深入浅出计算机组成原理：Superscalar和VLIW-如何让CPU的吞吐率超过1？（第26讲）

Posted 2022-09-17 luoahong

一、引子

到今天为止，专栏已经过半了。过去的20多讲里，我给你讲的内容，很多都是围绕着怎么提升CPU的性能这个问题展开的。我们先回顾一下第4讲，不知道你是否还记得这个公式：

程序的CPU执行时间 = 指令数 × CPI × Clock Cycle Time

这个公式里，有一个叫CPI的指标。我们知道，CPI的倒数，又叫作IPC（Instruction Per Clock），也就是一个时钟周期里面能够执行的指令数，代表了CPU的吞吐率。那么，这个指标，放在我们前面几节反复优化流
水线架构的CPU里，能达到多少呢？

答案是，最佳情况下，IPC也只能到1。因为无论做了哪些流水线层面的优化，即使做到了指令执行层面的乱

这说明，无论指令后续能优化得多好，一个时钟周期也只能执行完这样一条指令，CPI只能是1。但是，我们现在用的Intel CPU或者ARM的CPU，一般的CPI都能做到2以上，这是怎么做到的呢？

今天，我们就一起来看看，现代CPU都使用了什么“黑科技”。

二、多发射与超标量：同一实践执行的两条指令

1、整数和浮点数计算的电路，在CPU层面也是分开的

之前讲CPU的硬件组成的时候，我们把所有算术和逻辑运算都抽象出来，变成了一个ALU这样的“黑盒子”。你应该还记得第13讲到第16讲，关于加法器、乘法器、乃至浮点数计算的部分，其实整数的计算和
浮点数的计算过程差异还是不小的。实际上，整数和浮点数计算的电路，在CPU层面也是分开的。

一直到80386，我们的CPU都是没有专门的浮点数计算的电路的。当时的浮点数计算，都是用软件进行模拟的。所以，在80386时代，Intel给386配了单独的387芯片，专门用来做浮点数运算。那个时候，
你买386芯片的话，会有386sx和386dx这两种芯片可以选择。386dx就是带了387浮点数计算芯片的，而sx就是不带浮点数计算芯片的。

2、如何实现并行？

其实，我们现在用的Intel CPU芯片也是一样的。虽然浮点数计算已经变成CPU里的一部分，但并不是所有计算功能都在一个ALU里面，真实的情况是，我们会有多个ALU。这也是为什么，在第24讲讲乱序执行的时
候，你会看到，其实指令的执行阶段，是由很多个功能单元（FU）并行（Parallel）进行的。

不过，在指令乱序执行的过程中，我们的取指令（IF）和指令译码（ID）部分并不是并行进行的。

既然指令的执行层面可以并行进行，为什么取指令和指令译码不行呢？如果想要实现并行，该怎么办呢？

其实只要我们把取指令和指令译码，也一样通过增加硬件的方式，并行进行就好了。我们可以一次性从内存里面取出多条指令，然后分发给多个并行的指令译码器，进行译码，然后对应交给不同的功能单元去处理。
这样，我们在一个时钟周期里，能够完成的指令就不只一条了。IPC也就能做到大于1了。

这种CPU设计，我们叫作 多发射（Mulitple Issue）和 超标量（Superscalar）。
什么叫多发射呢？这个词听起来很抽象，其实它意思就是说，我们同一个时间，可能会同时把多条指令发射（Issue）到不同的译码器或者后续处理的流水线中去。

在超标量的CPU里面，有很多条并行的流水线，而不是只有一条流水线。“超标量“这个词是说，本来我们在一个时钟周期里面，只能执行一个标量（Scalar）的运算。在多发射的情况下，
我们就能够超越这个限制，同时进行多次计算。

你可以看我画的这个超标量设计的流水线示意图。仔细看，你应该能看到一个有意思的现象，每一个功能单元的流水线的长度是不同的。事实上，不同的功能单元的流水线长度本来就不一样。我们平时所说的14级
流水线，指的通常是进行整数计算指令的流水线长度。如果是浮点数运算，实际的流水线长度则会更长一些。

三、Intel的失败之作：安腾的超长指令字设计

1、乱序执行、超标量技术在实际的硬件层面，其实实施起来都挺麻烦的

无论是之前几讲里讲的乱序执行，还是现在更进一步的超标量技术，在实际的硬件层面，其实实施起来都挺麻烦的。这是因为，在乱序执行和超标量的体系里面，我们的CPU要解决依赖冲突的问题。这也就是前面几
讲我们讲的冒险问题。

CPU需要在指令执行之前，去判断指令之间是否有依赖关系。如果有对应的依赖关系，指令就不能分发到执行阶段。因为这样，上面我们所说的超标量CPU的多发射功能，又被称为 动态多发射处理器。这些对于依赖
关系的检测，都会使得我们的CPU电路变得更加复杂。

2、我们能不能不把分析和解决依赖关系的事情放到软件里面来干呢？

于是，计算机科学家和工程师们就又有了一个大胆的想法。我们能不能不把分析和解决依赖关系的事情，放在硬件里面，而是放到软件里面来干呢？

如果你还记得的话，我在第4讲也讲过，要想优化CPU的执行时间，关键就是拆解这个公式：

程序的CPU执行时间 = 指令数 × CPI × Clock Cycle Time

当时我们说过，这个公式里面，我们可以通过改进编译器来优化指令数这个指标。那接下来，我们就来看看一个非常大胆的CPU设计想法，叫作 超长指令字设计（Very Long Instruction Word，VLIW）。这个设计
呢，不仅想让编译器来优化指令数，还想直接通过编译器，来优化CPI。

