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加农

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合二为一——“CPU-GPU”技术解析

在刚刚过去的2007年，NVIDIA率先引入了Tesla通用GPU计算架构，最终目的是将CPU和GPU合二为一，然而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计划于2009年推出内建GPU核心的Fusion处理器，而Intel整合GPU的Nehalem处理器将与之正面交火，届时，处理器将全面进入整合GPU时代。

三足鼎立：CPU与GPU整合计划

　　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，因此，关于整合CPU和GPU的方案就一直被人们所津津乐道。

　　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处理器中的显示核心称为GPU），并计划于2008年年底发布。在2007年年底，AMD最终确定了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的最终目的，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的完美融合，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，届时，CPU和GPU整合市场将形成三足鼎立的局势。

解决瓶颈：整合GPU的实际价值

　　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。

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　　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gate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才是最终出路，由于CPU通用处理器的设计，令它得以应付日常生活形形[屏蔽]的工作，所以它与GPU的关系是并存的。

小贴士：CPU整合GPU的战略价值

　　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，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，两者都可以拥有最高的效率，同时也可以把兼容性提升到一个更高的档次。尽管这种整合会产生很多实际问题，但对于用户来说，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。

现实的问题：CPU如何与GPU整合？

　　要让CPU与GPU完美结合，摆在厂商面前的问题是如何去整合，对于AMD而言，它将直接在Fusion处理器中整合GPU核心。AMD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核心、缓存和PCI-E通道，将是一款非常有价值的GPU处理器。

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　　实际上，Fusion处理器整合GPU的原理，与目前的Crossfire互联方案非常类似——CPU与GPU事实上仍是[屏蔽]的，通过内部总线进行通信，同时还分别拥有[屏蔽]的缓存，处理器中的GPU和CPU会共享系统内存，从而实现GPU与CPU的数据交换。值得注意的是，Fusion处理器还内置了1个HT总线，允许Fusion处理器的平台扩展外部显卡，AMD表示，Fusion处理器不仅以一个整合了北桥、GPU的单芯片面目出现，还将会整合不同数量的GPU和CPU核心，比如两个Fusion处理器连接在一起，可以达成并行GPU模式。在未来，AMD新一代整合GPU的处理器还将提供多条HT总线，以实现更高的带宽外接显卡，甚至会提供内建GPU与外接显卡的Crossfire新方案。

3.jpg

　　与AMD有所不同的是，Intel的设计路线并不是简单的内建GPU核心，Nehalem处理器是通过多芯片系统封装（Multi-Chip Package）方式，将北桥芯片及图形芯片直接整合在CPU之中，而CPU内核心与GPU核心是通过Quick Path Interconnect(QPI)方式连接，QPI内置内存控制器，有助于解决CPU和GPU从内存中读取数据时的延迟，内存延迟和带宽有了大幅度改进，QPI还具备处理器间的直接连接技术，使芯片能够共享数据，1个处理器能够存取与其他处理器相连接的内存中的数据，大大提升了整合GPU处理器的运行效率。Intel如此的设计方案，还可缩短产品设计周期，有助于降低生产成本。

4.jpg

观点：CPU整合GPU前景广阔，困难也不少

　　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，AMD与Intel初期将以整合简单的GPU为主。同时，由于GPU在设计上的特殊性，它的核心工作频率远比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gate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。

　　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PCI-E 3.0标准，将帮助Nehalem处理器内建GPU核心的性能优势，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。

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Posted: 2008-01-06 11:22 | [楼主]

chaochaohan

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合二为一了

play our ETUDE

Posted: 2008-01-06 11:23 | [1 楼]

加农

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引用第1楼chaochaohan于2008-01-06 11:23发表的 :
合二为一了

普及还早

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Posted: 2008-01-06 11:26 | [2 楼]

leoyuzh

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期待ING

依然高唱I Still Believe, Someday You And Me……

Posted: 2008-01-06 11:36 | [3 楼]

shuizhong9

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这个领域AMD将会是主导

Posted: 2008-01-06 13:06 | [4 楼]

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MS北桥芯片没了

Posted: 2008-01-06 13:06 | [5 楼]

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在未来，AMD新一代整合GPU的处理器还将提供多条HT总线，以实现更高的带宽外接显卡，甚至会提供内建GPU与外接显卡的Crossfire新方案。

期待啊

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引用第4楼shuizhong9于2008-01-06 13:06发表的 :
这个领域AMD将会是主导

nvidia和intel不会坐以待毙的，即使真是这样，对我们也没好处

Quote:

引用第5楼wh2018于2008-01-06 13:06发表的 :
MS北桥芯片没了

我们学的微机原理该更新了

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Posted: 2008-01-06 14:15 | [6 楼]

xielinli

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引用第6楼加农于2008-01-06 14:15发表的 :

我们学的微机原理该更新了

呵呵当年学的时候老师就说该更新了~
PS：他是编写的主要人员之一~

有空回来看看~

Posted: 2008-01-06 18:36 | [7 楼]

momo8664

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我们学的只是原理，其实北桥没了也好，CPU和GPU合二为一了也好，基本原理还是差不多的。

对你的思念终于流成了一条苦酒酿的河，源自我心，有岁月那么长。我终日在河边徘徊，拒绝不了这苦酒的诱惑，饮鸩止渴

Posted: 2008-01-06 22:18 | [8 楼]

moonlitboy

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有一点不好。。。。没有搭配的选择性了

Posted: 2008-01-06 22:47 | [9 楼]

sydebut

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引用第6楼加农于2008-01-06 14:15发表的 :

我们学的微机原理该更新了

微机原理不会更新还是要从那些东西才能开始接触不过期待课本达人更新教材~

Posted: 2008-01-06 22:56 | [10 楼]

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引用第7楼xielinli于2008-01-06 18:36发表的 :

呵呵当年学的时候老师就说该更新了~
PS：他是编写的主要人员之一~

这么牛!不错@#~@

Posted: 2008-01-06 22:56 | [11 楼]

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