1.2　衡量计算机的指标

怎么样来衡量一台计算机的好坏呢？计算机的衡量指标有很多，其中性能、价格和功耗是三个主要指标。

1.2.1　计算机的性能

计算机的第一个重要指标是性能。前面说的用来进行核模拟的高性能计算机对一个国家来说具有战略意义，算得越快越好。又如中央气象台用于天气预报的计算机每天需要根据云图数据解很复杂的偏微分方程，要是计算机太慢，明天的天气预报后天才算出来，那就叫天气后报，没用了。所以性能是计算机的首要指标。

什么叫性能？性能的最本质定义是“完成一个任务所需要的时间”。对中央气象台的台长来说，性能就是算明天的天气预报需要多长时间。如果甲计算机两个小时能算完24小时的天气预报，乙计算机一个小时就算完，显然乙的性能比甲好。完成一个任务所需要的时间可以由完成该任务需要的指令数、完成每条指令需要的拍数以及每拍需要的时间三个量相乘得到。完成任务需要的指令数与算法、编译器和指令的功能有关；每条指令需要的拍数与编译器、指令功能、微结构设计相关；每拍需要的时间，也就是时钟周期，与结构、电路设计、工艺等因素有关。

完成一个任务的指令数首先取决于算法。我们刚开始做龙芯的时候，计算所的一个老研究员讲过一个故事。说20世纪六七十年代的时候，美国的计算机每秒可以算一亿次，苏联的计算机每秒算一百万次，结果算同一个题目，苏联的计算机反而先算完，因为苏联的算法厉害。以对N个数进行排序的排序算法为例，冒泡排序算法的运算复杂度为O（N×N），快速排序算法的运算复杂度为O（Nlog₂N），如果N为1024，则二者执行的指令数差100倍。

编译器负责把用户用高级语言（如C/C++和Fortran等）写的代码转换成计算机硬件能识别的、由一条条指令组成的二进制码。转换出来的目标码的质量的好坏在很大程度上影响完成一个任务的指令数。在同一台计算机上运行同一个应用程序，用不同的编译器或不同的编译选项，运行时间可能有几倍的差距。

指令系统的设计对完成一个任务的指令数影响也很大。例如要不要设计一条指令直接完成一个FFT函数，还是让用户通过软件的方法来实现FFT函数，这是结构设计的一个取舍，直接影响完成一个任务的指令数。体系结构有一个常用指标叫MIPS（Million Instructions Per Second），即每秒执行多少百万条指令。看起来很合理的一个指标，关键是一条指令能干多少事讲不清楚。如果甲计算机一条指令就能做一个1024点的FFT，而乙计算机一条指令就算一个加法。两台计算机比MIPS值就没什么意义。因此后来有人把MIPS解释为Meaningless Indication of Processor Speed。现在常用一个性能指标MFLOPS（Million FLoating point Operations Per Second），即每秒做多少百万次浮点运算，也有类似的问题。如果数据供不上，运算能力再强也没有用。

在指令系统确定后，结构设计需要重点考虑如何降低每条指令的平均执行周期（Cycles Per Instruction，简称CPI），或提高每个时钟周期平均执行的指令数（Instructions Per Cycle，简称IPC），这是处理器微结构研究的主要内容。CPI就是一个程序执行所需要的总的时钟周期数除以它所执行的总指令数，反之则是IPC。处理器的微结构设计对IPC的影响很大，采用单发射还是多发射结构，采用何种转移猜测策略以及什么样的存储层次设计都直接影响IPC。表1.1给出了龙芯3A1000和龙芯3A2000处理器运行SPEC CPU2000基准程序的分值。两个CPU均为64位四发射结构，主频均为1GHz，两个处理器运行的二进制码相同，但由于微结构不同，IPC差异很大，总体上说，3A2000的IPC是3A1000的2～3倍。

