【知乎】高性能CPU設(shè)計(jì)為什么很難？
高性能CPU設(shè)計(jì)為什么很難？
Qianlong
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我曾經(jīng)在幾家研發(fā)高性能CPU的公司做過研發(fā)工作，例如中晟宏芯（現(xiàn)在合芯科技）、華芯通等，其發(fā)展不算順利，對(duì)于高性能CPU為何很難這件事淺談一點(diǎn)自己的看法, 拋磚引玉。
暫定高性能CPU的分?jǐn)?shù)以SPEC CPU 2006 speed 單線程測(cè)試15分/GHz劃線，該參數(shù)可以直接衡量CPU設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，高于此的歸類為高性能服務(wù)器CPU。本文所說的高性能CPU，指的是單核單線程每GHz性能，因?yàn)橹挥羞@個(gè)才能體現(xiàn)真正的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力, 而且CPU運(yùn)行時(shí)主頻不是固定的, 睿頻也沒法持續(xù), 睿頻后跑的總分也沒法用來公平比較, 用該參數(shù)衡量是各家CPU vendor的公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。多核分?jǐn)?shù)像是打群架，只要核夠多就把多核分?jǐn)?shù)堆上去。SPEC官網(wǎng)上的多核分?jǐn)?shù)測(cè)試常年被日本霸榜，就是因?yàn)樽儜B(tài)的小日子組了成千上萬個(gè)CPU板卡連起來跑了個(gè)分，nonsense。
先說結(jié)論：高性能CPU作為“皇冠上的明珠”，沒有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，不可能彎道超車，更不可能一步到位。唯一能做好的辦法就是埋頭苦干，實(shí)踐出真知。
完全從頭重寫高性能CPU需要的周期很長，舉幾個(gè)例子感受下：
（1）高通之前的1000人QDT研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在第二代core還不一定能夠到15分，然而第一代就經(jīng)過了兩年多的研發(fā)（約10分/GHz），第二代研發(fā)(內(nèi)測(cè)性能提升30%+)進(jìn)入尾聲又過去了兩年，后來因?yàn)槎聲?huì)不同意繼續(xù)撒錢，項(xiàng)目徹底砍掉不了了之。
（2）Apple M1中的Firetail core（大約22分/GHz），是從2010年的Apple A4（基于ARM Cortex A8）一直迭代到現(xiàn)在的產(chǎn)物，相關(guān)研發(fā)人員具體我不清楚，但幾百人肯定是有的。
（3）龍芯上一代3A5000是10.x分/GHz，這一代3A6000是15分/GHz，最新一代微結(jié)構(gòu)性能提升了50%，這個(gè)性能已經(jīng)達(dá)到了全球范圍內(nèi)的第一梯隊(duì)，至少墊墊腳能看到前面的AMD、Intel、Apple了。走到這一步龍芯堅(jiān)持了21年，值得讓人尊敬。很多人看不起龍芯，全國范圍內(nèi)所有CPU設(shè)計(jì)公司，注意是所有，有哪家設(shè)計(jì)的CPU單線程性能超過了龍芯？
（4）鯤鵬920，大概10分/GHz，其中的圖靈核是從2010年開始組建團(tuán)隊(duì)研發(fā)。圖靈核團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)自研core，我相信性能肯定會(huì)進(jìn)一步提升，但是由于制裁導(dǎo)致產(chǎn)品不能流片，這里不做推測(cè)和介紹。
曾經(jīng)跟IBM和Qualcomm的架構(gòu)師交流，如果把他們架構(gòu)師核心團(tuán)隊(duì)原班人馬拉出來，重新組織團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)新的高性能CPU，沒有兩代（4-5年）也不可能達(dá)到目前AMD和Intel的最高水平。
