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未来的CPU走向何方？(3)
萧恩　2000-12-26 14:08:47

　　我们以奔腾 IV 为例来分析一下 CPU 的性能。众所周知，奔腾 IV 是迄今为止流水线最长的 CPU，一共有 20 段，相当于一条指令有 20 道工序。根据统计，程序指令中，大约有 20% 是分支判断指令，也就是说，完成 100 条指令，CPU 需要预测 20 次，预测准确率为 95% 的话，这 20 次中将有一次预测出错。我们可以举个最简单的例子，如下面一段程序：for (i=0;i<20;i++) { ... }。

　　假设每次循环要执行五条指令，20 次循环正好 100 条指令，而其中前 19 次都预测正确，最后一次预测错误。那么，前 99 条指令共需要 99 个时钟周期，最后一次预测错误，需要清空流水线重新执行，奔腾 IV 的流水线有 20 段，那么这最后一条指令还需要 20 个时钟周期。完成这 100 条指令一共就需要 120 个时钟周期。按照概率原理，平均每 100 条指令都需要 120 个时钟周期，也就是说，1.5GHz 的奔腾 IV 其实际工作效率相当于 1.5 X 100/120 = 1.25GHz，所以说，1.5GHz 的奔腾 IV 和 1.2GHz 的速龙差不多也就不足为奇了。不过，奔腾 IV 最大的优势就是可以轻松突破 2GHz，而雷鸟核心的速龙到了 1.2GHz 就很难再有所作为了。

　　奔腾 IV 的核心已经非常复杂了，继续加长流水线不但难度更大，而且会因为预测错误，其执行效率更低，一味加长流水线的方法，显然是不可取的。

　　提升 CPU 速度的两种方法：加大集成规模和加长流水线，似乎都已不可取。那么，如果没有新的制造工艺或者新的制造材料出现，CPU 的速度无法进一步提高了吗？

　　很多人可能都有这样的经验，有一些服务器程序，比如 MUD LIB，装在一台奔腾 III 733/Widnows NT 上，其响应速度远远不及装在某些 Unix 服务器上，尽管这些服务器的 CPU 可能只有 300MHz。原因何在呢？这些服务器的 CPU 多半采用的是 RISC（精简指令集）指令，而且其重点就放在网络及服务上。如果你在它上面跑一些多媒体应用，其速度恐怕就不敢恭维了，但是，有在它上面跑多媒体应用的必要吗？

　　这里，我们或许能够得到一些启发。其实，每颗 CPU 都有它特定的用途，也许拿它跑多媒体应用，也许拿它跑服务器进程，也许拿它来进行办公处理，也有许多是用来上网、玩游戏的，但很少会要求哪颗 CPU 必须满足全方位的应用。既然这样，我们为何不把 CPU 定一下位，专门针对某方面的应用进行开发设计，去掉不需要的多余指令和功能，降低 CPU 的复杂度，并强化某些指令。这样，一方面，由于减少了一些 CPU 工作以及一些电子元件，CPU 可以以更高的频率工作，另一方面，即使不提高工作频率，CPU 运行特定程序的速度也快的多。

　　还是举个例子来说吧。在一般的办公自动化应用中，主要处理一些报表数据，以及在企业内部网络上传递信息。那么，它的重点就应该放在整数处理及网络应用上，至于浮点运算性能及多媒体应用是不必花什么精力的。而浮点运算和多媒体处理的微电子元件在一般的 CPU 结构中占了很大的比重。如果我们把这方面弱化，而强化整数运算和网络应用，可以大幅度降低 CPU 复杂程度，提高 CPU 的频率和执行效率，处理速度就要快多了。

　　如果我们的 CPU 主要用于一些复杂的图形处理，比如玩游戏呢？一台索尼 PS 游戏机，其处理器绝对不会比奔腾 II 350 更复杂，但它处理游戏的效果要比奔腾 II 甚至奔腾 III 还要出色。个中原因很简单，PS 的处理器就是为游戏而设计的，它的指令集和体系结构都比奔腾 II 更适合处理游戏，所以它的游戏效果更出色。同样的道理，如果要生产一台主要用于游戏的电脑，我们也可以去掉一些用不着的指令，并进行相应的增强处理，比如在 CPU 中集成图形加速电路，或者音效处理电路，把原来必须交由显示卡和声卡的工作直接放在 CPU 中处理，减少了周转环节，自然就少了一些瓶颈和延迟时间，这样，即使 CPU 的工作频率并没有提高，但游戏性能却有大幅度的提升。

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