第七十九章 第七十八章 RISC和CISC之争 下
“影响cisc效率的还有什么原因呢?”李逸轩笑着看了看大家:“影响cisc效率的第二个原因就是二八定律……”
说到这里李逸轩停顿了一下,“二八定律又名80/20定律,也叫巴莱特定律,是19世纪末20世纪初意大利经济学家巴莱多发现的。他认为,在任何一组东西中,最重要的只占其中一小部分,约20%,其余80%尽管是多数,却是次要的,因此又称二八定律。
比如说,商家80%的销售额来自20%的商品,80%的业务收入是由20%的客户创造的;在销售公司里,20%的推销员带回80%的新生意,20%的人拥有社会财富之和的80%,80%的人拥有社会财富之和的20%,也就是80%的收益来源于20%的高端客户。
再比如说,我们每天的生活里只有20%的时间在做一些有意义的事情,可以提高我们的生活质量的事情,其他80%的时间都是在浪费时间和精力。
这个定律在cpu中依然有效。一块cpu是由逻辑控制电路和执行源代码组成。依据80/20法则我们把源代码划分成“冷代码”与“热代码”概念——前者占据cisc指令总量的80%,后者只占据20%。与之相应,冷代码执行单元占据绝大多数硬件资源,而高度活跃的热代码执行单元所占据的硬件资源反而要少得多。
而这正是cisc运行效率低下了另一项原因。
我们现在所使用的cisc,在设计时并没有考虑到80/20定律,这就导致计算机中80%的任务只是动用了大约20%的指令,而剩下20%的任务才有机会使用到其他80%的指令。我们如果对指令系统作相应的优化,就可以从根本上快速提高处理器的执行效率。
ibm在1975年推出的所谓risc处理器power(performaimizedwithenhancedrisc的缩写),就是基于80/20原则设计的。
讲真,power并不是真正意义上的risc,power依然还是cisc,但就是因为ibm在设计power时,运用了80/20原则使得cpu的运行效率提高了20倍不止。”
下面的学生轰动了,他们没有想到仅仅是改变了设计思路就让cpu提高了这么多。
虞有澄也是很的惊讶,他没有想到李逸轩对ibm的power处理器这么了解,要知道他也是在推出power推出多年以后才慢慢了解到的,这还是利用了英特尔公司的资源。
power是美国超级计算机的标准cpu,市面根本就没得卖,那眼前这个年轻人又是怎么了解的呢?有人告诉他,虞有澄想了想,觉得这是最符合常理的解释了。
只听台上的李逸轩继续讲道:“虽然power并不是一款真正的risc处理器,但却为人类指明了cisc未来的发展方向,更同时还指明了risc的方向,于是真正的risc诞生了。”
李逸轩举起一块面积只有100平方毫米,拇指甲大小的芯片说道:“大家请看,这就是我们es设计的世界第一款真正的risc处理器,目前它被作为硬盘的总控制cpu。risc的应用范围远比x86来得广泛,大到各种超级计算机、顶级工作站、高阶服务器,小到各类嵌入式设备、家用游戏机、消费电子产品、工业控制计算机,都可以看到risc的身影。
当然,cisc的应用同样也很广泛,除了我们熟知的个人计算外,在电信和移动公司的多功能网络服务器、多功能工作站、通用数控机床、图形工作站等都能用到。risc的优势讲究专精专强,cisc讲究的是兼容和多功能。虽然在某些领域risc和cisc有所交叉,有所竞争,但他们都会在各自的领域发展。科普讲完了,你们有什么想问的吗?”