有人說，買了最新IP消化吸收再創(chuàng)新行不行？依然很難，中晟宏芯、華芯通、海光、還有幾家買ARM N2，這幾家都是這種思路，哪家已經(jīng)做到了修改代碼隨心所欲不逾矩？RTL與應(yīng)用軟件的區(qū)別就在此。
2. 國內(nèi)在高性能CPU微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的積累和人才不夠。
這里的人才不是說我們不夠聰明，而是我們?cè)谶@個(gè)方向上踩過的坑不夠多。我們的工程師，勤奮聰明肯吃苦，但是在高性能CPU微結(jié)構(gòu)方面的積累，全球只有美國、以色列兩個(gè)地方算是最深入，ARM的高性能核設(shè)計(jì)甚至也要仰仗于美國的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
CPU微結(jié)構(gòu)（可以認(rèn)為是狹義的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)）的基礎(chǔ)知識(shí)不算很難，體系結(jié)構(gòu)方向的碩士普遍就能入門甚至有較好的掌握，難得是如何把微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙、均衡，我們?cè)诖朔矫娴姆e累距離蘋果、AMD、Intel還有些差距。我國從2010年左右才開始涉足高性能CPU的設(shè)計(jì)，之前自研的CPU都偏中低端，因此差距就是我們?cè)诟咝阅蹸PU涉及領(lǐng)域踩得坑不夠多。這就像一個(gè)槍手，剛開始只練習(xí)手槍（中低端）射擊，直接給他巴雷特很可能打不好，何況子彈（踩得坑）不管飽。
高性能CPU的研發(fā)，需要不停的迭代，打磨。CPU就是藝術(shù)品，需要長時(shí)間對(duì)所有細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)打磨，需要客戶不停的反饋問題，推動(dòng)設(shè)計(jì)修改，如果沒有客戶使用，問題無法暴露出來，那么提升也就非常慢。
3. 高性能CPU設(shè)計(jì)沒法彎道超車，沒有后發(fā)優(yōu)勢(shì)
有些人張口就來，我們有后發(fā)優(yōu)勢(shì)，我們要彎道超車。但這是有條件的。后發(fā)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，前面有人幫你踩了坑、淌了路，并且你看到了記住了學(xué)會(huì)了，這時(shí)候再去干就知道哪些能干哪些不能干。能完成高性能CPU設(shè)計(jì)的公司，CPU微結(jié)構(gòu)的探索過程、PPA的優(yōu)化過程絕對(duì)是內(nèi)部極度保密的資源，不會(huì)輕易讓你看到、學(xué)到。IBM為了開發(fā)性能探索用的模擬器，甚至先開發(fā)一門“T語言”，這不可能公開。當(dāng)年中晟宏芯買來的IBM的M1模擬器就是T語言編寫，但是只給你加密后的二進(jìn)制，付費(fèi)也不給源碼，不僅如此，core的微結(jié)構(gòu)文檔大幅刪減，想讀懂他們VHDL寫的源碼需要花費(fèi)大量時(shí)間；華芯通買到的高通代碼不僅沒有微結(jié)構(gòu)文檔，甚至連斷言都給你刪掉；更不用說美國政府限制的高性能浮點(diǎn)模塊不允許出口，這些花多少錢也買不到。為什么這些不給？教會(huì)徒弟餓死師傅。看不到他們的經(jīng)驗(yàn)，何來后發(fā)優(yōu)勢(shì)？
再說彎道超車。彎道超車的關(guān)鍵在于換賽道啊同學(xué)，你看我國汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車，是不是換了老外們積累不夠深入的新能源賽道上？這些高性能CPU能行么？答案是不行。高性能CPU設(shè)計(jì)就這一條道，沒有新賽道，從1980年代往后，體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域開始進(jìn)入蓬勃發(fā)展期，現(xiàn)在使用的很多微結(jié)構(gòu)改動(dòng)的idea都是參考那些年代的論文，這個(gè)賽道沒有新鮮事，沒有另辟蹊徑，只能想盡各種辦法把微結(jié)構(gòu)做的精致，提升單線程性能。沒有其他道路可走，怎么彎道超車？如果沒有新能源電動(dòng)車，國產(chǎn)車還是很難超過合資汽油車。
