从体系结构的演变看高性能微处理器的发展趋势VIP专享

下载后可任意编辑从体系结构的演变看高性能微处理器的进展趋势12024 年 6 月 23 日下载后可任意编辑22024 年 6 月 23 日下载后可任意编辑微处理器体系结构随着高性能计算的需求, 计算机体系结构发生了很大变化。作为计算机核心部件的微处理器, 其性能和复杂性( 晶体管数、 时钟频率和峰值) 也根据摩尔定律增长。微处理器性能的改进在很大程度上归功于体系结构的进展和 VLSI 工艺的改进。体系结构的进展主要体现在三个方面, 即超流水、 多指令发射和多指令操作。超流水技术主要开发时间并行性。流水线技术是 RISC 处理器区别于 CISC 处理器的重要特征。采纳超流水技术, 尽管能够减少关键路径中每级流水的时间, 但同时也引入了更多的寄存器, 进而增加了面积开销以及时钟歪斜问题。另一方面, 深度流水在指令相关和指令跳转时会大大降低流水线的性能。多指令发射和多指令操作均是开发空间并行性。多指令发射面临的首要问题是如何保持应用程序语义的正确性, MIMD、 超标量和数据流技术是多指令发射的典型结构。MIMD 是并行计算的重要讨论领域。超标量采纳时序指令流发射技术, 兼容性好, 硬件开销大, 功耗开销大, 是当前多数商用高端处理器采纳的主流技术。数据流采纳 token 环技术, 理论上能够开发出高度指令并行性。然而, 其商用开发不成功, 原因是运行时间开销大, 特别是token 环匹配需要很高的时间代价。多指令操作是当前体系结构的重要讨论方向。多指令操作包括数据并行性开发和操作并行性开发。尽管在 CISC 处理器中均采纳过这两种技术, 但 CISC 给体系结构开发带来三个负面影响: 一是CISC 指令不适合流水处理, 二是指令差异很大造成译码困难, 三32024 年 6 月 23 日下载后可任意编辑是编译器很难开发出有效的指令操作。与 CISC 处理器相反, 多指令操作非常适合 RISC 处理器, 其中 SIMD 和 VLIW 就是数据并行性和操作并行性的典型结构。向量处理器和 SIMD 处理器都是利用多个操作数来实现数据并行性。但二者有很大不同。向量处理器对线性向量元素顺序操作, SIMD则对向量元素进行并发操作。对前者, 每条指令只能作用于一个功能部件, 执行时间较长; 而后者在执行指令时能够作用于多个功能部件。向量处理器采纳交叉存储器实现向量的访存操作, 同时可对短向量进行有效操作, 即对稀疏向量进行压缩以获得高性能。SIMD 适合多媒体中的分组数据流, 经过特定算法将长的数据流截...