大家面面相觑,今天接受的信息量太大,他们需要时间去消化,一时之间还问不出问题来。
“请问轩少,你是否认为也许在将来,risc和cisc会走向统一吗?”问话的正是虞有澄,今天他也是获益良多,跟那些菜鸟不同,虞有澄很快就消化了李逸轩讲的那些观点。作为世界上最顶尖的半导体芯片专家,他敏锐的发现,李逸轩提得那些观点或许有一天risc和cisc会走向统一,于是就把问题提了出来。
虞有澄的话让李逸轩感到意外,但仔细想想,他又不觉得的是偶然。因为虞有澄是历史上第一个提出risc和cisc统一的提出者,后世包括英特尔、amd、ibm、dec等众多半导体巨头都向这个方向努力过,特别是英特尔最为执着,以至于英特尔公司后来所推出的cpu,越来越不像一颗标准的cisc,反而更像一颗带有cisc特质的risc。
所以说,虞有澄能提出这个观念其实并不奇怪,只不过由于受到李逸轩的影响,这个想法被提前了而已。
可惜的是,这个想法虽然很伟大,可遗憾的是由于两者的源代码长度并不相同,这个想法最终没有得到实现,虞有澄后来自己也放弃了自己提出来的思路。
后来英特尔公司在以色列的实验室里一名科学家,却在虞有澄的思想下提出了内核模块化的cpu设计思想。
什么是内核模块化,就是依据八二定律原则,无论是risc还是cisc,都使用同一的内核,再把这个内核放在不同的体系中,从而实现risc和cisc的统一。
比如说,同意一款内核放在x86中,那它就是一款cisc处理器,若放在arm的构架里面,它就是一款risc处理器,把内核放在不同的构架里面,它就是一款不同结构的处理器。虽然它并没有真正实现risc和cisc的统一,但却为cpu和设计和制作大大降低了难度,同时还丰富了芯片公司的产品线。
而内核模块化也成了后世ic设计公司的主流指导思想,同时内核模块化还带来了另外一项科研课题的诞生,那就是微构架技术。
打个比方,我们已英特尔公司著名的酷睿cpu为例,它就是一款把risc作为内核放在了x86构架当中,然后通过微构架技术又把risc和x86给有效连接起来,就变成我们所熟知的酷睿cpu。
其运行原理就是,当复杂指令集进入cpu之后,通过为微构架把冗长的分解成无数短促的精简指令,再交给内核处理,这样就大大提高了指令的执行速度,同时还能很好的解决以前cisc应用兼容方面的问题。
说完,李逸轩在黑板上画出一张酷睿标准版的概念图,并一一标出上面的功能模块。
虞有澄看心里是震撼级了,他没有想到cpu居然还能这么设计。仔细端详黑板上画的酷睿cpu构架图,在晶体管规模不变的前提下,让传统的cisc处理器获得数倍的效能提升。毫无疑问,这种设计对目前深陷于cisc的cpu公司来说无疑是雪中送炭,cisc处理器出现了跨时代的进步。
心灵上的震撼,虞有澄无法形容,他只能给李逸轩竖起一个大拇指,了不起!
不过他也很快就发现李逸轩的芯片设计思路非常的野,各个学院的设计思想都有,但又并不独属于某一个学派。比如,他指着上面一个区域说道:“这里有很像美国麻省理工学院的多核思路,还有你设计的这款cisc有太多的risc特征。”
对于这一点,李逸轩没有否认。cpu多核并不是什么新鲜玩意,在二十世纪的六十年代美国麻省理工学院的科学家就提出了这一想法,意在提高cpu的执行效率。
而李逸轩的设计则不同,麻省理工的设计思路是双个或者多个对等的cpu内核,通过并行运算获得性能增益,我们可以将它看作是横向维度的对等设计。而李逸轩的双核或者多核思想带有明显的未来dec公司的设计思路,把它看成一个纵向维度的双核理念,将20%的常用指令定义为“热代码(hotcode)”,剩余的80%指令使用频率没那么高,被定义为“冷代码(coldcode)”。
对应的cpu也在逻辑上被划分为两个部分:一是热核(hotspot),只针对调用到热代码的程序;另一部分则是冷核(coldspot),负责执行20%的次常用任务。
