未来都玩集成 浅谈CPU与GPU整合大趋势_3DM单机

强大的CPU为什么还需要GPU的帮助？

    就一般通用处理器来说，在浮点运算、并行处理方面性能远不如GPU。我们可以将GPU的优势发挥出来，使处理器性能得到大幅提高。从更深层次考虑，目前CPU的性能提升遇到了各种各样的困难，除了难以攀升的核心频率之外，核心架构效率、核心数量都很难获得大幅提升。反观GPU就是一番不同的景象了，它的潜力还未被完全的挖掘，提升空间巨大。

首先：处理器核心频率遭遇瓶颈！

CPU频率提升遇到瓶颈

    细心的消费者会发现近年来处理器已经不再使用核心频率来作为处理器的型号标注。其中一个非常重要的原因就是处理器主频在现有工艺条件之下已经遭遇瓶颈难以继续攀升，想要再依靠频率大幅度提升处理器性能已经走不通了。

然后：处理器核心效率挖掘殆尽！

Intel 酷睿i7系列处理器

    既然频率已经不能够再提升了，我们可否提升处理器的运行效率来提高处理性能呢？这在一方面是完全可行的，但是提升幅度也非常有限。

    目前Intel最强的酷睿 i7处理器，架构方面相比上代酷睿2四核处理器发生了巨大的改变：原生四核、三级缓存、高速QPI总线、三通道DDR3内存控制器、超线程技术、内核及指令集优化等等。在这些技术共同优化之下同频率酷睿i7 965综合性能仅比上代QX9770提升了10-20%，架构的潜力已经被深度挖掘几乎殆尽。

    AMD情况也相差不错，Phenom II相比Phenom的性能提升更多源于频率，而核心架构优化贡献仅有不到5%。两大处理器厂商单核心效率都已接近极限，想要继续提升举步维艰。

最后：CPU核心数量增加已达上限！

    频率难以提升，核心效率挖掘殆尽，那我们就多加几个核心一起来提高性能好了，不过这也不是简单的事情。从最初的胶水双核到后来的原生四核，再到现在的顶级六核，核心增加变得越来越困难，这其中必定是有原因的。

多核处理器

    根据模拟测试，当处理器核心数量达到一定程度之后性能效率开始急剧下降。由于存储机制和内存带宽等因素的限制，16核、32核甚至64核处理器对于超级计算机来说，有时候核心越多性能可能更低。这也就是为什么超级计算机拥有超高的科技含量了，设计人员需要非常先进的设计来保证多个核心高效率的协同合作，这对桌面级别电脑来说成本几乎是无法承受的。

    既然CPU的性能提升越来越小，那么我们又能够从CPU与GPU的整合之中得到什么样的好处呢？

CPU整合GPU能够给我们带来什么好处呢？

    现在的CPU性能已经走进了死胡同，前进空间非常少，而GPU这种处理器因为先天优势，提升空间依然巨大，以GPU来带动CPU性能提升将会是一个非常好的方案。CPU非常适合日常进行的通用计算，侧重主要在整数计算方面，而GPU在浮点运算和并行处理方面占据巨大优势，如果能够将两者优势结合起来，更强大的处理器就会诞生。

GPU无限的发展潜力!

    谈到CPU和GPU的整合无非就是为了提高电脑的处理性能，GPU在浮点运算和并行处理方面优势极其巨大。整合GPU并不是单纯为了整合，而是考虑到GPU的发展潜力，并用这种发展潜力提升整个系统的性能。

    在上世纪80年代，GPU主要作用还是用以专门贴图处理。在Nvidia Geforce 256显卡提出了GPU的概念之后，显卡飞速发展。经历国多年发展，性能已经不可同日而语。

GPU性能飞速提升

    GPU着重物理效果，并可以进行可编程设计，在2006年，走进了32bit浮点运算领域，令GPU的功能出现质的变化，性能可媲美甚至超越CPU，GPU在经过20年的发展后已变得相当强大。

GPU拥有超高的浮点运算能力！

    GPU的运算能力与日俱增，现阶段还是针对图像运算居多，主要还是进行浮点运算和并行处理。通用处理器则更多的是针对整数运算，所以说GPU与通用处理器(General Purpose Processor)设计领域侧重各有不同。

GPU浮点运算能力提升远远超越CPU

GPU实现物理加速效率更高

    CPU仍然有存在价值，由于通用处理器的设计，令它可以应付日常生活形形色色的工作，所以它与GPU的关系应该是并存的。如CPU负责一般整数运算，而GPU则负责专门浮点计算。如果能够把这两者完美的整合起来，并由此延伸出可供实际运用的架构，必将带来处理器发展的新纪元。

    照这样看来CPU与GPU整合确实是一个非常NB的点子啊！那我们要怎么才能做到呢？

整合元年百家争鸣!

