【知乎】高性能CPU设计为什么很难？

2023-11-13 16:38 作者:Bili_394329148 0人读过 | 我要投稿

高性能CPU设计为什么很难？

Qianlong

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我曾经在几家研发高性能CPU的公司做过研发工作，例如中晟宏芯（现在合芯科技）、华芯通等，其发展不算顺利，对于高性能CPU为何很难这件事浅谈一点自己的看法, 抛砖引玉。

暂定高性能CPU的分数以SPEC CPU 2006 speed 单线程测试15分/GHz划线，该参数可以直接衡量CPU设计团队的微结构设计能力，高于此的归类为高性能服务器CPU。本文所说的高性能CPU，指的是单核单线程每GHz性能，因为只有这个才能体现真正的微结构设计能力, 而且CPU运行时主频不是固定的, 睿频也没法持续, 睿频后跑的总分也没法用来公平比较, 用该参数衡量是各家CPU vendor的公认标准。多核分数像是打群架，只要核够多就把多核分数堆上去。SPEC官网上的多核分数测试常年被日本霸榜，就是因为变态的小日子组了成千上万个CPU板卡连起来跑了个分，nonsense。

先说结论：高性能CPU作为“皇冠上的明珠”，没有后发优势，不可能弯道超车，更不可能一步到位。唯一能做好的办法就是埋头苦干，实践出真知。

完全从头重写高性能CPU需要的周期很长，举几个例子感受下：

（1）高通之前的1000人QDT研发团队，在第二代core还不一定能够到15分，然而第一代就经过了两年多的研发（约10分/GHz），第二代研发(内测性能提升30%+)进入尾声又过去了两年，后来因为董事会不同意继续撒钱，项目彻底砍掉不了了之。

（2）Apple M1中的Firetail core（大约22分/GHz），是从2010年的Apple A4（基于ARM Cortex A8）一直迭代到现在的产物，相关研发人员具体我不清楚，但几百人肯定是有的。

（3）龙芯上一代3A5000是10.x分/GHz，这一代3A6000是15分/GHz，最新一代微结构性能提升了50%，这个性能已经达到了全球范围内的第一梯队，至少垫垫脚能看到前面的AMD、Intel、Apple了。走到这一步龙芯坚持了21年，值得让人尊敬。很多人看不起龙芯，全国范围内所有CPU设计公司，注意是所有，有哪家设计的CPU单线程性能超过了龙芯？

（4）鲲鹏920，大概10分/GHz，其中的图灵核是从2010年开始组建团队研发。图灵核团队还在继续自研core，我相信性能肯定会进一步提升，但是由于制裁导致产品不能流片，这里不做推测和介绍。

曾经跟IBM和Qualcomm的架构师交流，如果把他们架构师核心团队原班人马拉出来，重新组织团队设计新的高性能CPU，没有两代（4-5年）也不可能达到目前AMD和Intel的最高水平。

有人说，买了最新IP消化吸收再创新行不行？依然很难，中晟宏芯、华芯通、海光、还有几家买ARM N2，这几家都是这种思路，哪家已经做到了修改代码随心所欲不逾矩？RTL与应用软件的区别就在此。

2. 国内在高性能CPU微结构设计方面的积累和人才不够。

这里的人才不是说我们不够聪明，而是我们在这个方向上踩过的坑不够多。我们的工程师，勤奋聪明肯吃苦，但是在高性能CPU微结构方面的积累，全球只有美国、以色列两个地方算是最深入，ARM的高性能核设计甚至也要仰仗于美国的研发团队。

CPU微结构（可以认为是狭义的计算机体系结构）的基础知识不算很难，体系结构方向的硕士普遍就能入门甚至有较好的掌握，难得是如何把微结构设计的巧妙、均衡，我们在此方面的积累距离苹果、AMD、Intel还有些差距。我国从2010年左右才开始涉足高性能CPU的设计，之前自研的CPU都偏中低端，因此差距就是我们在高性能CPU涉及领域踩得坑不够多。这就像一个枪手，刚开始只练习手枪（中低端）射击，直接给他巴雷特很可能打不好，何况子弹（踩得坑）不管饱。

高性能CPU的研发，需要不停的迭代，打磨。CPU就是艺术品，需要长时间对所有细节进行详细打磨，需要客户不停的反馈问题，推动设计修改，如果没有客户使用，问题无法暴露出来，那么提升也就非常慢。

3. 高性能CPU设计没法弯道超车，没有后发优势

有些人张口就来，我们有后发优势，我们要弯道超车。但这是有条件的。后发优势体现在，前面有人帮你踩了坑、淌了路，并且你看到了记住了学会了，这时候再去干就知道哪些能干哪些不能干。能完成高性能CPU设计的公司，CPU微结构的探索过程、PPA的优化过程绝对是内部极度保密的资源，不会轻易让你看到、学到。IBM为了开发性能探索用的模拟器，甚至先开发一门“T语言”，这不可能公开。当年中晟宏芯买来的IBM的M1模拟器就是T语言编写，但是只给你加密后的二进制，付费也不给源码，不仅如此，core的微结构文档大幅删减，想读懂他们VHDL写的源码需要花费大量时间；华芯通买到的高通代码不仅没有微结构文档，甚至连断言都给你删掉；更不用说美国政府限制的高性能浮点模块不允许出口，这些花多少钱也买不到。为什么这些不给？教会徒弟饿死师傅。看不到他们的经验，何来后发优势？

