处理器设计的谬误—第三部分——只是把CPU提速是不够的,实际上,那是一个错误.pdf

【处理器设计的谬误—第三部分——只是把CPU提速是不够的,实际上,那是一个错误】 在处理器设计领域，单纯地提升CPU的速度并不是一个全面有效的优化策略，这往往是导致处理器性能瓶颈的一个错误做法。本文主要由Grant Martin和Steve Leibson两位专家共同探讨，他们深入分析了处理器设计中的常见误区，尤其是关于不平衡的处理器设计问题。 错误3：不平衡的处理器设计 处理器性能的提升并不只依赖于提高时钟速度。实际上，处理器的性能更多地取决于执行流水线的平衡性。如同任何工程设计一样，良好的处理器性能需要整体设计的均衡。多个因素共同作用于处理器的整体性能，任何单一因素的不平衡都可能影响到实时应用程序的运行效率。设计工程师需要考虑一系列扩展的设计决策和新技术，以实现成本效益高的平衡系统。 过去十年，处理器设计的进步主要体现在两个方面： 1. 电路设计的进步：时钟速度在1985年至2005年间以每年约30%的速度增长。 2. 架构的改进：包括采用更宽的指令集、VLIW架构和精心设计的执行，这些使得微处理器的指令发射速率远超内存带宽的增长或内存访问延迟的减少。 随着处理器速度的提升，处理器与主存之间的交互成为性能瓶颈。为解决这一问题，设计上的改变包括： - 扩大与主存的连接宽度（更多的引脚）。 - 增大和提高指令及数据高速缓冲存储器的效率。 - 采用以存储器为中心的系统架构。 这些方法虽然带来了性能提升，但也增加了成本。文章中将处理器执行时间分为三个阶段： - 处理器时间：当处理器完全或部分使用，但由于指令级并行处理能力不足而造成的停滞时间。 - 延迟时间：在存储器延迟之前的等待时间，存储器延迟的缩短无法通过增加存储带宽来解决。 - 带宽时间：存储器竞争之前的损失时间加上由于存储层之间带宽不足引起的时间损失。 现代处理器设计技术，如不确定的软件和硬件预取技术，可以改善性能，但也会增加对主存的流量，并可能导致预取不准确，从而增加带宽时间和延迟时间的问题。 总结来说，处理器设计的复杂性在于需要平衡各种因素，包括时钟速度、指令集、内存交互、预取策略等，单纯提高CPU速度无法解决所有问题。为了实现最优性能，设计师必须全面考虑整个系统的平衡和优化。