    2010年可说是CPU与GPU的整合元年，这也是电脑核心架构发生巨大变化的一年。涉及CPU与GPU的三家公司Intel、AMD、Nvidia都意识到了CPU与GPU整合的巨大潜力，并纷纷开始在这个领域投入大量的人力物力进行研究开发。

    在年初，Intel率先推出了集成了GPU的全新酷睿家族处理器新品：酷睿i5以及i3处理器，并由此开始向新的领域试探性的迈进。而在早期就实行融合“Fusion”战略的AMD，也发布了自己的APU路线图。作为GPU厂商Nvidia，也推出了自己的Tesla通用GPU计算架构处理器。

Intel：

酷睿i5/i3处理器暂时还是采用的单片双芯分离设计，还没有把处理器模块和图形核心模块完全融合在一起，而是直接封装在一块基片上，32nm工艺处理器的基板上将有两个核心，二者的制造工艺也不同，其中一个是使用32nm工艺制造的处理器内核，另一个较大的是使用45nm工艺制造的GPU+内存控制器。

酷睿处理器

虽然说这并没有从根本上把两个核心融合在一起，只能算是胶水而已。但是这很明确的代表了处理器未来的发展方向，这款产品的使命就是向整合道路试探性的迈进一步，是一个良好的开端，是一个从无到有的革命性成功。

Intel整合GPU处理器架构图

    在Intel未来的设计路线中并不是简单的内建GPU核心，处理器通过多芯片封装（Multi-Chip Package）方式，将北桥芯片及图形芯片直接整合在CPU之中，而整合处理器内部传统CPU核心与GPU核心通过Quick Path Interconnect(QPI)方式连接。QPI内置内存控制器，有助于解决CPU和GPU从内存中读取数据时的延迟，内存延迟和带宽有了大幅度改进，QPI还具备处理器间的直接连接技术，使各个核心能够共享数据，核心之间能够存取与其他处理器相连接内存中的数据，大大提升了整合GPU处理器的运行效率。

AMD：

单芯双核设计（原生整合）

    AMD相对Intel来说则考虑得更加的深远一点，准备直接采用单芯双核的模式，将GPU做到处理器的内部，并让这两个核心协同合作提升处理器性能。在这方面来说AMD显得更进了一步，几乎做到了原生双核的地步。

    在架构图中，芯片上设计有两个核心，分别为CPU及GPU，两颗核心之间以比PCIe更为有效的Crossbar交换数据。而在新的架构下，GPU在一定程度上共享CPU的的缓存，这些是以往PCIe总线未能提供的技术。另外单芯双核方案也整合了内存控制器。目前做法是同时整合了CPU的DDR以及GPU的GDDR内存控制器，一次性满足两者的需求。此外相比现在单纯整合多个核心的方案，AMD的方案能够提供更高的能效比。

小结：

    现在的整合技术依然不是非常成熟，许多先进的设计理念还停留在纸面之上。不过我们从实际产品中已经可以看到三大厂商迈出了整合的第一步，做到了从无到有的巨大突破。在未来的整合之中我们又能看到什么东西呢？

CPU与GPU整合的未来展望！

    Intel超多核CPU架构就在前段时间出现在世人面前，吸取传统CPU与GPU的优势，重点提升浮点运算能力，这就是一款名为“Knights Ferry”的服务器处理器。该处理器使用了Intel当前最先进的32nm工艺技术，拥有数量庞大的32颗核心，主频也已经达到了较高的1.2GHz。那么GPU与CPU在未来会发生什么变化呢？双芯合一必定是未来的趋势。

Intel官方对“Knights Ferry”的介绍

    CPU与GPU都是由晶体管组成的，而且CPU以后都是向着双核/多核的道路发展，制程方面也向着更精细的工艺前进，CPU与GPU整合在一起可以更充分地利用好各自的优势资源，无论是进行非游戏整数运算，还是3D游戏浮点运算，两者都可以拥有最高的效率，同时也可以把兼容性提升到一个更高的档次。