對(duì)于高性能CPU設(shè)計(jì)而言，如果你聽到有人說出彎道超車、后發(fā)優(yōu)勢(shì)，默默心里罵一句sx就行了。
4. 設(shè)計(jì)高性能CPU know-how很難
有人說體系結(jié)構(gòu)不有四大頂會(huì)ISCA、MICRO、HPCA、ASPLOS，為啥不從里面學(xué)習(xí)？首先這些論文的質(zhì)量參差不齊。很多中了頂會(huì)的論文也是在灌水，不信你可以看看當(dāng)年那件轟動(dòng)體系結(jié)構(gòu)圈的新聞（學(xué)生由于論文數(shù)據(jù)問題想撤稿，但是導(dǎo)師不允許，學(xué)生自殺），據(jù)我的讀論文經(jīng)驗(yàn)，頂會(huì)中的論文，可信度雖然比其他會(huì)高，但是數(shù)據(jù)要打折，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要打折，結(jié)論要打折，具體打多少折扣得自己花時(shí)間驗(yàn)證。其次，復(fù)現(xiàn)這些論文并驗(yàn)證結(jié)論是一件非常耗時(shí)的事情，要不然體系結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的博士生畢業(yè)都很困難呢，我在之前的一篇博文中提到過（大齡讀博）。再次，有些好的idea由于學(xué)生畢業(yè)時(shí)間倉促等原因反而沒有投到頂會(huì)，從這些論文中讀出金子需要大量人力和時(shí)間，絕對(duì)算得上沙子里面淘黃金，Intel的研究院有很多預(yù)研人員做這些事，我國目前除了少數(shù)幾家有相關(guān)預(yù)研人員，其他公司還未曾聽說有這方面投入。最后，很多論文中很漂亮的idea，評(píng)估效果也不錯(cuò)，但是真正落到芯片中代價(jià)太大，例如面積太大、時(shí)序緊張等，但是嘗試把新feature落到產(chǎn)品的周期都要以年為單位計(jì)算。
5. 很多公司不愿意投入去設(shè)計(jì)新的高性能CPU core，造不如買。自己設(shè)計(jì)出來的core，10分/GHz，買來的20+；自己設(shè)計(jì)要投入十幾億甚至幾十億資金，周期還長，不如直接買來省錢便捷。
那怎么才能設(shè)計(jì)出真正的高性能CPU呢？我也不知道，只能從失敗的經(jīng)驗(yàn)判斷大概有那么幾條：
融資足夠或者產(chǎn)品能迭代起來有利潤，只有這樣才能養(yǎng)得起研發(fā)團(tuán)隊(duì)長期投入?？匆幌履壳皣鴥?nèi)做的比較好的CPU設(shè)計(jì)公司，特點(diǎn)都是公司有利潤、產(chǎn)品能賣得出去，沒有資本愿意長期投入不考慮回報(bào)，只有自己能造血才可以長久。
人員要穩(wěn)定，CPU設(shè)計(jì)不像應(yīng)用軟件，上手很慢，看著文檔理解代碼都很難。之前看過一篇描述Adobe屎山代碼沒法改的文章，與其類似自行腦補(bǔ)。
領(lǐng)頭人（或者技術(shù)負(fù)責(zé)人）必須要懂CPU設(shè)計(jì)，外行堅(jiān)決不行。曾經(jīng)有個(gè)自認(rèn)為很懂ASIC的領(lǐng)導(dǎo)定目標(biāo)，要自研CPU吊打AMD和Intel，研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過討論后我去匯報(bào)，我說需要100個(gè)人，三年開發(fā)兩代產(chǎn)品（我已經(jīng)是覺得資源很緊張了，而且只是打算對(duì)標(biāo)A76），對(duì)方站起來來了一句“不make sense”摔門而去，我心里也只能默念一句sx。。。一個(gè)好的技術(shù)負(fù)責(zé)人，往上能頂住來自不懂行的sx的瞎指揮，不要讓這種無意義的瞎指揮影響研發(fā)進(jìn)度和研發(fā)工程師的心態(tài)；往下能安排好項(xiàng)目進(jìn)度，對(duì)于各研發(fā)人員的技術(shù)能力做到了如指掌，對(duì)項(xiàng)目難度和計(jì)劃做到心中有數(shù)，自己的名聲還要足夠大且能力足夠強(qiáng)，否則無法招聘到能力合適的員工，說白了你自己不行就不可能招聘到行的人?！拔娜讼噍p”在這一行表現(xiàn)比較明顯，有人覺得我自己技術(shù)牛逼，看不起其他人，但是CPU是需要通力合作才能做好的項(xiàng)目，負(fù)責(zé)人還要有能力按住這些人，不要鬧內(nèi)訌。
