（原标题：颠覆通用CPU，全球最省电处理器，正式发布）
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几十年来，我们一直用错误的方式构建通用CPU——这是Efficient Computer团队的大胆宣言。为此，他们在今日正式发布了其首款产品 E1 处理器，希望开创通用计算效率的新时代。
Efficient Computer表示。这是一款通用处理器，彻底颠覆了业界长期以来对冯·诺依曼架构的依赖。除了是 Efficient Computer 首款独立硬件产品之外，这款芯片还值得关注的另一个点是该公司称其为“全球最节能的通用处理器”。
据介绍，与传统的冯·诺依曼处理器在内存和计算核心之间传输数据时消耗过多能量不同，Electron E1 处理器基于 Efficient 的 Fabric 架构构建——这是一种执行通用代码的空间数据流架构，无需进行成本高昂的分步计算。与传统的低功耗 CPU 相比，这种方法可将能效提升高达 100 倍，使边缘智能应用在电力和维护受限的环境中也能拥有长达数年的使用寿命。
公司的初衷，对传统CPU失望
Efficient Computer 直言，公司的工程师和开发者团队对传统冯·诺依曼处理器的局限性深感失望，因为这些处理器在内存和计算核心之间传输数据时会消耗过多的能量。我们深知，要实现真正的效率，需要从根本上重新思考处理器的设计方式。
如他们所说，长期以来，我们的处理器一直受制于控制流模型，不断地在缓存、内存和计算单元之间来回移动数据——我想大家都认同，这个过程每一步都会消耗大量的能源。事实上，目前，CPU 仅在移动数据上就消耗了过多的能源，有时甚至超过了处理数据所需的能源。传统架构注重性能、功耗或单次操作的功耗，往往忽略了数据移动的开销。这恰恰是功耗受限的嵌入式系统或使用小型定制电池或电池供电的系统的瓶颈所在。
据他们所说，现代计算系统面临着一个根本性的权衡：实现极致的能效往往以牺牲通用可编程性为代价。之所以出现这样的原因，是因为在现代架构中，数据移动（而非计算）才是能源、性能和可扩展性的主要瓶颈。因此，实现高效率意味着将大部分计算工作尽可能地放在访问内存附近。
如图所示，当今的系统，包括 CPU、GPU 和其他可编程加速器，通过在处理单元 (PE) 之间使用分布式数据存储器来应对这一挑战（参见 NUMA 图）。其理念是预先确定哪些程序数据应该映射到哪个存储器，以及如何将任务分配给每个相应存储器附近的 PE。这种方法被广泛称为非均匀内存访问 (NUMA)，因为不同的存储器对不同的处理器具有不同的（即非均匀的）访问时间。
NUMA 本身无法平衡效率和通用性。除了最简单的程序之外，确定如何协同调度数据和任务几乎是编译器和系统无法解决的问题。具有不规则计算模式（例如稀疏机器学习模型）的工作负载难以分析，即使拥有完善的信息，也可能无法通过映射数据来显著减少数据移动。另一种常见的方法是使用领域特定语言或低级 API 将这一负担转移给程序员。然而，这会牺牲通用性并限制可用性。
众所周知，传统处理器通过分支预测执行顺序操作，并且在每个操作之间，处理器需要参考与处理管道相邻的内存并执行配置更改，在Efficient Computer 的首席执行官兼联合创始人看来：“在每个周期中，你每秒都要执行数十亿次这样的操作；这是非常浪费的。”
正因如此，他们在 Electron E1 处理器上采取了与众不同的思路。那就是基于卡内基梅隆大学十年的研究成果，我们从零开始构建了 Fabric 架构，旨在为通用计算应用带来显著的能效提升。
E1 构建于名为 Fabric 的专有空间数据流架构之上，该架构消除了与指令提取、解码和寄存器文件移动相关的开销。据 Efficient 公司称，这种设计在保留完整软件可编程性和通用实用性的芯片中实现了前所未有的能效，每秒每瓦可执行高达 1 万亿次 8 位整数运算（1 TOPS/W）。
