1.1.2　CPU流水线加速

1.1.2.1　采用更先进的工艺

图1.6所示为半导体工艺的演进。从19世纪90年代到现在，半导体工艺经历了从0.5μm～3nm甚至2nm的演进，更先进的工艺使我们的电路可以在更高的频率下工作，尽管也需要更高的流片成本。典型的以28nm工艺为例，A53可以运行到1.5GHz，而在16nm工艺下，A53可以运行到2.3GHz的主频（以上数据仅供参考，跟具体优化有关）。

图1.6　半导体工艺的演进

当晶体管小到一定程度，工艺的提升难度就越来越大，摩尔定律也将终结，因此一味地想通过工艺的升级来提升主频，将会变得越来越困难。除了采用更先进的工艺，我们还可以通过先进的封装技术，或者系统架构的优化来提升性能。

1.1.2.2　标量流水线处理器

用更细的计算颗粒可以提高处理器的主频，从而提高流水线的处理速率。当然也可以换个思路，采用空间换时间的设计方式，来达到大力出奇迹的效果，即我们拥有多个流水线，在主频不变的情况下，可以同时对数据流进行处理，进而成倍地提高处理速率，这就是标量流水线处理器，其指令流，如图1.7所示。

图1.7　标量流水线处理器　指令流

图1.7所示的每条流水线仍需5个周期执行完1条指令，但上下两条流水线可以重叠执行，用9个周期可以执行完5条指令。即当流水线满载时，每个周期都可以完成1条指令，相对于单流水线处理器，标量流水线处理器提高了5倍的工作效率，但也付出了面积增加的代价，这就是FPGA中常用的面积换取速度的设计思维。

1.1.2.3　超级流水线处理器

在流水线中，工作的时钟频率受流水线中计算最耗时的操作的影响，即主频需要满足各阶段的setup/hold time。如果我们将流水线操作中的每步计算拆分为更细的颗粒度，那么更容易满足各阶段的setup/hold time，因而电路可以运行在更高的频率下，即超级流水线处理器或深流水线处理器。

图1.8所示为细分后的5级超级流水线处理器　指令流。典型的以ARM的顺序处理器Cortex A53、A55为例，最多能够细分到8级流水线。流水线级数越多，能运行的频率越高，因此能达到的计算性能越高。

图1.8　细分后的5级超级流水线处理器　指令流

1.1.2.4　超流水线-超标量处理器的指令流处理器

结合超级流水线处理器，以及标量流水线处理器的特性，也自然有了超流水线-超标量处理器，其指令流，如图1.9所示。

图1.9　超流水线-超标量处理器　指令流

超流水线-超标量处理器采用了多条流水线的结构，增加了并行计算的总流量；同时通过增加流水线每一阶段的颗粒度，提高了运行的主频。当然，相对于超级流水线处理器和标量流水线处理器，超流水线-超标量处理器也付出了面积增加的代价。目前市场上几乎所有处理器都是超流水线-超标量处理器。

1.1.2.5　采用多核CPU结构

当采用确定的工艺和一定的超级标量流水线处理器时，单核CPU的性能很难再实现质的飞跃。在这种情况下，仍然可以采用面积换取速度的设计方法，使用多核处理器结构成倍地提升CPU的处理性能。

本节以ARM Cortex-A53/A75多核处理器结构为例，如图1.10所示。采用多核处理器结构进行SOC设计，不仅需要考虑CPU之间的cache一致性，而且多线程处理也对软件提出了更高的要求。

图1.10　ARM Cortex-A53/A75多核处理器结构