CPU与GPU融合之势难挡

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12月9日从国外媒体传出消息称，英特尔将收购图形处理器（GPU）厂商Nvidia,目前无法确定的只是价格问题。鉴于英特尔和Nvidia在芯片产业的地位，这一条消息很快占据了很多媒体的头条。自从2006年7月AMD以42亿美元的现金和5700万股AMD普通股收购GPU生厂商ATI之后，已经多次爆出英特尔会收购Nvidia的消息。而今随着GPU和CPU的融合趋势明显，人们似乎更有理由相信这一消息的真实性。

实际上，2009年处理器领域最重要的变化之一就是集成了图形处理器GPU的新型处理器异军突起，并已成为下一代通用处理器的发展方向。继Nvidia公司和AMD公司率先采用这一结构后，英特尔公司正在加速开发采用这种结构的32纳米的Westmere处理器。此外, 由于GPU理论上的浮点运算性能已经大大超越了通用处理器,CPU加上GPU已经成为超级计算发展的重要方向。引人注目的是，我国新开发成功的“天河1号”超级计算机也采用了上述的CPU加上GPU的结构。而最新的消息是，AMD本月初宣布其将剥离其生产线，而将重点转向融合CPU与GPU为一体的Fusion芯片APU，也是这一趋势的一个具体体现。

用GPU处理 非图形运算

多核处理器早已成为业界的主流。但是，4核的同构处理器并不一定能发挥4倍的性能。以目前Intel功能最强的Core i7处理器为例，其结构方面相比上代Core 2 Quad发生了天翻地覆的变化：引入三级缓存、高速QPI总线、三通道DDR3内存控制器、超线程技术和诸多内核及指令集优化等; 然而测试表明，这些技术共同作用的结果是：同频率下i7 965的综合性能比上代QX9770仅提升约20%，很难再有单核Pentium D到双核Core 2 Duo那种飞跃式提升。另外，将AMD的Phenom II处理器与Phenom处理器相比，其性能的提升主要缘于45nm工艺带来的高频率，其中核心结构优化的贡献仅占5%。

不久前美国Sandia国家实验室的一项模拟测试结果表明:对于超级计算机而言，由于受存储机制和内存带宽的制约，8核之后的16核、32核以至于64核通用处理器可能会引起效率的大幅度下降。这说明，多核处理器核的数目并不能无限制地增加。另外，有消息说，美国Sun公司未能如期开发出16核处理器，除受并购因素影响外，也有这方面的原因。

在这种情况下，图形处理器GPU异军突起。过去在处理图形渲染时，根据表达三维空间的三角形数量或在三角形着色时纹理清晰度的不同，各级处理的负载将会发生变化。在传统结构中，由于各级处理的运算单元数量是事先决定的，因此，在负载发生变化的情况下，固定的运算单元数量会成为阻碍系统整体处理能力提高的瓶颈。

近年来，研究人员对图形指令结构进行了深入研究。它们发现标量数据流所占比例正在逐年提升，如果还是坚持SIMD(单指令多数据流)的设计会让效率下降。早期的GPU，针对图形处理的关键计算将处理单元分为顶点着色器、光栅化引擎、纹理贴图单元等不同部分，分别完成不同的计算任务。而新一代GPU推出了统一渲染结构，统一的计算单元取代了上述的不同单元。这种结构集成了多个支持顶点坐标计算及三角形着色等多级处理的运算单元，各运算单元的任务可以根据各级处理的负载进行调整。该统一的计算单元被称为统一标量着色器，也被称做流处理器。每个流处理器只完成一维标量的操作。

为此，研究人员对 GPU做出变革：流处理器不再针对矢量设计，而是改成标量ALU（算术逻辑运算器）单元。也就是说，把GPU的Shader(着色器)单元内部的运算器ALU完全拆散，设计成为各自独立的流处理器，并分配相应的指令发射端和控制单元。这样的结构在面对任何形式的指令(包括组合指令)时，都能保证最高的执行效率。即这种结构不仅拥有很强的图形处理能力，而且能够处理非图形运算指令。