“如果你让计算机执行 X 加 Y 的操作，那么 95% 到 99% 的能耗都花在了指令提供、解码、流水线重构和操作数提供上。只有 1% 到 5% 的能耗真正用于执行加法运算。”该公司创始人Lucia 说道。
数据流架构，突破的本质
Electron E1 处理器正是基于这种空间数据流架构构建的，它能够执行通用代码，同时无需进行成本高昂的分步计算。Efficient的目标是通过静态调度和数据流控制来解决这个问题——不是缓冲，而是运行。它没有缓存，没有乱序设计，但它也不是VLIW或DSP设计。它是一款通用处理器。
大多数人听到“低功耗芯片”或“嵌入式CPU”时，都会想到一个按序执行的ARM Cortex-M或略高于此级别的处理器，架构上有一些乱序执行的指令，并配备足够的片上内存或一些片外DRAM。其模型很简单：一个小型处理器逐步获取、解码、排序、调度、执行，然后退出流水线指令，并根据需要将数据移入和移出内存。
Efficient 的架构简称为“Fabric”，基于空间数据流模型。E1 的指令并非通过集中式流水线，而是将指令绑定到称为“tile”的特定计算节点，然后让数据在它们之间流动。当某个节点（例如乘法器）的所有操作数寄存器都填满时，该节点才会处理其操作数。结果随后会被传送到下一个需要它的“tile”。它没有程序计数器，也没有全局调度程序。据称，这种原生数据流执行模型可以大幅降低传统 CPU 在数据移动过程中所浪费的能源开销。
Electron E1 本质上是一个由小型计算块组成的网格，每个块都能够执行数学、逻辑和内存访问等基本运算。编译器会静态地调度每个标题，使其符合其所需，并路由数据。Efficient 编译器会将 C++ 或 Rust 代码转换为数据流图——这是这里的关键点。由于能够运行常规的 C++ 或 Rust，Efficient 称其为通用 CPU。
当然，这本身也带来了挑战。如果你的程序图对于芯片来说太大了，会发生什么？Efficient 通过流水线重新配置解决了这个问题——编译器将程序图拆分成多个块（chunks），芯片会在执行过程中动态加载新的配置。每个块甚至都包含一个小型的近期配置缓存，因此循环和重复模式不会每次都强制完全重新加载。
Tile 之间的互连也是静态路由且无缓冲的，在编译时决定。由于没有流量控制或重试逻辑，如果两条数据路径通常会发生冲突，编译器必须在编译时解决。这使得 Fabric 保持极高的能效，但也将许多责任推给了工具链。依赖“完美”的编译器一直是传统计算领域的一个问题，因此，看看这种方案将如何发挥作用将会非常有趣。
Electron E1 首款候选发布芯片的一个意义非凡的里程碑是它支持 32 位浮点运算。许多低功耗架构仅支持整数运算，并以定点数学格式运行。首席执行官 Brandon Lucia 教授强调，32 位对于该架构的扩展能力至关重要。
至关重要的是，这不是软件模拟的数据流；硬件被设计为数据流引擎。这是否足够灵活以适应现实世界的嵌入式软件，或者是否会造成太多边缘情况，还有待观察。从架构上讲，它与传统的 CPU 设计相去甚远，同时仍然声称是“通用的”。据说，这正是其功耗优势所在。
从物理层面，Electron E1 采用标准 BGA 封装，并集成片上存储器和外设接口，以最大限度地减少外部依赖。它包含 4 MB MRAM（用于非易失性代码和数据存储），以及 3 MB SRAM 和 128 KB 缓存。该芯片支持 QSPI、UART、SPI 从接口和 I2C 主接口各六个实例，以及 72 条 GPIO 线和一个实时时钟。
性能方面，E1 提供两种可选工作模式：低压模式，在 25 MHz Fabric 时钟下可实现 6 GOPS；高压模式，在 100 MHz 时钟下可实现高达 24 GOPS。可编程唤醒控制器以及集成降压和 LDO 稳压器支持动态功耗模式，包括睡眠和深度睡眠。
该芯片的活动标量 RISC-V 核心可以进入断电状态，而 Fabric 则继续执行。