表1.1　龙芯3A1000和龙芯3A2000的SPEC CPU2000分值

主频宏观上取决于微结构设计，微观上取决于工艺和电路设计。例如Pentium Ⅲ的流水线是10级，Pentium Ⅳ为了提高主频，把流水级做到了20级，还恨不得做到40级。Intel的研究表明，只要把Cache和转移猜测表的容量增加一倍，就能抵消流水线增加一倍引起的流水线效率降低。又如，从电路的角度来说，甲设计做64位加法只要1ns，而乙设计需要2ns，那么甲设计比乙设计主频高一倍。相同的电路设计，用不同的工艺实现出来的主频也不一样，先进工艺晶体管速度快，主频高。

可见在一个系统中不同层次有不同的性能标准，很难用一项单一指标刻画计算机性能的高低。大家可能会说，从应用的角度看性能是最合理的。甲计算机两个小时算完明天的天气预报，乙计算机只要一小时，那乙的性能肯定比甲的好，这总对吧。也对也不对。只能说，针对算明天的天气预报这个应用，乙计算机的性能比甲的好。但对于其他应用，甲的性能可能反而比乙的好。

1.2.2　计算机的价格

计算机的第二个重要指标是价格。20世纪80年代以来电脑越来越普及，就是因为电脑的价格在不断下降，从一味地追求性能（Performance per Second）到追求性能价格比（Performance per Dollar）。现在中关村卖个人电脑的企业利润率比卖猪饲料的还低得多。

不同的计算机对成本有不同的要求。用于核模拟的超级计算机主要追求性能，一个国家只需要一两台这样的高性能计算机，不太需要考虑成本的问题。相反，大量的嵌入式应用为了降低功耗和成本，可能牺牲一部分性能，因为它要降低功耗和成本。而PC、工作站、服务器等介于两者之间，它们追求性能价格比的最优设计。

计算机的成本跟芯片成本紧密相关，计算机中芯片的成本包括该芯片的制造成本和一次性成本NRE（如研发成本）的分摊部分。生产量对于成本很关键。随着不断重复生产，工程经验和工艺水平都不断提高，生产成本可以持续地降低。例如做衣服，刚开始可能做100件就有10件是次品，以后做1000件也不会做坏1件了，衣服的总体成本就降低了。产量的提高能够加速学习过程，提高成品率，还可以降低一次性成本。

随着工艺技术的发展，为了实现相同功能所需要的硅面积指数级降低，使得单个硅片的成本指数级降低。但成本降到一定的程度就不怎么降了，甚至还会有缓慢上升的趋势，这是因为厂家为了保持利润不再生产和销售该产品，转而生产和销售升级产品。现在的计算机工业是一个不断出售升级产品的工业。买一台计算机三到五年后，就需要换一台新的计算机。CPU和操作系统厂家一起，通过一些技术手段让一般用户五年左右就需要换掉电脑。这些手段包括：控制芯片老化寿命，不再更新老版本的操作系统而新操作系统的文档格式不与老的保持兼容，发明新的应用使没有升级的计算机性能不够，等等。主流的桌面计算机CPU刚上市时价格都比较贵，然后逐渐降低，降到200美元以下，就逐步从主流市场中退出。芯片公司必须不断推出新的产品，才能保持盈利。但是总的来说，对同一款产品，成本曲线是不断降低的。

1.2.3　计算机的功耗

计算机的第三个重要指标是功耗。手机等移动设备需要用电池供电。电池怎么用得久呢？低功耗就非常重要。高性能计算机也要低功耗，它们的功耗都以兆瓦（MW）计。兆瓦是什么概念？我们上大学时在宿舍里煮方便面用的电热棒的功率是1000W左右，几个电热棒一起用宿舍就停电了。1MW就是1000个电热棒的功率。曙光5000高性能计算机在中科院计算所的地下室组装调试时，运行一天电费就是一万多块钱，比整栋楼的电费还要高。计算机里产生功耗的地方非常多，CPU有功耗，内存条有功耗，硬盘也有功耗，最后为了把这些热量散发出去，制冷系统也要产生功耗。近几年来，性能功耗比（Performance per Watt）成为计算机非常重要的一个指标。

