更多核心，更強總線

張平

一般來說，人們都很關注處理器的核心數(shù)量，比如四核、八陔等，但是又有誰知道支撐處理器核心數(shù)量、GPU規(guī)模的“幕后精英”呢？最近ARM發(fā)布了全新的CCI-550總線，可以支持更多的處理器核心以及CPU、GPU的完全一致性。

說起ARM，大家的第一反應多半會想到手中智能手機里的處理器。比如雙核心的蘋果A9、八核心的高通驍龍810以及最新?lián)碛惺诵牡穆?lián)發(fā)科Helio X20。在這些處理器中，人們津津樂道的往往是它們的核心數(shù)量、GPU規(guī)模，但是對另外一個決定處理器基本規(guī)格和允許規(guī)模的重要部件——總線，卻沒有太多了解。剛好，前段時間ARM發(fā)布了全新的CCI-550總線，為ARM未來處理器擁有更強性能，更多核心，邁向更廣泛的應用空間埋好了伏筆。下面我們就來了解一下這款全新的總線。

CoreLink，串聯(lián)ARM的大小核心

說起總線很多人會想到PC中的HT總線、DMI總線、PCI-E總線等等。顧名思義，總線就是不同設備間的連接線，它可以使一個系統(tǒng)的不同部分通過一種標準化的通道連接在一起，更好地實現(xiàn)設計所需的功能和目的。

總線可謂是處理器中最重要的部分之一，在移動處理器上自然也不例外。目前在ARM架構的移動處理器中，廣泛使用的是CoreLink CCI-400總線（下簡稱“CCI-400”）。令人驚訝的是，CCI-400的發(fā)布時間竟然是五年前的2010年11月11日。當時CCI-400發(fā)布的主要目的是為了充分發(fā)揮Cortex-A15和Mali-T604的性能，提高系統(tǒng)的吞吐能力和數(shù)據(jù)傳輸能力，降低傳輸瓶頸（雖然Cortex-A75的產(chǎn)品大約在三年后才正式發(fā)布）。為了達到這個目的，CCI-400設計了一個全新的可配置、無閉塞性、低延遲、低功耗的NIC-400網(wǎng)絡，串聯(lián)了處理器內(nèi)部各個重要的部分，并且還加入了細鏈路設計，緩解內(nèi)部布線擁擠。在內(nèi)存方面，CCI-400搭配的DMI-400內(nèi)存控制器支持DDR2、LPDDR2以及DDR3內(nèi)存，可以為處理器提供充足的帶寬。具體到產(chǎn)品來看，CCI-400總線大約從2011年開始逐漸應用到ARM架構的處理器上，從Cortex-A9到Cortex-A15，乃至目前最主流的Cortex-A53和Cortex-A57，甚至最新的Cortex-A72，者隅能看到CCI-400總線的影子。

不過CCI-400雖然經(jīng)典，但在長達五年的時間中，處理器尤其是移動處理器有了高速發(fā)展，使得CCI-400無法支持許多全新的特性。同時CCI-400在很多關鍵特性上的缺失還使得ARM無法進入更高端的服務器處理器市場。因此，ARM決定研發(fā)一款全新的CoreLink總線，使得ARM能夠繼續(xù)在未來保持領先的優(yōu)勢。這個全新的產(chǎn)品，就是接下來要介紹的CCI-550總線。

實際上，在ARM發(fā)布CCI-550總線之前，曾于2015年2月推出了一款CCI-500總線。相較之下，CCI-550基本上繼承了CCI-500的所有特性，并且加入了一些更新的關鍵性功能。因此，本文就不再重復CCI-500的功能，只針對CCI-550進行介紹。

嗅探過濾器——同步數(shù)據(jù)更高效

說起CCI-550的核心改變，怎么也繞不過全新的嗅探過濾器。在提及這部分內(nèi)容之前，我們先來看看在多核心處理器之間的通訊和同步有哪些方式。

如果一個總線上連接了4個對等的處理器內(nèi)核，這就意味著4個處理器內(nèi)核都有能力修改、獲取存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。但是每個處理器又有自己的緩存和關鍵性數(shù)據(jù)表。當某一個處理器修改了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時，別的處理器緩存中如果有對應的數(shù)據(jù)，那么也應該修改才能保持同步。這個時候，應該如何讓別的處理器也知道某個數(shù)據(jù)已經(jīng)修改了呢？

有一種方法是這樣的：讓修改數(shù)據(jù)的那個處理器給出廣播說明情況，通知其他處理器即可。簡單來說，如果有四千人，每個人都在做“10+5+3”的算術題，但是有一個人想改成計算“10+6+8”，那么這個人需要拿著小喇叭告訴剩余的三個人——快別算“10+5+3”了，我們算“10+6+8”吧——這樣其他三個人就知道了將自己的題目改成最新的即可。

這種方式叫做廣播，簡單來說是當某個處理器核心每一次更改數(shù)據(jù)時，都會通過總線告訴別的處理器：“我改數(shù)據(jù)了”。然后其他處理器根據(jù)廣播內(nèi)容修改數(shù)據(jù)并保持同步。廣播看起來實現(xiàn)方法很簡單，但問題也不少。因為高速運行的處理器資源本身就很緊張，如果某些處理器老是不停地等待別的處理器發(fā)出的廣播通知，整體效率顯而易見就會降低。再說處理器不斷發(fā)出廣播信息修改數(shù)據(jù)，并且無差別地發(fā)給所有處理器（即使某些處理器并不需要這個通知），也會帶來信息的冗余和臃腫。