E1 采用 1.8 V 电源供电，内部逻辑电压范围为 0.55 V 至 0.8V，额定工业温度范围为 -40°C 至 125°C。
Electron E1 还支持全栈可编程性，将常规代码编译成数据流图，并放置在整个 Fabric 架构中。在此过程中，系统保持确定性和静态调度，编译后的程序可持久运行长达 1 亿次。
软件栈，背后的另一个核心
除了 E1 之外，Efficient 还发布了其编译器工具链 effcc 的首个公开版本，该工具链将独特的硬件抽象化，并采用标准开发接口。该编译器基于 LLVM 和 MLIR 构建，可接受标准 C 代码，并只需极少的改动即可集成到现有的开发者工作流程中。开发者只需指向新的编译器二进制文件，即可使用 Make 和 CMake 等常用构建工具以及 Visual Studio Code 等编辑器。
这样可以保持与工程师们已经熟悉的调试工具和工作流程的兼容性。正如 Lucia 所说：“你只需使用 effcc，它就能像 Clang 一样在前端运行……如果你使用 VS Code、Make 或 CMake，你只需让它知道我们的编译器在哪里，然后一切就都正常了。”
编译器的前端使用 Clang，而在中端，Efficient 将输入转换为针对 Fabric 定制的中间表示。高级优化例程（包括基于 AI 的调度框架，即模块化优化框架 (MOF)）会分析代码结构并将其高效地映射到空间网格上。这包括将指令输出自动路由到下游区块，以及优化数据流路径，以最大限度地降低延迟和功耗。
借助这些工具，开发人员可以在基于 Web 的 Playground 上模拟执行，其中包括指令在 Fabric 中传播的交互式可视化效果。该公司强调“两分钟即可体验 Hello World”的开发体验，几乎消除了新平台带来的学习曲线。
由此可以看到。Electron E1 使用标准工具；编译器前端基于 Clang，并支持前面提到的 C++ 和 Rust。他们还表示支持 PyTorch、TensorFlow 和 JAX 等机器学习框架，尽管启用这些框架所需的手动干预程度尚不清楚。
此前，他们的工具链effcc之前只是一个沙盒编译器游乐场。随着 E1 的发布，它现在可以完全下载，这意味着开发人员可以将其直接集成到他们的工作流程中，并瞄准真正的芯片。EFCC 采用常规代码，并将其降低到 Fabric 的空间数据流模型中，处理图形分解、操作映射到图块、配置生成和流水线管理。在传统的编译器中，这些决策是在运行时动态进行的；而在这里，它们在编译时静态解析。这种编译时解析是效率的来源，但这也意味着编译器必须非常智能。
Efficient 承诺开发人员无需学习新的思维模型即可上手——只需编写 C++ 代码，编译器就会处理映射。我最大的疑问是，如果某些代码无法清晰地映射，或者编译器遇到特殊情况，会发生什么？开发人员能否洞察到问题所在？或者，我的想法更像高性能芯片程序员，他们拥有性能工具。像 E1 这样的新范式能否被采用，很可能取决于开发人员开始在实际环境中进行压力测试时，该工具的稳定性。
一些思考
Efficient 表示，E1 最适合嵌入式和边缘 AI 工作负载，这些工作负载通常受到当前 CPU 和窄带加速器的限制。Efficient 提供加速器级的能效和 CPU 级的可编程性，将 E1 定位于通用计算和 AI 推理专用芯片之间。
独立加速器隔离了机器学习管道的密集矩阵乘法核心，而 E1 可以在同一芯片上处理上游信号处理、传感器融合和下游分析或控制逻辑。
Efficient 已开始向早期试用客户提供 E1 样品，并正在与工业和航空航天垂直领域的合作伙伴合作。即将推出的 Photon P1 是 E1 的高端继任者，它将扩展该架构的适用性，使其能够应用于更大规模的边缘计算场景，甚至可能扩展到低端数据中心层。正如 Lucia 所说：“我们的架构兼具可扩展性和高效性，这才是真正的根本。”
