 ， 如新思科技的Arc、Cadence的Tensilica和MIPS 。 雖然對RISC-V架構有巨大興趣 ， 但軟件工具和支持仍落后于Arm和x86 。 RISC-V非常像早期的Arm ， 當時它與MIPS和摩托羅拉競爭 ， 它仍在構建生態系統和原生軟件支持的過程中 。 然而 ， RISC-V的開放許可允許在ISA級別進行完全定制 ， 使其對定制嵌入式功能具有吸引力 。
其他架構繼續存在 ， 盡管應用更加有限 。 Power是PowerPC架構在高性能大型機方面的演進 ， 仍在IBM的開發和使用中 。 Sun Microsystems開發的SPARC架構仍用于一些服務器和航天應用 。 MIPS仍用于一些MCU應用 。 即使在這些細分領域 ， 看到結合多種架構的異構系統也越來越常見 。
向多架構轉變
利用多種CPU架構的單一解決方案的最新例子之一是Synaptics的L2600系列邊緣AI SoC 。 雖然Arm是整個SoC中使用的主要架構 ， 但它也包括谷歌開發的基于RISC-V的Coral NPU用于AI處理 。 據Synaptics稱 ， 雙架構策略的原因是Linux就在Arm上運行 ， 而RISC-V提供了一個開源解決方案 ， 可能克服當今邊緣設備SoC中使用的不同NPU之間的分化 。
每家公司和架構都在快速發展以滿足AI時代的需求 。 RISC-V硬件和軟件生態系統繼續發展 。 AMD和英特爾已開始為各種性能級別開發不同的x86 CPU核心 ， 為服務器提供更多SoC配置 ， 并為大客戶提供某種程度的定制 。
Arm在其廣泛的CPU核心、GPU核心和系統IP組合中增加了完整的預驗證計算子系統(CSS) ， 并通過Arm Total Design構建行業級芯片生態系統 ， 以支持更廣泛的芯片采用和創建更多異構計算解決方案 。 此外 ， Arm生態系統中的許多行業領導者繼續通過定制Arm兼容CPU設計進行創新 ， 這些設計滿足特定應用對最高性能效率水平的需求 。 即使由此產生的SoC通常也使用定制和標準Arm CPU核心的混合 。
未來是異構的
隨著半導體行業努力滿足AI的性能效率需求并過渡到基于芯片的未來處理器和SoC ， 在同一芯片設計中使用多種CPU架構可能會變得更加普遍 。 雖然芯片目前主要用于高端計算機應用 ， 但它們最終將擴展到嵌入式應用 。 在AI和芯片時代 ， 問題不再是哪種CPU架構會獲勝 ， 而是它們將如何協同工作 。
Q&A
Q1：為什么現代系統需要使用多種CPU架構？
A：因為沒有兩種處理工作負載是完全相同的 ， 每種架構在軟件支持、復雜性、靈活性、功耗和成本方面都有其優勢和劣勢 。 因此利用多種CPU架構來處理不同工作負載或功能已成為通行做法 ， 就如同使用不同加速器來執行特定功能一樣 。
Q2：目前主流的CPU架構有哪些？各有什么特點？
A：主要有三種：x86架構主要用于PC和通用服務器 ， 擁有強大的軟件兼容性；Arm架構是移動設備、消費應用、汽車等領域的主導 ， 擁有最大的硬件和軟件生態系統；RISC-V是開源架構 ， 允許完全定制 ， 主要用于嵌入式應用 。
Q3：AI時代對CPU架構發展有什么影響？
A：AI正在改變行業對計算的構想 ， 要求性能功耗比呈指數級增長 。 這推動了新的技術動態 ， 整個行業都在尋找包含不同架構的獨特解決方案 。 在AI和芯片時代 ， 問題不再是哪種CPU架構會獲勝 ， 而是它們將如何協同工作 。


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