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如何设计出一个高性能低功耗的CPU芯片?

2022-11-23 11:32
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中央处理器(CPU)自问世以来,一直是最核心的芯片类型,它驱动着各种各样的电子设备,小到日常可见的手机、电脑等微型设备,大到数据中心的大型服务器或超级计算机,他们的控制中心及驱动中心都是CPU在驱动。毫不夸张地说,没有CPU,人类文明将倒退一大步。

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和其他芯片不同,CPU最大的优势是通用性,它必须适用于多种不同的应用场景,同时还要尽可能满足高性能和低功耗,这意味着CPU必须涉及多学科,然后设计CPU必须精通软硬件、工艺制程、模拟/数字电路等,所以这也是为什么很多芯片厂商都不具备设计CPU的原因,而全球能够设计CPU的厂商都是屈指可数。

为了实现和完善CPU的通用性,现代CPU的设计思路也在不断变化,除了不断地升级微架构,做到性能和功耗的迭代优化之外,还需要集成专用加速单元,以处理高性能的数据处理,如人工智能芯片等。

那么,如何设计出一个高性能低功耗的CPU芯片?

1、内核微架构

内核是CPU最重要的组成部分,随着微电子技术的日趋成熟,现在的CPU具备少则几个多则几十个的内核,和存储器、I/O单元等组成了完整的片上系统,通常内核架构也叫作CPU的微架构,按本质上来说,是对某种指令集架构的具体实现,即X86、ARM、RISC-V等。

不过,即使是相同的指令集架构,不同公司实现的方式也不尽相同,如高通的骁龙处理器和苹果的M系列处理器,均是采用ARM架构,但二者不一样。

此外,所有的CPU微架构都需要实现四个主要的操作,分别是取指、解码、执行、还有写回,简单来说,就是CPU会从内存中取出一条指令,然后通过解码器将它分解成若干部分,并识别该指令的功能,解码后的指令功能将被执行,执行完后的结果被写回到寄存器或存储器里,该过程周而复始,直到整个程序执行完毕,实现取指和解码过程叫做前端,实现执行和写回过程叫做后端。

2、系统SoC架构

系统整体架构,是取决于公司的战略计划发展和产品定位所决定的,是芯片工程师需要充分考虑客户需求和产品性质、定位、性能需求,才能敲板决定,所以该过程需要芯片工程师多咨询前辈领导,参考以往产品设计和项目,充分决定。

3、专用加速

之前说过,现代CPU的主要设计思路是:通用性能提升+特定场景优化上,这两大思路在一定程度上全靠专用加速单元来实现,也就是大厂们主打的加速技术,同时还需要具备常见的密码操作算法来加速数据处理和性能提升,如对称密码操作、非对称密码操作和哈希算法操作等。

4、软硬件生态

除了CPU本身的算力,围绕CPU搭建的计算平台性能也非常重要,特别是现代服务器和数据中心设计里,要兼顾计算存储还有网络这些硬件,同时还有软件和系统的优化,这些软硬件生态配合的使用,不仅能对CPU起到针对性的补强,还可以起到1+1>2的效果,最终实现一个高性能低功耗的系统解决方案,这也是现代CPU系统设计的趋势。

以上就是“如何设计出一个高性能低功耗的CPU芯片?”的回答,希望对小伙伴们有所帮助。


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