技术途径

　　广义上讲，定制处理器（系统）包括应用定制集成电路（ASIC, Application-Specific Integrated Circuits）与应用领域定制处理器（ADSP , Application Domain Specific Processor）两类。由于前者过于强调专用性，限制了这一类设计的实际应用，因此本文主要集中于后者。后者在应用层面主要通过指令集的扩展来体现硬件层面的定制功能，一个简单例子就是针对某种使用频繁的功能，设计对应的硬件指令，使得应用可以以直接执行指令的方式来完成功能，其效率显著高于基于通用指令的软件执行方式。

　　定制化设计的最关键问题是对于应用的理解与分析。在此基础上后续的模拟仿真、具体设计方法等才有立足之地。因此，定制化设计的通用技术包括如下流程。

　　应用分析

　　通过核心算法分析，得到应用的通信、计算和访存复杂度，进而获得其通信/ 访存模式、性能热点以及可扩展性。同时进行指令级并行性分析与优化，为处理器定制打下基础。

　　扩展指令的发现与生成

　　通常使用指令模板来寻找应用程序代码中的潜在候选指令。应用程序的执行过程通常可以以图的方式描述，如数据流图、控制流图；指令模板则通常表示为子图的形式。这样，基于指令模板的扩展指令生成问题就能转换为图的同构问题。然后再通过开销分析对所选指令进行约束。

　　扩展功能模块的设计与耦合

　　扩展指令的实现对硬件架构也提出了新的要求。传统的处理器架构针对通用计算设计，结构复杂，功耗、面积开销大。完全定制的专用处理器结构则存在结构可扩展性差的缺点。因此，需要研究面向指令集扩展的可扩展处理器架构。

　　高层次建模/ 模拟技术

　　定制设计需要尽快尽早的进行应用性能、功耗与处理器资源消耗评估，以检验是否达到设计目标。因此需要开展高效的性能模拟技术以及高层次的芯片面积/ 功耗建模研究，以便在定制设计中反复快速的进行优化，直至达到目标。

　　发展现状

　　工业界有不少定制处理器应用实例。如Tensilica 公司的Xtensa 系列可定制处理器、微软的 eMIPS 和 Xilinx 的 MicroBlaze处理器。在超算领域，已经有采用了ASIC技术与/ 或Xtensa 可定制处理器的超级计算机，如Anton 超级计算机与GreenFlash。Anton 是美国纽约D.E.Shaw 实验室研制的分子动力学模拟定制系统，由针对应用定制的ASIC 加速部件（包括Tensilica 的嵌入式可定制处理器内核）以及专门设计的3D-torus 互连网络构成。Green Flash 是美国劳伦斯国家实验室（伯克利）研制的面向全球大气预报的定制结构超级计算机原型，采用Tensilica 定制处理器以及互连结构，对它们进行裁剪以适用于全球大气变化预报应用，预计其每个处理器核的峰值性能是2.7Gflops，如果总体性能为10P 的话，系统将拥有12 万个处理器，功耗为3MW，均大大低于采用Intel 或者AMD通用处理器的规模或者功耗。

　　学术界对可扩展的处理器架构也展开了诸多研究，部分举例如下：

　　1. 美国UCLA 的Customizable Domain-Specific Computing 研究中心自2010 年起开始研究通用的可定制设计平台。

　　2. 英国帝国理工的Wayne Luk 教授研究组开展了一系列的定制指令处理器研究，其针对归纳逻辑程序设计（inductive logic programming）方面的定制化设计的运算性能是P4 处理器的15 倍。

　　3.Molen 是由核心通用处理器和可重构协处理器组成。Molen 的主要贡献是解决了指令扩展导致的opcode 空间爆炸问题和可重构器件带宽限制问题。

　　4.DISC 是一种采用动态部分可重构机制的指令集扩展处理器。DISC 将每个指令实现成相互独立的电路模块，通过类似页换入换出的方式，根据应用需要，动态地加载或卸载指令功能模块。

　　清华大学在国内较早开展了定制处理器研究，提出以通用的微体系结构扩展支持特定应用这一技术路线，并选取“全球气候变化数值模拟”这一代表性关键应用集为目标，实现了可定制处理器FPGA 原型，仿真结果表明处理器的应用性能功耗比是采用同工艺Intel 至强处理器的一个数量级以上，且面积仅为几十分之一。