关于GPU+CPU 整合发展的趋势探索研究

出处：zhm5590 发布于：2010-07-24 18:12:36

关于GPU+CPU 整合发展的趋势探索研究

摘要：在PC技术领域，CPU 和GPU 始终是相辅相成，在二者已经发展到出现新的瓶颈时，“结合”也许是明智的解决方案，而关于整合CPU和GPU 的方案就一直被人们所津津乐道。随着，NVIDIA率行引入了Tesla通用GPU计算架构，其终目的是将CPU和GPU合二为一，然后NVIDIA并没有CPU的研发历史，在整合的道路上遇到了重重困难。另一方面，AMD又计划推出内建GPU的Fusion处理器，而Intel整合GPU的Nehalem处理将与之下面交火，各大计算机巨头的行为似乎在预示处理器将进入整合GPU的时代

引言

自从声卡逐步退出历史舞台之后，机箱里的板卡格局就再没有发生过大的变化。尽管其间也有整合显示芯片的主板前来“搅局”，但终究只存在于低端并非主流。CPU、主板、内存、显卡这几个大家伙早已成了“铁打的营盘，流水的兵”，不管怎么DIY 怎么升级，他们总是不可或缺的。不过接下来，情况可能会发生一些变化，CPU 制造商已经把扩张的目光投向了内存和GPU，究竟谁会是下一个被“兼并”的对象很值得一看。比较与CPU+内存之整合，"CPU+GPU"整合方案似乎更为成熟可行一些.让我们先了解一下CPU 和GPU 在计算机中的作用。

CPU 和GPU 都是具有运算能力的芯片，CPU 更像“通才”——指令运算(执行)为重+ 数值运算，GPU 更像“专才”——图形类数值计算为。在不同类型的运算方面的速度也就决定了它们的能力——“擅长和不擅长”。CPU 擅长的：操作系统，系统软件，应用程序，通用计算，系统控制等等；游戏中人工智能，物理模拟等等；3D 建模-光线追踪渲染；虚拟化技术——抽象硬件，同时运行多个操作系统或者一个操作系统的多个副本等等。GPU 擅长的：图形类矩阵运算，非图形类并行数值计算，高端3D 游戏。

因此，说到3D 游戏和图形处理工具，可能大家关心的都是显卡方面能力，既图形处理芯片(GPU)，它是显示卡的“心脏”，也就相当于CPU 在电脑中的作用，它决定了该显卡的档次和大部分性能。而作为3D 运算中另外一个非常重要的部分却往往被大家所忽视。那就是有着计算机的大脑之称的中央处理器，我们也常称他为“CPU”。众所周知，在游戏的运行中不免有大量的物理运行需要CPU 来处理，这样才能保证游戏画面的真实性和流畅性。在游戏中，GPU 主要负责图像处理工作，但是CPU 的作用也同样不容忽视。所以在不同的应用领域里面CPU 和GPU 都是担任着非常重要的角色。

一、GPU与CPU在微机处理中具有同样的重要性

片面地强调CPU 或者显卡的作用都是错误的，毕竟两者是不可分离的有机体。CPU与显卡在具体的操作流程方面还是有所分工。一般而言，CPU可以保证3D 游戏的速度，而对画质、3D 特效等不能产生太大的影响。相反，GPU在各种环境下都要对速度与画质两个方面做出的贡献。因为从理论上说，一旦游戏的分辨率及画面提高，或者大量运用3D特效，显卡的负担将呈几何倍速提高，对像素填充率与显存带宽提出极高的要求。而DirectX硬件支持则完全依赖于显卡GPU 本身的素质，如果你的显卡达不到这项要求，纵然CPU 是双核甚至是四核也无济于事。

CPU 作为整个系统的中枢神经同时极为重要的地位。CPU 在3D 游戏中所起的作用就是对三维场景进行设计，显卡生成的每一个点都是由CPU规定。此外，CPU 还要负责诸如游戏数据处理等工作，负担丝毫不亚于显卡。需要注意的是，如今的显卡GPU 已经具备了相当的处理能力，可以有效减轻CPU 的负担。然而，从另一个角度来看，CPU 又可以模拟GPU 的操作，使两者之间形成互补。对于一台完整的计算机来说无论是CPU 还是GPU，两者都是密不可分不可缺少的。两者并非单一的谁更重要的关系而是缺一不可。

需要注意的是，如今的显卡GPU 已经具备了相当的处理能力，可以有效减轻CPU 的负担。然而，从另一个角度来看，CPU 又可以模拟GPU 的操作，使两者之间形成互补。

二、GPU+CPU 整合发展之趋势

由于在功能和作用上GPU 与cpu 的很多方面是整合互补的，因此有人发出了这样的想法，我们还需要显卡吗?早在多年前,有人已经在这方面做出了尝试。

AND 购并图形处理芯片提供商ATI(Array Technology Industry)公司,这桩发生在CPU（Central Processing Unit 中央处理器芯片）和GPU（Graphic Processing Unit 图形处理芯片）领域的并购事件，明示着CPU 与GPU 的整合之势，其影响已经远远超过了各自所属的领域范围,在芯片产业内部造成激荡。

