问题

CPU有x86/ARM/MIPS等指令架构,那其他专用芯片有没有专用架构?

回答
问得好!CPU 的 x86、ARM、MIPS 确实是大家熟知的指令集架构(ISA),它们定义了 CPU 如何理解和执行指令,从而实现通用计算。但正如你所猜测的,在更广阔的计算领域,存在着大量为特定任务量身定做的“专用芯片”,而这些芯片,也毫无疑问地拥有自己的专用指令集架构,或者说是针对特定任务优化的指令和设计思路。

将这些专用芯片的架构与 x86、ARM 这种通用 CPU 的 ISA 相提并论,可能不太完全准确,因为很多时候,它们的“架构”并非仅仅是指令集那么简单,而是包含了一整套硬件设计、并行处理方式、存储访问模式等方面的综合优化。但核心逻辑,都是围绕着如何高效地完成其预设任务来构建的。

我们不妨从几个典型的专用芯片类别来展开讲讲,看看它们是如何实现“专用架构”的:

1. GPU(图形处理器)的架构: parallelism is key

GPU,也就是我们常说的显卡的核心,是通用计算领域里最广为人知,也是最成功的专用芯片之一。它的核心任务是处理海量的图形渲染指令,并且随着时代发展,逐渐被用于科学计算(GPGPU)。

指令集的特点: GPU 的指令集与 CPU 有显著不同。CPU 指令往往面向串行执行、复杂的逻辑控制、分支预测等,而 GPU 指令则高度聚焦于大规模并行处理。
SIMD/SIMT(单指令多数据/单指令多线程): 这是 GPU 架构的基石。它意味着 GPU 可以用一条指令同时对大量数据进行相同的操作。想象一下,绘制一个屏幕上无数个像素的颜色,CPU 可能需要循环执行成千上万次,而 GPU 可以一次性发出“给所有属于 A 区域的像素设置成蓝色”的指令,然后由成百上千个“处理单元”(我们后面会讲到)各自完成分配到的像素。
矢量操作(Vector Operations): 很多 GPU 指令直接操作向量(例如,一个包含 R, G, B 三个颜色分量的向量),这与 CPU 常用的标量操作(一次操作一个数据项)效率截然不同。
特殊的内存访问模式: GPU 的内存控制器和缓存设计也是为了支持并行访问而优化的,比如“合并访问”(Coalesced Access),让位于连续内存地址的数据块能够被一次性高效读取。
硬件设计上的架构差异:
大量简单的处理单元: 与 CPU 的少数几个强大核心不同,GPU 拥有数千个甚至上万个相对简单、功能更专一的计算单元(SMs Streaming Multiprocessors,或称 Compute Units)。每个 SM 又包含大量的流处理器(Stream Processors),这些是执行具体指令的“工人”。
巨大的显存带宽: 为了喂饱这些海量处理单元,GPU 配备了极高的显存带宽(GDDR6, HBM 等),远超普通 CPU 的内存带宽。
专用的渲染管线: 在图形渲染任务中,GPU 内置了复杂的固定功能管线,如顶点处理、光栅化、纹理映射等,这些都是为图形绘制流程量身打造的硬件加速模块。

举个例子: 在渲染一个顶点时,GPU 可能执行一条指令来同时处理其位置、法线、纹理坐标等多个属性。而 CPU 可能需要一系列指令来分别处理这些属性,或者使用更复杂的逻辑来管理数据。