少一點(diǎn)內(nèi)斗，再少一點(diǎn)。目測(cè)創(chuàng)業(yè)公司中因?yàn)閮?nèi)斗直接或間接死掉的不低于30%吧，即使還沒倒的，內(nèi)斗也一直在持續(xù)。
想盡辦法找市場(chǎng)，賣不出去就沒法回籠研發(fā)資金，也就沒法讓研發(fā)人員持續(xù)深入的死磕微結(jié)構(gòu)改進(jìn)。研發(fā)人員對(duì)于市場(chǎng)的認(rèn)識(shí)很差，總感覺的我自己技術(shù)牛逼，做出來就不怕沒人買，實(shí)際情況是越是高科技越要做好銷售，因?yàn)榭蛻艨赡懿欢愕募夹g(shù)細(xì)節(jié)，要千方百計(jì)服務(wù)好客戶才能獲得訂單，千萬不要覺得“酒香不怕巷子深”。
以上幾個(gè)條件，融資和市場(chǎng)是基礎(chǔ)，其他部分是頂層建筑，缺一不可。
在我看來，真正高性能CPU（世界第一梯隊(duì)）微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度和重要性，不亞于5G、光刻機(jī)，只是目前暫時(shí)沒有因?yàn)檫@個(gè)卡脖子。如果未來我們買不到任何一款國外高性能CPU芯片，買到的IP授權(quán)也不允許繼續(xù)使用（國內(nèi)能買到ARM N2的IP），作為信息時(shí)代最重要基礎(chǔ)設(shè)施的國產(chǎn)云未來怎么辦？
評(píng)論區(qū)有人噴我說單核單線程性能是按照每GHz，意思是我不懂主頻是什么意思？這里強(qiáng)調(diào)單核單線程每G分?jǐn)?shù)，是為了強(qiáng)調(diào)微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，而且，CPU運(yùn)行時(shí)不是定頻，因此CPU vendor公布很多IP都會(huì)以每GHz表示其性能高低（有的會(huì)同時(shí)展示其總分），例如SiFive公布其P870可以達(dá)到SPEC 2006 17分/GHz, 噴子肯定不是CPU設(shè)計(jì)從業(yè)人員，因?yàn)镃PU designer都懂這些指標(biāo)的意義，但凡多看幾個(gè)CPU vendor ppt也不至于拿這一點(diǎn)噴. naive。
還有人噴龍芯造假，對(duì)于每個(gè)CPU設(shè)計(jì)公司而言，都會(huì)有配套的編譯器團(tuán)隊(duì)，那些所謂沒造假的CPU設(shè)計(jì)公司為什么不去改編譯器？況且編譯器隨著CPU設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)本身也是一家CPU設(shè)計(jì)公司的基礎(chǔ)能力，Intel ICC編譯器號(hào)稱benchmark編譯器你們就不噴了？這就像說UFC小鷹拳擊不行，只是地面功夫厲害，那你倒是打得過他啊？naive。
編輯于 2023-11-09 09:43
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64 條評(píng)論
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最新
常成
猜測(cè)答主經(jīng)過2次失敗，已經(jīng)遠(yuǎn)離了CPU設(shè)計(jì)領(lǐng)域。對(duì)國內(nèi)幾支處理器核設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)目前的進(jìn)展基本一無所知。就拿海思圖靈來說，繼tsv110之后，已經(jīng)研發(fā)了3代核心，最新的核心性能對(duì)標(biāo)Apple的A13。另一支研發(fā)兼容ARM指令集的團(tuán)隊(duì)，則在去年公開了最新核心性能，已經(jīng)與N2相當(dāng)。