3、一个著名的“史诗级”失败

围绕着这个设计的，是Intel一个著名的“史诗级”失败，也就是著名的IA-64架构的安腾（Itanium）处理器。只不过，这一次，责任不全在Intel，还要拉上可以称之为硅谷起源的另一家公司，也就是惠普。
之所以称为“史诗”级失败，这个说法来源于惠普最早给这个架构取的名字， 显式并发指令运算（ExplicitlyParallel Instruction Computer），这个名字的缩写 EPIC，正好是“史诗”的意思。

好巧不巧，安腾处理器和和我之前给你介绍过的Pentium 4一样，在市场上是一个失败的产品。在经历了12年之久的设计研发之后，安腾一代只卖出了几千套。而安腾二代，在从2002年开始反复挣扎了16年之后，
最终在2018年被Intel宣告放弃，退出了市场。自此，世上再也没有这个“史诗”服务器了。

4、我们就来看看，这个超长指令字的安腾处理器是怎么回事儿？

那么，我们就来看看，这个超长指令字的安腾处理器是怎么回事儿。

在乱序执行和超标量的CPU架构里，指令的前后依赖关系，是由CPU内部的硬件电路来检测的。而到了 超长指令字的架构里面，这个工作交给了编译器这个软件。

我从专栏第5讲开始，就给你看了不少C代码到汇编代码和机器代码的对照。编译器在这个过程中，其实也能够知道前后数据的依赖。于是，我们可以让编译器把没有依赖关系的代码位置进行交换。然后，再把多条
连续的指令打包成一个指令包。安腾的CPU就是把3条指令变成一个指令包。

CPU在运行的时候，不再是取一条指令，而是取出一个指令包。然后，译码解析整个指令包，解析出3条指令直接并行运行。可以看到，使用 超长指令字架构的CPU，同样是采用流水线架构的。也就是说，一组
（Group）指令，仍然要经历多个时钟周期。同样的，下一组指令并不是等上一组指令执行完成之后再执行，而是在上一组指令的指令译码阶段，就开始取指令了。

值得注意的一点是，流水线停顿这件事情在 超长指令字里面，很多时候也是由编译器来做的。除了停下整个处理器流水线， 超长指令字的CPU不能在某个时钟周期停顿一下，等待前面依赖的操作执行完成。编译器需
要在适当的位置插入NOP操作，直接在编译出来的机器码里面，就把流水线停顿这个事情在软件层面就安排妥当。

5、安腾失败的原因有很多，其中有一个重要的原因就是“向前兼容”。

虽然安腾的设想很美好，Intel也曾经希望能够让安腾架构成为替代x86的新一代架构，但是最终安腾还是在前前后后折腾将近30年后失败了。2018年，Intel宣告安腾9500会在2021年停止供货。
安腾失败的原因有很多，其中有一个重要的原因就是“向前兼容”。

一方面，安腾处理器的指令集和x86是不同的。这就意味着，原来x86上的所有程序是没有办法在安腾上运行的，而需要通过编译器重新编译才行。

另一方面，安腾处理器的VLIW架构决定了，如果安腾需要提升并行度，就需要增加一个指令包里包含的指令数量，比方说从3个变成6个。一旦这么做了，虽然同样是VLIW架构，同样指令集的安腾CPU，程序也需
要重新编译。因为原来编译器判断的依赖关系是在3个指令以及由3个指令组成的指令包之间，现在要变成6个指令和6个指令组成的指令包。编译器需要重新编译，交换指令顺序以及NOP操作，才能满足条件。甚至，我们需要重新来写编译器，才能让程序在新的CPU上跑起来。

于是，安腾就变成了一个既不容易向前兼容，又不容易向后兼容的CPU。那么，它的失败也就不足为奇了。可以看到，技术思路上的先进想法，在实际的业界应用上会遇到更多具体的实践考验。无论是指令集向前兼
容性，还是对应CPU未来的扩展，在设计的时候，都需要更多地去考虑实践因素。

四、总结延伸

这一讲里，我和你一起向CPU的性能发起了一个新的挑战：让CPU的吞吐率，也就是IPC能够超过1。

我先是为你介绍了超标量，也就是Superscalar这个方法。超标量可以让CPU不仅在指令执行阶段是并行的，在取指令和指令译码的时候，也是并行的。通过超标量技术，可以使得你所使用的CPU的IPC超过1。

在Intel的x86的CPU里，从Pentium时代，第一次开始引入超标量技术，整个CPU的性能上了一个台阶。对应的技术，一直沿用到了现在。超标量技术和你之前看到的其他流水线技术一样，依赖于在硬件层面，能够
检测到对应的指令的先后依赖关系，解决“冒险”问题。所以，它也使得CPU的电路变得更复杂了。

因为这些复杂性，惠普和Intel又共同推出了著名的安腾处理器。通过在编译器层面，直接分析出指令的前后依赖关系。于是，硬件在代码编译之后，就可以直接拿到调换好先后顺序的指令。并且这些指令中，可以并
行执行的部分，会打包在一起组成一个指令包。安腾处理器在取指令和指令译码的时候，拿到的不再是单个指令，而是这样一个指令包。并且在指令执行阶段，可以并行执行指令包里所有的指令。

虽然看起来，VLIW在技术层面更具有颠覆性，不仅仅只是一个硬件层面的改造，而且利用了软件层面的编译器，来组合解决提升CPU指令吞吐率的问题。然而，最终VLIW却没有得到市场和业界的认可。

惠普和Intel强强联合开发的安腾处理器命运多舛。从1989开始研发，直到2001年才发布了第一代安腾处理器。然而12年的开发过程后，第一代安腾处理器最终只卖出了几千套。而2002年发布的安腾2处理器，也没

能拯救自己的命运。最终在2018年，Intel宣布安腾退出市场。自此之后，市面上再没有能够大规模商用的VLIW架构的处理器了。