新结构的出现带动了在以浮点运算为中心的通用处理中使用GPU的研究。理论上来讲，只要是浮点运算指令都可以交给GPU来处理。为了把GPU改造成为真正的通用处理器，研究人员在大规模扩充流处理器数量的同时，也对内核结构进行了优化与改进，使其更适合进行超大规模的并行数据处理。

GPU不断进步

2006 年11月，Nvidia公司推出基于G80结构的GeForce 8800 GPU。接着，2007年5月，AMD公司发布了Radeon HD 2000系列GPU产品。这两款产品都采用了统一渲染结构。这种结构使GPU的运算单元变得通用，并可以根据图形渲染处理的负载，灵活地改变运算单元的任务。

在传统结构中，由于各级处理的运算单元数量是事先决定的，因此，在负载发生变化的情况下，固定的运算单元数目会成为阻碍系统整体处理能力提高的瓶颈。统一渲染结构的出现使得在以浮点运算为中心的通用处理中也可以使用GPU。采用这种结构后，GPU运算单元可在每次处理时读入指令和数据，使其通用性得到了提高。因而，可以说GPU提高了计算机的浮点运算指令的执行速度。

2008年美国克莱公司推出企业级电脑CX1，使用了Tesla C1060主板。由于该主板有图形处理器GPU，因而显著地提高了CX1超级电脑的运行速度。源于此，GPU也被称为“电脑加速器”。对于浮点运算，GPU使用专门的运算器，能够高速地进行并行处理，从而提高计算速度。以日本东京工业大学为例，2008年10月，它们采用170个C1070处理器后，将其超级电脑T SUBAME的系统综合运行速度从每秒67兆次提高至每秒77兆次。正因为如此，有人将GPU处理器称为加速处理器。

不过， GPU目前面对的问题是，只能读取它专用的存储器，不能读取电脑主存储器。GPU处理器将需要的数据复制到供GPU使用的存储器中，并调用在GPU中执行的函数；此后，GPU根据处理器的指令对互相独立的数据使用多个内核进行并行处理; 最后，处理器会从GPU所使用的存储器中获得处理结果。正因为此，在某些情况下，GPU不能充分发挥其浮点运算速度极快的优点。

如上所述，现在的GPU可以认为是一个多功能的并行计算处理器。有专家预计，至2010年末世界上大部分的PC机将采用GPU进行计算。

CPU+GPU 组合优势明显

CPU和GPU各有所长。一般而言，CPU擅长处理不规则数据结构和不可预测的存取模式，以及递归算法、分支密集型代码和单线程程序。这类程序任务拥有复杂的指令调度、循环、分支、逻辑判断以及执行等步骤。例如，操作系统、文字处理、交互性应用的除错、通用计算、系统控制和虚拟化技术等系统软件和通用应用程序等等。而GPU擅于处理规则数据结构和可预测存取模式。例如，光影处理、3D 坐标变换、油气勘探、金融分析、医疗成像、有限元、基因分析和地理信息系统以及科学计算等方面的应用。

尽管在不少方面GPU表现优异，但在一段时间内，还会维持CPU与GPU各自发展的态势，它们可以继续在各自擅长的领域发挥作用，而未来的演进方向是相互取长补短，走向融合。从CPU角度来讲，为了提高处理能力，以前是多线程，目前是多核，将来的发展方向是众核。CPU正向不断增加吞吐量和提高能效性的方向发展；而从GPU角度来讲，其可编程性能本来是在芯片内部固化的程序，然后发展到局部可编程, 最后是完全可编程。也就是说，GPU是在提高所处理的吞吐量的同时，向通用处理的方向发展。

今后，CPU+GPU的异构计算结构将引领处理器的发展方向，这也成为下一代超级计算的发展方向。目前设计GPU+CPU架构平台的指导思想是：让CPU的更多资源用于缓存，GPU的更多资源用于数据计算。把两者放在一起，不但可以减小在传输带宽上的花销，还可以让CPU和GPU这两个PC中运算速度最快的部件互为帮衬。其原因是，CPU中的运算器通常只有几个ALU，而GPU中的ALU则比CPU的数目多很多。另外，CPU中高速缓存相对比较多，而GPU中的高速缓存则比CPU少很多。必要的时候，CPU可以帮助GPU分担一部分软件渲染工作，另一方面GPU可以使用主流编程语言来处理通用计算问题。这就相当于CPU多了一个强大的浮点运算部件，而GPU多了一个像素处理单元。