08-23?·?IP 屬地湖南
Qianlong
作者
我一直奮戰(zhàn)在一線，也在海思工作過，也跟圖靈核的一些研發(fā)熟悉，沒量產(chǎn)的CPU就沒寫出來。
08-24?·?IP 屬地北京
常成
Qianlong
那我猜錯(cuò)了，失敬，失敬。上述兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都遭遇了A國多輪禁運(yùn)，所以相當(dāng)?shù)驼{(diào)。其實(shí)都是有產(chǎn)品的，只不過出于低調(diào)幾乎沒有宣傳，基本不為外人所知而已。
08-24?·?IP 屬地湖南
開心的小福
我看有些年輕人噴龍芯垃圾 不理解
08-23?·?IP 屬地上海
Xi Yang
蠢而已。這種領(lǐng)域能幾乎全靠自研做到二流水平，已經(jīng)是非常非常厲害了。
08-24?·?IP 屬地北京
開心的小福
Xi Yang
同意。。他們言必稱riscv。。
08-25?·?IP 屬地上海
回旋的電子
哥，這里有個(gè)錯(cuò)別字
08-23?·?IP 屬地廣東
回旋的電子
Qianlong
老哥，最近那篇文章的評(píng)論怎么關(guān)了
08-24?·?IP 屬地廣東
Qianlong
作者
改了，謝謝
08-24?·?IP 屬地北京
當(dāng)時(shí)若見得
那這么說看來你很看好龍芯了，你說的這些基本只有龍芯是一步不落在做的
08-24?·?IP 屬地黑龍江
常成
龍芯的成績吹的很兇
：其實(shí)全靠編譯優(yōu)化。上一代3A5000如果使用開源主線源碼只做兼容性適配構(gòu)建的編譯器，其性能大概8分/Ghz，3A6000目前還沒有人做過類似測(cè)試，如果按編譯優(yōu)化對(duì)3a5000成績提升的比例來算，3a6000大約13分/Ghz。雖然已經(jīng)不錯(cuò)了，但和其宣傳的分?jǐn)?shù)比差了不止兩個(gè)檔次。
08-23?·?IP 屬地湖南
南風(fēng)
你邏輯反了，cpu 才是核心科技。。。 cpu 提供了優(yōu)化指令集，編譯器沒用，那是編譯器的問題，何況龍芯也在往 gcc 提交代碼。等著唄，等主線 gcc 也能針對(duì)龍芯優(yōu)化的很好，你就閉嘴了
08-24?·?IP 屬地北京
維生素面包
小朋友，是編譯器跟著CPU走，不是CPU去適應(yīng)編譯器
08-24?·?IP 屬地北京
白飛夢(mèng)
別說你CPU了，現(xiàn)在其他IT領(lǐng)域都是這個(gè)樣子，產(chǎn)品剛出來甚至還沒有出來都沒有經(jīng)過市場(chǎng)的檢驗(yàn)，就開始秒天秒地了，真讓人無語。
08-24?·?IP 屬地重慶
乙亥生人
原來單核單線程的性能是指每g分?jǐn)?shù) 學(xué)習(xí)了，果然大牛
08-24?·?IP 屬地廣東
peakyboi
感覺這個(gè)作者并不是內(nèi)行
，太不專業(yè)了
11-08?·?IP 屬地四川
okfine
100人團(tuán)隊(duì)用3年時(shí)間經(jīng)過2代產(chǎn)品做出高性能CPU，這個(gè)平心而論，雖然領(lǐng)導(dǎo)不懂行，但是一般人也覺得這是在吹牛。啥技術(shù)負(fù)責(zé)人到最后都得背鍋。
08-25?·?IP 屬地北京
Qianlong
作者
當(dāng)時(shí)技術(shù)討論其實(shí)是兩代后對(duì)表標(biāo)A76
08-25?·?IP 屬地北京
隨便逛逛
看了內(nèi)行人的文章，才知道龍芯的不易和成就。。
08-24?·?IP 屬地江蘇
污污污
高通已經(jīng)買了nuvia團(tuán)隊(duì)，是蘋果之前的CPU團(tuán)隊(duì)
08-24?·?IP 屬地江蘇
Qianlong
作者
高通把自己的QDT團(tuán)隊(duì)1000多人砍掉，過幾年又收購一家Nuvia，這就像是覺得自己的手不好用，砍掉再接個(gè)假肢。完全是因?yàn)橘Y方短視的問題，后來發(fā)現(xiàn)砍掉是錯(cuò)的，又趕緊買一家。中晟宏芯、華芯通都是這樣，現(xiàn)在都重啟了。
08-24?·?IP 屬地北京
無名
Qianlong
大佬，現(xiàn)在華芯通改成改成中安辰鴻了，這個(gè)公司如何?。靠孔V不？
09-20?·?IP 屬地廣東