從應用角度來看，如果處理器核心數(shù)量少于4個，廣播還算一種不錯的解決方法，但是如果處理器核心數(shù)量高于6個甚至8個，廣播效率就很低下了?，F(xiàn)在在很多新的處理器中，核心數(shù)量都提升到了8個甚至10個，尤其是在big.LITTLE架構流行后。這樣一來，廣播就不怎么靠譜了。于是ARM改變了策略，在全新的CCI-550和CCI-500中改用了嗅探過濾器。

什么是嗅探過濾器呢？簡單來說，ARM為多核心處理器增加了一個“通信員”并依靠這個“通信員”傳遞數(shù)據(jù)、同步內(nèi)容。還是上面的例子，當四個人都在計算“10+5+3”的時候，有一千人告訴位于中間的通信員，題目改成計算“10+6+8”了。于是通信員就去挨個問：題目改了，你知道嗎？如果回答的是“知道”，那么通訊員就走了；如果回答的是“不知道”，那么通訊員就告訴他實際內(nèi)容。這樣一來，既提高了效率，又節(jié)約了能耗，還節(jié)省了總線占用，一舉多得。

根據(jù)目前的資料來看，全新的嗅探過濾器能夠同時和所有緩存、核心進行通信，整體延遲更低，擴展性能更強，同時最多還能節(jié)約0.1瓦的能耗。這還不是最重要的，更重要的是它為更多核心的ARM架構處理器鋪平了道路。endprint

核心擴展——支持最多24核心

說到多核心處理器，尤其是服務器級別的低功耗多核心處理器，一直是ARM夢寐以求的市場。服務器市場不僅利潤高，關鍵是ARM目前的架構也很符合其需求。舉例來說，隨著移動計算技術的發(fā)展，很多用戶在移動設備端往往只執(zhí)行輕負載應用，比如郵件收發(fā)、信息推送、短消息互聯(lián)互通等，這些輕負載應用在服務器端并不需要太強大的單核心性能，但是對多任務和多核心要求很高。ARM的處理器相比英特爾的“重型架構”處理器，其單核心性能不夠出色，但是勝在功耗低、核心數(shù)量可以做得很多，剛好契合這一需求。因此ARM一直以來都想打入這個市場。

但是之前的CCI-400總線最多支持2個CPU簇，每個CPU簇最多支持4個CPU核心。這樣一條總線最多支持8個CPU核心，如果要使用更多的CPU核心的話，那么就得布置更多的總線，這樣一來總線之間的互通又成為了問題。但是在CCI-550上，ARM允許一個總線最多支持6個CPU簇，每個CPU簇依舊是4個CPU核心，這樣最多就能支持24個CPU，使得ARM的服務器夢想又前進了一步。

此外，為了配合更多核心的產(chǎn)品，CCI-550最多可搭配六個DMC-500內(nèi)存控制器實現(xiàn)對六通道內(nèi)存的支持，內(nèi)存尋址方面最多支持48bit，完全可以滿足服務器對內(nèi)存容量的需求了。內(nèi)存速度最高支持LPDDR4-4267，兼容LPDDR3-2733，性能方面最高可提升27%，能夠降低25%的CPU平均延遲。其他方面，CCI-550可以支持最多三個系統(tǒng)主界面，六個AC巨端口，基本能滿足未來很長一段時間的需求了。

完全一致性支持——支持GPU和CPU異構計算

CPU和GPU的異構計算在很多場合都被反復提及。雖然從理論上來說，CPU更適合相關性復雜的單線程任務以及邏輯計算，GPU更適合相關性較弱的并行計算，但是如何使這兩種計算模式有機并且高效率地結合在一起，一直都是業(yè)內(nèi)的難題。尤其是AMD在APU上投入了這么多年的精力，目前也沒有帶來特別有效的商業(yè)和應用模式。不過技術終究是在發(fā)展的，在CCI-550中，ARM就為了支持異構計算，加入了對完全一致性的支持。

所謂完全一致性，是指CPU和GPU在存儲數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)在內(nèi)存中使用完全單一的內(nèi)存地址空間，不需要額外的數(shù)據(jù)管理模塊，也不需要數(shù)據(jù)的拷貝和轉移。傳統(tǒng)的CPU-GPU結構中，CPU有自己的內(nèi)存，GPU有自己的顯存。數(shù)據(jù)在計算時需要從CPU發(fā)包到GPU，GPU計算完成后再發(fā)回數(shù)據(jù)，效率較低。但是在全新的完全一致性模式下，CPU和GPU共享相同的內(nèi)存存儲空間，數(shù)據(jù)的拷貝和更改都在一個空間內(nèi)進行，大大提升了效率。

CCI-550對完全一致性的支持，使得ARM可以在HAS、Open CL 2.0等編程模型下有更好的表現(xiàn)，并且可以實現(xiàn)對應用的異構加速。不過目前ARM的Mali-T800系列GPU還不支持全部的完全一致性，現(xiàn)在只能支持I/O一致性。ARM預計推出的下一代代號為“Mimir”的GPU就能夠支持完全一致性了，到時候用戶有可能在手機上享受到HAS異構計算的加速效果。

什么時候才能用到CCI-550？

問題來了：什么時候用戶才能享受到CCI-550帶來的變化呢？據(jù)估計，CCI-550應該在2016年底配合全新的工藝在新的處理器中得到應用。具體到實際產(chǎn)品諸如手機、平板電腦上，可能需要等到2017年中期了——也就是說，用戶還得大概等待一年半左右。從目前的情況來看，CCI-550整體技術和設計都比較先進，因此未來很長一段時間，CCI-550應該都將存在于我們的移動設備中。endprint