融合产品已经出现

2009年1月美国AMD公司在“2009 CES”展览会上展出了对抗英特尔“Atom”处理器的笔记本电脑平台“Yukon”（开发代码）。Yukon的特点是，把微处理器“Athlon Neo”和图形处理器“ATI Radeon X1250”集成在一个芯片中，从而充分利用了图形处理器的运算功能。Yukon不仅微处理器性能较强，而且在图形处理性能上表现良好。由于图形处理器能够成十倍地增加处理器的运算速度，可以说，图形处理器已成为新型处理器的“加速器”。

2009年下半年英特尔宣布其Westmere将把以32nm工艺制造的CPU内核芯片与以45nm工艺制造的DDR3存储器控制器电路及绘图处理电路芯片封装在一起，并采用多芯片模块(MCM)封装。Intel第一款集成图形核心的处理器开发代号为Clarkdale。Clarkdale处理器的图形核心部分被Intel称为“图形内存控制器中心”(GMCH)，其图形核心部分基于G965/GM965时代引入的统一渲染架构。

AMD公司2009年10月公布了新一代支持微软 DirectX 11图像标准的图形处理器GPU。AMD一款代号为“RV870”的图形处理器采用40纳米工艺制作，其将CPU和图形处理器集成于一个芯片之中。由于设计合理，其性能和能效比要优于传统的通用处理器。AMD还会推出采用RV870的新一代双芯片显卡。AMD同时具有x86平台CPU和GPU设计能力，并很早就提出GPGPU概念，AMD的首款集成CPU和GPU的加速处理器APU将于2011年问世。由于CPU与GPU在单芯片上的集成，这款处理器将在更低的功耗下改善系统的整体性能。

另外，英特尔在刚刚过去的11月份宣布，它对凌动(Atom)处理器进行了问世以来的最大升级，把原先独立的图形功能集成到CPU中。这是英特尔首款在CPU中集成图形的芯片，将用于上网本和主流笔记本。凌动处理器是英特尔采用许多新技术的低功耗产品，以45nm工艺制造，现已成为英特尔主流处理器之一。新款凌动处理器将于2009年底问世。

另一方面，英特尔公司也在紧锣密鼓地开发将GPU和CPU集成在一起的Larrrabee处理器，并且将其作为英特尔公司每两年推出一代新结构处理器的按拍节发展战略的核心产品。不过，英特尔于2009年12月宣布，其集成GPU和CPU的Larrrabee处理器将推迟至2011年在市场销售。由于市场上有传言英特尔会收购Nvidia,这给Larrrabee的未来蒙上了一层阴影。不过，有一点可以肯定的是，即使Larrrabee处理器不会推出，英特尔也一定会有类似产品推出，比如收购Nvidia后联合推出这样的产品。

CPU与GPU融合之路

● 2006 年11月，Nvidia推出GeForce 8800 GPU；2007年5月，AMD发布了Radeon HD 2000系列GPU产品。这两款产品都采用了统一渲染结构，使GPU的运算单元变得通用。

● 2009年1月AMD展出了笔记本电脑平台“Yucon”。Yukon把微处理器和图形处理器集成在一个芯片中，充分利用了图形处理器的运算功能。

● 2009年下半年英特尔宣布，其Westmere将CPU内核芯片与存储器控制器电路及绘图处理电路芯片封装在了一起。

● AMD公司2009年10月公布新一代支持微软 DirectX 11图像标准的图形处理器GPU。

● AMD宣布其首款集成CPU和GPU的加速处理器APU将于2011年问世。

● 2009年12月英特尔宣布，其集成GPU和CPU的Larrrabee处理器将推迟至2011年发布。