AMD APU单元简介

    尽管这种整合会产生很多实际问题，但对于用户来说，一颗芯片拥有CPU与GPU的全部功能，也意味着拥有更出色的性价比。与此同时，CPU与GPU合二为一，也使得PC迈向更大规模的集成化之路，而且越简单的PC就越容易标准化统一化，也会更加廉价而实用。

整合厂商三足鼎立！

未来三大厂商将会发起整合大战

    作为图形芯片领域的领头羊，NVIDIA此前推出了Tesla通用GPU计算架构，但这并不是NVIDIA的最终目的，不管是GPU集成CPU，还是CPU整合GPU，NVIDIA意识到未来GPU的发展趋势，那就是CPU与GPU的完美融合，NVIDIA也通过全美达获得x86架构的设计团队，届时CPU和GPU整合市场将形成Intel、AMD、Nvidia三足鼎立的局势。

    不得不说，整合能够带给我们的东西实在是太多了，不过好东西总是要通过努力才能够得到的

CPU整合GPU前景广阔，但是困难重重！

    尽管CPU整合GPU是未来发展趋势，但实际整合并不简单，要解决问题还很多。首当其冲就是超高规模的集成电路，现在的CPU和GPU的晶体管数量都是以十亿计算，如何将这两个本身规模就已经非常巨大的集成电路整合到一块芯片中给半导体工艺提出了挑战。CPU和GPU走的路线毕竟不同，在架构上还存在较大的差异，如果建立一个全新高效的架构也是厂商最需要关注的。

超高数量晶体管集成难度大！

CPU与GPU核心晶体管数量存在较大差距

    GTX 480核心内建晶体管目数目达到32亿之多，最高端的酷睿i7 980X内部晶体管数目为11亿左右，可以想象GPU比CPU还要复杂，这意味着CPU在集成高端GPU时必定会遇到困难。就算以后能集成高端的GPU，但由此而来的高发热量也是亟待解决的问题。

整合架构需要全新开发！

关键的内存控制器

    AMD与Intel初期将以整合简单的GPU为主。同时，由于GPU在设计上的特殊性，核心工作频率远比CPU要低，这会在一定程度上制约GPU与CPU之间的数据传输能力。CPU和GPU性能的发挥很大程度依赖内存控制器，目前市场上CPU与GPU的内存控制器还存在差异，各自的性能侧重和架构方式都有很大不同，如果未来的整合处理器内部只有一个内存控制器的话，肯定需要全新的架构。

整合市场现在的情况！

    技术上的不足导致CPU与CPU整合产品暂时更加适合中低端用户，对于高端游戏玩家或图形工作站用户而言，现阶段的整合处理器性能并不能够满足要求。对普通用户而言，初期CPU整合的GPU已经达到了DirectX 10入门级水平，支持Windows Vista及高清视频播放等能力，满足日常娱乐应用需求同时降低用户购买成本。由于GPU被集成在CPU里，可以让整机体积更小，功耗也更低，这符合未来低功耗、低噪音的节能环保PC的发展方向。

总结：

    GPU不会取代CPU，但CPU的重要性正在削弱，GPU将会扮演更重要的角色！

    GPU是不会取代CPU的，CPU作为中央处理器仍然占有相当重要的位置，GPU在处理大规模多线程的并行计算占据优势，但并不是所有程序都能良好的运行在GPU上，但几乎所有的程序都有运行在CPU上的优秀代码。良好的设计最终能够在性能上实现整合处理单元 > 通用处理单元+图形处理单元。

     技术的发展总是永无止境，人们对电脑性能要求越来越高，硬件厂商也与时俱进。并行计算对处理器性能追求几乎是无止境的，肯定也会成为未来推动电脑系统持续高速发展的重要动力。由于CPU在并行运算和浮点运算的劣势，CPU的提升幅度变得越来越小，随着CUDA及OpenCL走向成熟，未来GPU和CPU必定会相辅相成构建一个整体处理器。

    未来CPU与GPU之间的界限会非常模糊，多核CPU的架构设计会向现有GPU的模式靠拢，而GPU也不会满足于仅处理一些无聊的3D渲染任务，在特定API及开发平台的支持下，GPU将会取代CPU处理繁重的并行与浮点计算任务。