再说弯道超车。弯道超车的关键在于换赛道啊同学，你看我国汽车产业弯道超车，是不是换了老外们积累不够深入的新能源赛道上？这些高性能CPU能行么？答案是不行。高性能CPU设计就这一条道，没有新赛道，从1980年代往后，体系结构领域开始进入蓬勃发展期，现在使用的很多微结构改动的idea都是参考那些年代的论文，这个赛道没有新鲜事，没有另辟蹊径，只能想尽各种办法把微结构做的精致，提升单线程性能。没有其他道路可走，怎么弯道超车？如果没有新能源电动车，国产车还是很难超过合资汽油车。

对于高性能CPU设计而言，如果你听到有人说出弯道超车、后发优势，默默心里骂一句sx就行了。

4. 设计高性能CPU know-how很难

有人说体系结构不有四大顶会ISCA、MICRO、HPCA、ASPLOS，为啥不从里面学习？首先这些论文的质量参差不齐。很多中了顶会的论文也是在灌水，不信你可以看看当年那件轰动体系结构圈的新闻（学生由于论文数据问题想撤稿，但是导师不允许，学生自杀），据我的读论文经验，顶会中的论文，可信度虽然比其他会高，但是数据要打折，实验环境要打折，结论要打折，具体打多少折扣得自己花时间验证。其次，复现这些论文并验证结论是一件非常耗时的事情，要不然体系结构领域的博士生毕业都很困难呢，我在之前的一篇博文中提到过（大龄读博）。再次，有些好的idea由于学生毕业时间仓促等原因反而没有投到顶会，从这些论文中读出金子需要大量人力和时间，绝对算得上沙子里面淘黄金，Intel的研究院有很多预研人员做这些事，我国目前除了少数几家有相关预研人员，其他公司还未曾听说有这方面投入。最后，很多论文中很漂亮的idea，评估效果也不错，但是真正落到芯片中代价太大，例如面积太大、时序紧张等，但是尝试把新feature落到产品的周期都要以年为单位计算。

5. 很多公司不愿意投入去设计新的高性能CPU core，造不如买。自己设计出来的core，10分/GHz，买来的20+；自己设计要投入十几亿甚至几十亿资金，周期还长，不如直接买来省钱便捷。

那怎么才能设计出真正的高性能CPU呢？我也不知道，只能从失败的经验判断大概有那么几条：

融资足够或者产品能迭代起来有利润，只有这样才能养得起研发团队长期投入。看一下目前国内做的比较好的CPU设计公司，特点都是公司有利润、产品能卖得出去，没有资本愿意长期投入不考虑回报，只有自己能造血才可以长久。
人员要稳定，CPU设计不像应用软件，上手很慢，看着文档理解代码都很难。之前看过一篇描述Adobe屎山代码没法改的文章，与其类似自行脑补。
领头人（或者技术负责人）必须要懂CPU设计，外行坚决不行。曾经有个自认为很懂ASIC的领导定目标，要自研CPU吊打AMD和Intel，研发团队经过讨论后我去汇报，我说需要100个人，三年开发两代产品（我已经是觉得资源很紧张了，而且只是打算对标A76），对方站起来来了一句“不make sense”摔门而去，我心里也只能默念一句sx。。。一个好的技术负责人，往上能顶住来自不懂行的sx的瞎指挥，不要让这种无意义的瞎指挥影响研发进度和研发工程师的心态；往下能安排好项目进度，对于各研发人员的技术能力做到了如指掌，对项目难度和计划做到心中有数，自己的名声还要足够大且能力足够强，否则无法招聘到能力合适的员工，说白了你自己不行就不可能招聘到行的人。“文人相轻”在这一行表现比较明显，有人觉得我自己技术牛逼，看不起其他人，但是CPU是需要通力合作才能做好的项目，负责人还要有能力按住这些人，不要闹内讧。
少一点内斗，再少一点。目测创业公司中因为内斗直接或间接死掉的不低于30%吧，即使还没倒的，内斗也一直在持续。
想尽办法找市场，卖不出去就没法回笼研发资金，也就没法让研发人员持续深入的死磕微结构改进。研发人员对于市场的认识很差，总感觉的我自己技术牛逼，做出来就不怕没人买，实际情况是越是高科技越要做好销售，因为客户可能不懂你的技术细节，要千方百计服务好客户才能获得订单，千万不要觉得“酒香不怕巷子深”。

以上几个条件，融资和市场是基础，其他部分是顶层建筑，缺一不可。

在我看来，真正高性能CPU（世界第一梯队）微结构设计的难度和重要性，不亚于5G、光刻机，只是目前暂时没有因为这个卡脖子。如果未来我们买不到任何一款国外高性能CPU芯片，买到的IP授权也不允许继续使用（国内能买到ARM N2的IP），作为信息时代最重要基础设施的国产云未来怎么办？

评论区有人喷我说单核单线程性能是按照每GHz，意思是我不懂主频是什么意思？这里强调单核单线程每G分数，是为了强调微结构设计的能力，而且，CPU运行时不是定频，因此CPU vendor公布很多IP都会以每GHz表示其性能高低（有的会同时展示其总分），例如SiFive公布其P870可以达到SPEC 2006 17分/GHz, 喷子肯定不是CPU设计从业人员，因为CPU designer都懂这些指标的意义，但凡多看几个CPU vendor ppt也不至于拿这一点喷. naive。

还有人喷龙芯造假，对于每个CPU设计公司而言，都会有配套的编译器团队，那些所谓没造假的CPU设计公司为什么不去改编译器？况且编译器随着CPU设计进行改动本身也是一家CPU设计公司的基础能力，Intel ICC编译器号称benchmark编译器你们就不喷了？这就像说UFC小鹰拳击不行，只是地面功夫厉害，那你倒是打得过他啊？naive。

编辑于 2023-11-09 09:43