自收购ATI 之后，AMD 公布了整合CPU 和GPU 的Fusion 计划（为了不给大家在阅读上造成混乱，我们下文仍将集成在AMD 处理器中的显示称为GPU），并计划于2008年年底发布。在2007年年底，AMD 终确定了Fusion 处理器的细节，并将在2009年下半年以APU（加速处理器）的面目出现，首款APU 的代号为Swift，初步计划采用45nm 的SOI（Silicon on insulator，绝缘体硅片）工艺,集成GPU 和北桥。

作为处理器领域的霸主，Intel 显然不会坐以待毙，为了对抗AMD 的Fusion 处理器，Intel计划在下一代Nehalem 处理器家族中，将代号为Havendale 的处理器整合GPU，同样会在2009年上半年如期上市。

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 的完美整合，NVIDIA 已经抢先买下UlI Electronics，并收购了Stexar 公司，获得了整体芯片组和x86架构的设计团队，并计划于2009年推出一款45nm 处理器，为未来推出整合CPU 和GPU 做准备。

可见，在大多数业内人士看来，由于在未来的处理器市场，通用功能的中央处理器与特殊功能的中央处理器芯片之间的功能差别将变得越来越小，因此两者早晚会整合到一起。海克特·鲁毅智也相信，两种芯片处理器的整合是一种确定无疑的趋势。英特尔公司也曾经做过类似努力，不过他们的实现方法是把低端的显卡集成到自己生产的电脑主板上。甚至,已经有业界人士开始探讨CPU＋GPU 的可行性，并且迫不及待将由此理念催生的新型处理器命名为IPU（即整合处理器，Integrated Processing Unit）。AMD 与ATI 已经宣布，将于2008年推出四大类结合CPU 和GPU 的整合处理器，分别为通用、数据、绘图和多媒体四种平台。

整合处理器的问世、独立的图形芯片市场将走向何方，现在做出结论还为时太早。但ATI 的退出本身已经严重削弱人们对独立GPU 业务的乐观估计。

三、CPU+GPU 整合之实际价值

CPU+GPU 整合的实际价值是如何解决二者在发展过程中的瓶颈。而谈到CPU 与GPU 的整合，相信不少用户都会想到板载GPU，它的目的是为了降低用户的使用成本，然而在CPU里整合GPU，是否也仅为了降低成本那么简单呢？实际并非如此，在GPU 刚刚诞生的时候，它的用途比较简单、专一，主要是为了处理图像贴图，然而随着3D 技术的发展，GPU 不仅具有可编程能力，而且还具备高强度并行计算能力。GPU 有两个重要特征：在视觉上提供非常逼真的效果；可以分担CPU 在计算中的负载，起到减负的作用。CPU 的设计则不同，它适合管理多个离散的任务，但在处理并行化任务时显得力不从心，CPU 进入多核时代后，依然不能满足用户的需求。因而，GPU 在浮点运算能力上要远强于CPU，据说这个差距在25倍。PCI-E 总线限制了GPU 与CPU 的整合。

如果能够发挥GPU 的性能潜力，让它协助CPU 处理复杂的任务，比如CPU 负责一般任务计算，而GPU 则负责专门浮点计算，这样就可以解决未来CPU 发展的性能瓶颈。为此，通用“CPU-GPU”计算构架被一致看好，但实现二者的整合有两个途径：CPU 整合GPU，或GPU集成CPU。就目前的情况来看，尽管PCI-E 总线的带宽虽高，但始终未能满足CPU 与GPU 之间频繁的数据交换工作，加上GPU 受PCI-E 总线的限制，GPU 集成CPU 还不够成熟，CPU 整合GPU 才是终出路，由于CPU 通用处理器的设计，令它得以应付日常生活形形色色的工作，所以它与GPU 的关系是并存的。

四、CPU+GPU 整合展之可行性

整合的车轮已经开始转动，抛开仍有待解决的问题不谈，不论是英特尔还是AMD 的方案都涉及到整个PC 架构的变化，可谓是牵一发而动全身。

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，GPU 似乎比CPU 更容易并行。现在的显卡天生就是多核的,而且一块卡上处理单元的数目并不是2、3而是几十上百，这样的硬件架构似乎就是为并行而生的，CPU 与GPU 整合在一起可以更充分地利用好各自的资源，无论是进行非游戏运算，还是3D游戏运算，两者都可以拥有的效率，同时也可以把兼容性提升到一个更高的档次。

从时间上讲，AMD 的“CPU+GPU”整合方案似乎更为成熟一些，如果不出意外2008年就能见到，但效能如何仍有待*估；反观英特尔的“CPU+内存”方案，似乎仍然有较多的准备需要去做，尽管变数颇多，但如果真的成为事实性能提升肯定颇为可观。不管怎么说，两者都向我们展示了CPU 发展中前沿的一个趋势，虽然谁成功谁失败还难有定论，但整合的发展方向业已形成，不容扭转。

