比CPU快40倍的AMD CPU-GPU整合方案

AMD成功收购ATI后，CPU与GPU整合方案甚嚣尘上。上星期AMD高 级副总裁兼首席技术长官 Phil Hester抵港，为大家披露AMD最新CPU-GPU整合方案的最新发展。

AMD高级副总裁兼首席技术长官Phil Hester在讲解CPU-GPU整合的好处。




整合GPU的原因 

谈到CPU-GPU整合，Phil Hester指出AMD整合GPU并不是单纯为整合而整合那么简单，而 是考虑到GPU的发展潜力。

Hester指出在上世纪80年代，GPU的作用非常简单，用途也以专门的贴图处理为主。可是 ，踏入2002年开始，GPU着重物理效果，走可编程设计，在2006年，更走进32bit浮点运算设计，令GPU的功能出 现质的变化，功能可媲美CPU。

GPU在经过20年的发展后已变得相当强大。



GPU运算效能媲美超级计算机！ 

与此同时，GPU的运算能力不断提高，而且是专门针对图像运算，与CPU的通过处理器 (General Purpose Processor) 设计不同，可作专门的优化。Hester表示，在2002年，当时的GPU(编按∶为8条 流水线)的浮点运算能力已相当于25倍Cray超级计算机的运算能力，非常夸张。

Hester表示目前AMD(ATI) GPU运算能力已有200-250GFLOPs运算能力，而CPU一般在 25GFLOPs左右，两者相差差不多10倍。Hester更表示，目前许多大学的超级计算机均以GPU来作科学研究，而且 更取得意想不到的效果。例如史丹福大学 (Stanford)大学的蛋白质折迭研究(Folding@home)，原来用CPU要3年 才能完成的运算，但在ATI的GPU上只要1个月即可，效果相当显著。

不过，Hester认为CPU仍有它的存在价值。因为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的关系应该是并存的。如CPU负责一般计算，而GPU则负责专门浮点计算。

在2002年，一颗ATI GPU的浮点运算能力已相当于25部Cray超级计算机



从这张图表可以见到，GPU在浮点运算能力的提升远远超越CPU






 迈向Petascale年代 

了解到GPU的潜力所在后，现在让我们设想在2008年，AMD成功整合CPU-GPU后，会是甚么 样的局面？

Hester表示，假设GPU以3GHz 48 GPU Pipes，每周期执行8个FLOPs，其浮点运算能力可 达TeraFLOPs的水平。另随着GPU技术的进步，在2010年更可实现PetaFLOPs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。若果与 Intel计在2010年推出的80 Core TeraFLOPs CPU相比的话，则届时AMD CPU-GPU的浮点运算能力是Intel CPU 的1,000倍以上。

运算效能单位的比较∶ 
1000 GigaFLOP = 1 TeraFLOP 
1000 TeraFLOP = 1 PetaFLOP 
1000 PetaFLOP = 1 ExaFLOP 
1000 ExaFLOP = 1 ZetaFLOP 
1000 ZetaFLOP = 1 YottaFLOP

AMD计划以GPU实现2010年PetaFLOP级的浮点运算效能。




以GPU来实现物理效能会比CPU更得心应手



 Dual Core将变成CPU-GPU 

至于AMD会采用那一种方案来实现CPU-GPU整合呢？Hester表示现在PCI-E频宽虽高，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所限，未来利用CPU的Cache。是以AMD会考虑把 GPU整合到CPU的核心去，成为CPU的Co- processor。 

在Hester展示的CPU-GPU架构图中，芯片上设有两个Core，分别为CPU及GPU，它们之间以 Crossbar交换数据，比PCI -E更为有效。而在新的架构下，GPU也可以读取CPU的Cache资料，这些是以往PCI-E Bus所未能提供的功能。另外，CPU-GPU方案也整合了内存控制器。而目前的做法是同时整合了CPU的DDR2/2，以 及GPU用的GDDR内存控制器，一次过满足两者的需求。此外，Hester又表示，现在单纯整合多个处理器核心的方 案不能解决所有的问题，而CPU-GPU整合则可提供更高的Performance per Watt，是现在多核心处理器所不能提 供的。
现时PCI-E Bus将限制了GPU与CPU之间的进一步合作



 AMD的CPU-GPU活像是把Dual Core处理器的第二个Core换上GPU。
因此AMD也为此作出了准备，所以新的65nm 处理器也会有Single Core Rev.G核心。


考虑整合DX 10引擎 

CPU-GPU整合看像容易，但现实行起来有不少问题有待解决。例如现有GPU内建的晶体管 目数目达到7亿之多，比CPU还要复杂。另外，GPU的工作频率远比CPU为低，AMD又会怎样解决以上的问题呢？ 

据Hester表示，即使以最新的65nm以至未来的45nm制程来说，内建高阶的GPU是非常困难 的，但AMD初步计划是以整合简单的GPU 为主，所以技术上还是可行的。而虽然是简单的GPU，但也达到DirectX 10的水平，以全面支持Windows vista及HD播放等等。另外，针对GPU频率落后CPU的问题，Hester表示这是GPU 架构的问题。此外，针对GPU频率落后CPU的问题，未来AMD会致力于以CPU技术改良 GPU，使之实现3GHz的工作频 率。
保留升级功能 

针对用户想升级GPU的需要。Hester表示新处理器还会1个HT Link，以便外加更强的显示 卡。而Opteron的整合方案更会提供多条HT Link，实现更高的频宽外接显示卡。至于AMD又会否想到用内建的 GPU及外加的显示卡实现Crossfire呢？Hester表示这在技术上是可行的，说不定未来大家可以购买一张显示卡 与内置的GPU行Crossfire呢！
新一代AMD处理器将采用模块概念，所以Opteron很有机会内建2颗以上的GPU

AMD的CPU-GPU整合方案将针对Server、Desktop、Notebook以至Consumer Electronics等市 场。同时CPU-GPU 整合方案也可以把成熟的x86技术带到Consumer Electronics上，创造更多商机。




 结论∶创新的革命性概念 

IT界的定律是「先比概念，再比产品」，所以概念的正确与否比产品的成功与否还要重 要。在K8处理器的年代，AMD以整合内存控制器及 64bit指令领先Intel，形成今天的强势。现在AMD又再推CPU- GPU整合概念，比Intel单纯整合80个Core先进。要是AMD真的成功的话，Intel又能拿甚么产品与AMD竞争呢？