“我对公司的愿景是，我们现在从 E1 的嵌入式领域开始，然后一路扩展到边缘、云端，最终扩展到数据中心。” Lucia强调。
然而，密歇根大学计算机科学与工程教授托德·奥斯汀 (Todd Austin)表示，E1 等芯片是高效架构的一个很好的例子，因为它们最大限度地减少了硅片中用于非纯计算的部分，例如获取指令、临时存储数据以及检查网络路由是否正在使用。
伊利诺伊大学香槟分校计算机架构师拉凯什·库马尔(Rakesh Kumar)也表示， Lucia 的团队“正在开展大量巧妙的研究，以便为通用计算提供极低的功耗”。他预测，这家初创公司面临的挑战将是经济效益。“超低功耗公司一直举步维艰，因为低功耗、价格低廉的微控制器市场竞争激烈。关键挑战在于发现新的功能”，并让客户为此买单。
让我们回到性能，特别是能效方面。Efficient 声称 Electron E1 的能效比市场领先的嵌入式 ARM CPU（具体指的是 Cortex M33、M85 和 A5 级内核）高出 10 到 100 倍。Efficient 的核心指标是“每焦耳操作次数”，如果你的设计目标是电池续航，那么这个指标就很合理。问题就在于：每单位能量能做多少有用的功？
然而，这位首席执行官也强调“每瓦 TOPS”是他们的关键指标。坦白说，每瓦 TOPS 让我有点担心。每瓦 TOPS 通常是一个 AI 加速器指标，而不是通用 CPU 的指标。它也依赖于精度，虽然 E1 支持 FP32，但将通用 CPU 的 TOPS 进行比较，开始落入我们通常在机器学习芯片而非嵌入式芯片中看到的那种性能营销的陷阱。此外，传统 CPU 可能拥有大型矢量引擎，这掩盖了真正的串行性能。我想补充一点，大多数嵌入式基准测试都非常传统，例如 DMIPS 或 Coremark，许多嵌入式处理器甚至没有列出 TOPS。我非常期待看到 SPEC2006 在这里运行，因为我知道很多 Arm 的嵌入式客户仍然依赖他们的评估工具包中的这些数据。
尽管如此，考虑到传统 CPU 在数据传输过程中的功耗，10 到 100 倍的能效提升并非不可能。值得称赞的是，Efficient 已经在各种活动中展示了芯片，向客户展示了内部基准测试，并且正准备向市场推出开发套件。但在我们看到完整的工作负载和独立验证之前，很难知道这种优势在各种用例中能持续多久。嵌入式开发人员也关心内存占用、中断延迟、重新配置时间、I/O 争用和软件兼容性。这些因素可能与 Efficient 的效率声明同样重要。
展望未来，Electron E1 只是 Efficient 路线图的第一步。他们正在规划一个完整的产品系列，包括第二代 E2 和更强大的 Photon P1。该计划旨在提升架构性能，扩展工作负载支持，并提供独立的 SOC 和可授权 IP——这是初创公司惯用的策略。Efficient 目前的重点是能源比峰值吞吐量更重要的系统：航空航天、国防、工业传感、可穿戴设备，甚至可能是太空系统。任何计算都需要在有限的功耗下长时间运行，并且维护成本极低。
另外一个值得注意的点，他们现在已经从研究跨入了产品阶段。现在 E1 已经面世，至少可以回答一些更棘手的问题，比如世界是否准备好采用这种新的执行模式，尤其是在嵌入式市场，可靠性和可预测性比新颖性更重要。
编译器的成熟度、调试工具、供应链承诺以及产量提升——所有这些对于 Efficient 来说都还有待解决。嵌入式领域对零部件供应的持续需求已超过十年，这对于初创公司来说是一个残酷的市场。我们都听说过，现代飞机依赖于 80 年代和 90 年代的处理器，而这些处理器现在已经停产，迫使它们依赖于库存，因为这些硬件已经停产。
但如果它真的有效，并且能够扩展，Efficient 或许已经实现了我们很久没见过的奇迹：打造了一款并非仅仅从上一代 CPU 演化而来的通用 CPU。这无疑是一个有趣的想法，我希望我们能尽更深入地了解这个处理器。
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