2. DSP(数字信号处理器)的架构: computation for signals

DSP 是为处理和分析数字信号(如音频、视频、通信信号)而设计的处理器。它们的核心任务是对数字信号进行快速、实时的数学运算。

指令集的特点: DSP 的指令集高度针对信号处理算法中的常见数学运算进行优化。
MAC(MultiplyAccumulate)指令: 这是 DSP 的“杀手级”指令。它能够在一个周期内完成一次乘法和一次累加操作,这对于滤波器、FFT(快速傅里叶变换)等信号处理算法至关重要,极大地提高了计算效率。
循环和跳转优化: DSP 架构通常有专门的硬件支持来加速循环执行和零开销的循环(ZeroOverhead Looping),这在处理大量连续数据时非常有用。
多端口寄存器文件: 允许同时读写多个寄存器,这有助于在循环中高效地获取和存储数据。
支持数据重排和打包: 方便对信号数据进行分组、解组或按特定顺序访问。
硬件设计上的架构差异:
专门的算术逻辑单元(ALU): 设计用于高效执行乘法、累加、饱和算术(防止溢出)等。
专用硬件加速器: 很多 DSP 集成了硬件支持的 FFT、滤波器等单元,可以直接硬件执行这些复杂的算法。
内存结构: 常常采用哈佛结构(Harvard Architecture)或修改哈佛结构(Modified Harvard Architecture),即指令存储和数据存储拥有独立的总线和内存空间,这能提高指令和数据的并行访问效率。

举个例子: 在进行一个简单的 FIR 滤波器运算时,DSP 可以用一条 MAC 指令加上一些地址更新指令,就完成了一个乘加的计算。CPU 则可能需要多条指令来加载乘数、被乘数、进行乘法、加载累加器、进行加法、存储结果等步骤。

3. ASIC(专用集成电路)和 FPGA(现场可编程门阵列)的架构: beyond instruction sets

ASIC 和 FPGA 则更进一步,它们往往不是以“指令集架构”的方式来定义,而是通过硬件逻辑配置来完成特定任务。

ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit): 这是“专用”的极致。ASIC 是为某个单一应用而设计和制造的芯片。例如,比特币挖矿的 ASIC、加密货币交易的 ASIC、甚至某些特定 AI 模型的推理加速 ASIC。
“架构”体现在硬件逻辑: ASIC 的“架构”不是一套指令,而是直接将算法的计算逻辑硬化到芯片的晶体管层面。这意味着它的设计流程是先定义算法,然后通过硬件描述语言(HDL,如 Verilog, VHDL)将算法转化为硬件电路,再流片制造。
极致的性能和能效: 由于是为特定功能而设计,ASIC 可以做到最高的性能和最低的功耗。没有了通用指令集的灵活性,也就没有了通用的开销。
高度定制化的数据通路和并行结构: ASIC 可以构建任何你想要的并行计算结构,例如极其宽的指令级并行(ILP)、非常深的流水线、特定的内存访问模型等等。
FPGA(FieldProgrammable Gate Array): FPGA 是一种可以在现场(用户手中)重新配置其硬件逻辑的集成电路。它提供了一堆可编程的逻辑块(CLBs Configurable Logic Blocks)和可编程的互连资源。
“架构”体现在可编程性: FPGA 的核心是其“可编程性”。用户通过 HDL 来描述期望的硬件逻辑,然后通过 FPGA 厂商提供的工具链将其“编译”成一系列配置数据,下载到 FPGA 中,从而动态地构建出所需的数字电路。
硬件的灵活性和专用性折衷: FPGA 提供了比通用 CPU 更高的并行度,比 ASIC 更高的灵活性(可以随时重配置),但性能和能效通常不如专门设计的 ASIC。
动态重配置(DRC): 高级的 FPGA 可以将部分逻辑进行动态重配置,在运行时切换不同的功能,这使得它在某些场景下也能表现出类似指令集切换的效果。

举个例子: 一个用于视频编解码的 ASIC,它的逻辑单元可能直接包含了对 H.264 或 HEVC 标准中各种变换、量化、熵编码等算法的硬件加速模块。它的“指令”就是激活这些硬件模块来处理视频流。而 CPU 需要通过软件来模拟这些过程。

