计算机性能之殇（二）-- 分支预测、流水线与多核 CPU
fundebug 2019-03-29
摘要： 如何提高CPU性能？
CPU 硬件为了提高性能，逐步发展出了指令流水线（分支预测）和多核 CPU，本文我们就将简单地探讨一下它们的原理和效果。
指令流水线
在一台纯粹的图灵机中，指令是一个一个顺序执行的。而现实世界的通用计算机所用的很多基础算法都是可以并行的，例如加法器和乘法器，它们可以很容易地被切分成可以同时运行的多个指令，这样就可以大幅提升性能。
指令流水线，说白了就是 CPU 电路层面的并发。
Intel Core i7 自 Sandy Bridge（2010）架构以来一直都是 14 级流水线设计。基于 Cedar Mill 架构的最后一代奔腾4，在 2006 年就拥有 3.8GHz 的超高频率，却因为其长达 31 级的流水线而成了为样子货，被 AMD 1GHz 的芯片按在地上摩擦。
RISC机器的五层流水线示意图
下图形象的展示了流水线式如何提高性能的。
缺点
指令流水线通过硬件层面的并发来提高性能，却也带来了一些无法避免的缺点。
- 设计难度高，一不小心就成为了高频低能的奔四
- 并发导致每一条指令的执行时间变长
- 优化难度大，有时候两行代码的顺序变动就可能导致数倍的性能差异，这对编译器提出了更高的要求
- 如果多次分支预测失败，会导致严重的性能损失
分支预测
指令形成流水线以后，就需要一种高效的调控来保证硬件层面并发的效果：最佳情况是每条流水线里的十几个指令都是正确的，这样完全不浪费时钟周期。而分支预测就是干这个的：
分支预测器猜测条件表达式两路分支中哪一路最可能发生，然后推测执行这一路的指令，来避免流水线停顿造成的时间浪费。但是，如果后来发现分支预测错误，那么流水线中推测执行的那些中间结果全部放弃，重新获取正确的分支路线上的指令开始执行，这就带来了十几个时钟周期的延迟，这个时候，这个 CPU 核心就是完全在浪费时间。
幸运的是，当下的主流 CPU 在现代编译器的配合下，把这项工作做得越来越好了。
还记得那个让 Intel CPU 性能跌 30% 的漏洞补丁吗，那个漏洞就是 CPU 设计的时候，分支预测设计的不完善导致的。
多核 CPU
多核 CPU 的每一个核心拥有自己独立的运算单元、寄存器、一级缓存、二级缓存，所有核心共用同一条内存总线，同一段内存。
多核 CPU 的出现，标志着人类的集成电路工艺遇到了一个严酷的瓶颈，没法再大规模提升单核性能，只能使用多个核心来聊以自慰。实际上，多核 CPU 性能的提升极其有限，远不如增加一点点单核频率提升的性能多。
优势
多核 CPU 的优势很明显，就是可以并行地执行多个图灵机，可以显而易见地提升性能。只不过由于使用同一条内存总线，实际带来的效果有限，并且需要操作系统和编译器的密切配合才行。
题外话： AMD64 技术可以运行 32 位的操作系统和应用程序，所用的方法是依旧使用 32 位宽的内存总线，每计算一次要取两次内存，性能提升也非常有限，不过好处就是可以使用大于 4GB 的内存了。大家应该都没忘记第一篇文章中提到的冯·诺依曼架构拥有 CPU 和内存通信带宽不足的弱点。（注：AMD64 技术是和 Intel 交叉授权的专利，i7 也是这么设计的）
劣势
多核 CPU 劣势其实更加明显，但是人类也没有办法，谁不想用 20GHz 的 CPU 呢，谁想用这八核的 i7 呀。
- 内存读写效率不变，甚至有降低的风险
- 操作系统复杂度提升很多倍，计算资源的管理复杂了太多了
- 依赖操作系统的进步：微软以肉眼可见的速度，在这十几年间大幅提升了 Windows 的多核效率和安全性：XP 只是能利用，7 可以自动调配一个进程在多个核心上游走，2008R2 解决了依赖 CPU0 调度导致死机的 bug（中国的银行提的 bug 哦），8 可以利用多核心启动，10 优化了杀进程依赖 CPU0 的问题。
超线程技术
Intel 的超线程技术是将 CPU 核心内部再分出两个逻辑核心，只增加了 5% 的裸面积，就带来了 15%~30% 的性能提升。
怀念过去
Intel 肯定怀念摩尔定律提出时候的黄金年代，只依靠工艺的进步，就能一两年就性能翻番。AMD 肯定怀念 K8 的黄金一代，1G 战 4G，靠的就是把内存控制器从北桥芯片移到 CPU 内部，提升了 CPU 和内存的通信效率，自然性能倍增。而今天，人类的技术已经到达了一个瓶颈，只能通过不断的提升 CPU 和操作系统的复杂度来获得微弱的性能提升，呜呼哀哉。
不过我们也不能放弃希望，AMD RX VAGA64 显卡拥有 2048 位的显存位宽，理论极限还是很恐怖的，这可能就是未来内存的发展方向。
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