由于热核部分要执行80%的任务,设计者便可以将它设计得较为强大,占据更多的晶体管资源。
而冷核部分任务相对简单,没有必要在它身上花费同样的功夫。理论上说,设计者可以将80%的晶体管资源用在热核上面,使之高效率执行任务,剩余的20%晶体管资源则用于仅完成20%任务的冷核。
而纵向维度的双核理念的核心是,热核与冷核地位并不对等,且无法独立运作,只能说是一个cpu内核中的两部分分立逻辑。它所起到的是提高cpu的硬件资源利用率,以高执行效率达到高效能的目的,这种做法显然比目前业界鼓吹的“双核心”更具革命意义。
而英特尔的做法又是,把冷核和热核又融合成一个独立的核,让冷核和热核能共用一部分元器件和逻辑门控制电路,但依然还是两个独立的冷、热管道两个部分,只需在执行指令时,会预先对其作分析,以判定它是归属于“热代码”还是“冷代码”。
若为活跃的“热代码”,则将其送入“热管道”逻辑进行高效处理;如果属于“冷代码”,那么将其送入“冷管道”逻辑处理,所得结果最终再作汇总输出。
至于虞有澄后面说的什么他的cisc带有明显的risc设计思路,在李逸轩看来根本就不是个事。
未来无论是risc还是cisc也罢,在设计上双方都是在互相借鉴,同时又融合各方学派的思想,因此cpu在未来并不能简单的划分为你是cisc还是risc,他们都是在互相借鉴,都不能称之为纯粹的risc和cisc。
以x86、arm和mips这未来三大世界主流构架为例,除了mips还真正保持在纯正的risc设计之外,英特尔公司从酷睿开始,其x86越来越朝着risc方向发展,而arm呢,虽然整体构架还是保留着risc,但却采用了更多的cisc功能。
所以说cpu的设计并没有一定止规,内核模块化最大的特点就是,你觉得怎么设计合适就怎么来。英特尔公司就是靠着这个,从桌面个人cpu到桌面工作站和桌面服务器。再到大型服务器和工作站,小到笔记本电脑和平板电脑,甚至到手机cpu都能看到英特尔的身影。
虽然在手机和平板电脑cpu领域被arm统治者,但英特尔公司的手机cpu严格说来其实也不弱,联想公司的手机和平板电脑很大一部分都是用的英特尔公司的手机cpu。
至于美国的高通、台湾的联发科以及中国华为公司的海思麒麟,都属于arm构架体系。而高端服务器和超级计算机市场就更不用说了,已经有越来越多的公司开始采用英特尔的至强处理器。
就是靠着内核模块化设计思路,英特尔再借助刀片服务器的设计思路,又开启了高端通用服务器和高端超级计算机cpu的市场,反过来又把长期霸占在超级计算机cpu市场的霸主ibm公司的powerpc处理器给打得溃不成军。甚至就连太阳微系统公司(sun)的sparc处理器也是丢盔弃甲,最后被甲骨文收购后黯然退出高性能计算机市场。
可能有人会问,英特尔公司的至强系列真比ibm的powerp公司的sparc还要厉害?、
答案是否定的,在讲究高性能的服务器和超级计算机cpu市场,英特尔的至强e5和e7以及e9系列只能算得上是高端,但还称不是最顶级的cpu,ibm的powerp公司的sparc才能真正算得上是最顶级的cpu,甚至就连dec公司的alpha都比至强还强上一个档次。
但是至强系列处理器却靠着通用、兼容性好、价格低廉、功耗低省电这四大法宝,在服务器和超级计算机市场战胜了所有的竞争对手。
以ibm的超级计算机“深蓝”系列为例,要达到同性能,采用英特尔公司的处理器,那整套超级计算机的生产成本只有ibm的三分之一。
而用户唯一付出的代价就是把机房建得稍微大一点点而已,但换来的且是软件和各系统部件的通用。不必再去为了某个特殊的零部件再去专门的定制花费不必要的高价钱,从而带来这个系统的采购、使用和维护成本的降低。
你说这厉不厉害?根本不是一个维度上的思维。