4. NPU/AI 加速器架构: neural network specialists

近些年兴起的 NPU(Neural Processing Unit)或各种 AI 加速器,是为深度学习和神经网络计算而生的专用芯片。

指令集的特点: 它们通常包含大量的低精度矩阵乘法(GEMM General Matrix Multiply)和向量运算指令。
矩阵运算优化: 神经网络的核心是大量的矩阵乘法和卷积运算。NPU 的指令集会高度优化这些操作,可能直接有“执行一个 8x8 的 INT8 矩阵乘法并累加到另一个矩阵”这样的指令。
数据类型支持: 对低精度数据类型(INT8, FP16, BF16)有专门的硬件支持和指令,因为这些精度对于许多 AI 推理任务已经足够,并且能显著提升计算吞吐量和降低功耗。
内存带宽和数据流管理: 专门设计的数据通路来高效地在片上内存(SRAM)、寄存器和片外内存(DDR)之间移动大量的权重和激活数据。
硬件设计上的架构差异:
大规模并行计算单元阵列: 通常包含一个巨大的二维或三维的计算单元阵列(如张量核心 Tensor Cores, 乘法累加单元 MAC Array),每个单元都能执行基本的算术操作。
大型片上内存(Onchip Memory): 为了减少对片外内存的访问,NPU 通常拥有比通用 CPU 更大的片上缓存和共享内存,用于存储权重、中间结果等。
数据流架构(Dataflow Architecture): 有些 NPU 采用数据流的理念,即计算的触发是由数据的到来驱动的,而非传统的指令调度。

举个例子: 当神经网络模型中的一个卷积层需要计算时,NPU 的一个指令可能就触发了其内部大量的 MAC 单元并行工作,同时管理数据的读取和写入,完成整个卷积操作。CPU 则需要通过循环和分步的软件指令来模拟这一过程。

总结一下

所以,答案是肯定的,其他专用芯片不仅有专用架构,而且这些专用架构的设计理念和实现方式比通用 CPU 的指令集架构更具针对性,也更极致。

它们的核心“架构”体现在:

1. 指令集(如果存在的话)的高度专业化: 针对特定任务的常见数学运算、数据操作模式进行优化,例如 GPU 的 SIMD/SIMT,DSP 的 MAC,NPU 的矩阵运算。
2. 硬件结构的极致并行化和流水线化: 通过大量简单的处理单元、专用计算单元、高效的数据通路来处理海量并发任务。
3. 内存访问模式的优化: 为并行访问、数据流传输而设计的数据缓存、内存控制器和总线。
4. 固定功能硬件加速器: 直接将某些算法的逻辑固化到硬件中,实现极高的效率。

理解这些专用芯片的架构,关键在于理解它们所要解决的具体问题。通用 CPU 追求的是“什么都能做”,而专用芯片追求的是“把这件事做到极致”。这种“极致”正是它们专用架构的核心体现。

网友意见

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简单的专用芯片是没有指令集的概念的,能有指令集的芯片至少都算是CPU了,CPU的成本还是太高了,低端的芯片没有指令集,只有几根管脚,通过电平信号控制,比如低端的U盘,以及部分WiFi芯片,几块钱,几毛钱,甚至几分钱的芯片,搞个指令集就太复杂了。

中高端一点的,SSD主控有些是ARM指令集,因为SSD对性能有要求,但肯定不会重新造轮子发明一套新指令集,没必要。

移动设备上的大部分WiFi现在都走SDIO,这玩意只能算是某种通信协议,不算指令集,但确实也是一系列命令。某些高端一点的路由器交换机是有ARM的CPU的,但控制WiFi的部分可能还是SDIO,从芯片的角度上看,也不算有指令集,还是电平信号控制。

显卡不是很了解,显卡的资料大部分都不开源(前几年的情况),但我认为把显卡控制命令看做指令集是不合适的,看做协议更好一点,至于GPU里的工作原理,我觉得很难找到公开的资料。

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看评论,关于显卡的争议比较大,我解释一下:显卡确实是有指令,这个是没错的,但实际CPU操作显卡的时候,是指令流和控制流混在一起的,并不像操作CPU那样,把指令发送过去就完事了。所以从GPU的层面上看,是有指令集的,但从CPU操作GPU的层面上看,CPU并不是简单的把指令发送过去就完了。

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