芯片功耗是计算机功耗的重要组成部分。芯片的功耗主要由晶体管工作产生，所以先来看晶体管的功耗组成。图1.4是一个反相器的功耗模型。反相器由一个PMOS管和一个NMOS管组成。其功耗主要可以分为三类：开关功耗、短路功耗和漏电功耗。开关功耗主要是电容的充放电，比如当输出端从0变到1时，输出端的负载电容从不带电变为带电，有一个充电的过程；当输出端从1变到0时，电容又有一个放电的过程。在充电、放电的过程中就会产生功耗。开关功耗既和充放电电压、电容值有关，还和反相器开关频率相关。

图1.4　动态功耗和短路功耗

短路功耗就是P管和N管短路时产生的功耗。当反相器的输出为1时，P管打开，N管关闭；输出为0时，则N管开，P管闭。但在开、闭的转换过程中，电流的变化并不像理论上那样是一个方波，而是有一定的斜率。在这个变化的过程中会出现N管和P管同时部分打开的情况，这时候就产生了短路功耗。

漏电功耗是指MOS管不能严格关闭时发生漏电产生的功耗。以NMOS管为例，如果栅极有电N管就导通；否则N管就关闭。但在纳米级工艺下，MOS管沟道很窄，即使栅极不加电压，源极和漏极之间也有电流；另外栅极下的绝缘层很薄，只有几个原子的厚度，从栅极到沟道也有漏电流。漏电流大小随温度升高呈指数增加，因此温度是集成电路的第一杀手。

优化芯片功耗一般从两个角度入手——动态功耗优化和静态功耗优化。升级工艺是降低动态功耗的有效方法，因为工艺升级可以降低电容和电压，从而成倍地降低动态功耗。芯片工作频率跟电压成正比，在一定范围内（如5%～10%）降低频率可以同比降低电压，因此频率降低10%，动态功耗可以降低30%左右（功耗和电压的平方成正比，和频率成正比）。可以通过选择低功耗工艺降低芯片静态功耗，集成电路生产厂家一般会提供高性能工艺和低功耗工艺，低功耗工艺速度稍慢一些但漏电功耗成数量级降低。在结构和逻辑设计时，避免不必要的逻辑翻转可以有效降低翻转率，例如在某一流水级没有有效工作时，保持该流水级为上一拍的状态不翻转。在物理设计时，可以通过门控时钟降低时钟树翻转功耗。在电路设计时，可以采用低摆幅电路降低功耗，例如工作电压为1V时，用0.4V表示逻辑0，用0.6V表示逻辑1，摆幅就只有0.2V，大大降低了动态功耗。

芯片的功耗是一个全局量，与每一个设计阶段都相关。功耗优化的层次从系统级、算法级、逻辑级、电路级，直至版图和工艺级，是一个全系统工程。近几年在降低功耗方面的研究非常多，和以前片面追求性能不同，降低功耗已经成了芯片设计一个最重要的任务。

信息产业是一个高能耗产业，信息设备耗电越来越多。根据冯·诺依曼的公式，现在一位比特翻转所耗的电是理论值的10¹⁰倍以上。整个信息的运算过程是一个从无序到有序的过程，这个过程中它的熵变小，是一个吸收能量的过程。但事实上，它真正需要的能量很少，因为我们现在用来实现运算的手段不够先进，不够好，所以才造成了10¹⁰倍这么高的能耗，因此我们还有多个数量级的优化空间。这其中需要一些原理性的革命，材料、设计上都需要很大的革新，即使目前在用的晶体管，优化空间也是很大的。

有些应用还需要考虑计算机的其他指标，例如使用寿命、安全性、可靠性等。以可靠性为例，计算机中用的CPU可以分为商用级、工业级、军品级、宇航级等。比如北斗卫星上面的计算机，价格贵点没关系，慢一点也没关系，关键是要可靠，我国放了不少卫星，有的就是由于其中的元器件不可靠报废了。因此在特定领域可靠性要求非常高。再如银行核心业务用的计算机也非常在乎可靠性，只要一年少死机一次，价格贵一千万元也没关系，对银行来说，核心计算机死机，所有的储户就取不了钱，这损失太大了。

因此考评一个计算机好坏的指标非常多。本课程作为本科计算机体系结构基础课程，在以后的章节中主要关注性能指标。