五、CPU+GPU 整合发展之现实问题

但是这种整合希望还存在很多实际的问题，AMD 想直接在Fusion 处理器中整合GPU ，将本来内建双核CPU 的其中一个Core 更换为GPU，使得CPU 与GPU 之间以Crossbar（交叉开关）方式交换数据，更适合CPU 的代码将在Fusion 处理器的CPU 部分被执行，而更适合GPU 的代码将在GPU 部分被执行。在这种新架构下，GPU 也可以读取CPU 的Cache 资料，这是PCI-E 总线所未能提供的功能，Fusion 处理器还整合了内存控制器，以同时满足CPU 的DDR2/3及GPU 的GDDR 内存控制器的需求。无疑，Fusion 处理器将内建完整的DirectX GPU 、缓存和PCI-E 通道，将是一款非常有价值的GPU 处理器。GPU 和CPU 一起共享存储，但是这牵扯到地址空间的问题，例如Cell 体系结构的构架，就是类似这种，中间一个控制核，周围有8个计算核,共享存储控制器。但是GPU 计算麻烦的不是内存到显存的IO，目前用PCI-E速度已经很快了，而且关键是现在显存足够大了，很多数据可以性先放进显存，GPU 的架构里面只有constant memory 和texture memory 可以cache，而且这两个是只读的一般用的global memory 不能cache，读要几百个clock，所以CUDA 用的是多线程来hide 这些latency，而且GPU 的MP 直接的通信也比较麻烦，另外一个很大的问题就是支持branch 的机制比较差。

尽管CPU 整合GPU 成为未来发展趋势，但至少可以肯定，在2009之前，对应产品不会上市，此外，CPU 与GPU 整合看起来容易，但实际遇到的问题还很多，比如现有主流GPU 内建的晶体管目数目达到7亿之多，比CPU 还要复杂，这意味着CPU 还难以集成高端GPU 内核。就算以后能集成高端的GPU，但GPU 的发热量比CPU 大许多，也是一个亟待解决的问题。

因此，GPU 和CPU 整合可能性虽然比较大，但是整合的方式仅仅是距离更靠近了，就是可能会在一个卡上，内存显存合到一起的可能性比较大。而计算估计不太可能互相替代，因为串行和并行这两种计算问题就问题本身而言不会整合，所以必须有两种适合这两种问题的处理器，要不就牺牲性能来换取兼容性，这是消费者不能接受的，而硬件厂商的终目标是让用户的计算越来越快。

同时，由于GPU 在设计上的特殊性，它的工作频率远比CPU 要低，这将会制约GPU与CPU 之间的数据互通能力，在传输速度上会存在一定的延迟，至少不会有理想中那么好。正是由于技术上的不足，导致了CPU 整合CPU 暂时并不会马上普及起来，毕竟对于高端游戏玩家或图形工作站用户而言，对CPU 整合GPU 的产品需求并不是那么迫切。他们更在乎强劲的图形处理性能，但对于普通用户而言，初期CPU 整合的GPU 已经达到了DirectX 10入门级水平，可以全面支持Windows Vista 及高清视频播放等能力，不仅可满足日常娱乐应用需求，同时进一步降低了用户购买成本，更为重要的是，由于GPU 被集成在CPU 里，可以让系统的体积做到更小，整机功耗也更低，这符合未来低功耗、低噪音的节能环保PC 的发展方向。

六、CPU+GPU 发展前景及战略价值

幸运的是，技术的发展总是永无止境，针对PCI-E 总线存在的延迟问题，Intel 推出了PCIE3.0标准，将帮助Nehalem 处理器内建GPU 的性能优势，同时对于GPU 频率落后CPU的问题，AMD 方面表示会致力于以CPU 技术改良GPU，使之实现3GHz 的工作频率，此时GPU 的浮点运算能力可达更高的水平。另外随着GPU 技术的进步，到2010年时，GPU 可实现Petaflops(千万亿级)的超级浮点运算能力，是现在CPU 的40倍以上，完全改变计算机功能，此时CPU 整合GPU 的时代才会开始普及起来。

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，在未来，PC 也可以像手机一样，拿在手里到处移动使用。

对于时下的主流应用，Windows Vista 的3D 性能、多媒体性能，对GPU 并不会构成运算负担，随着CPU-GPU 技术的发展，更多的浮点运算任务被安排给GPU 计算，因为GPU 强大的浮点运算能力比CPU 的执行效率更高。GPU 不仅仅是一颗3D 图形处理器，它不是只能用于玩游戏，未来GPU 更多实用的功能将会被开发出来，比如大型文档加速、视频转换、编码、查毒杀毒、压缩解压……而如果CPU 整合GPU 的技术足够完善，未来所有的工作都可以交给CPU去执行，届时，电脑体积将变得非常小巧、轻薄。也许这样的PC 才是用户真正需要的PC。