合二为一——“CPU-GPU”技术解析

  在过去的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。

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色色的工作，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。

集成GPU和GPU的Fusion处理器构架图

　　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事实上仍是独立的，通过内部总线进行通信，同时还分别拥有独立的缓存，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。

内建多颗GPU的AMD处理器模块

　　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。

Intel整合GPU处理器架构图

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。

　　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。