公關策劃公司：英特爾歷代微處理器架構技術回顧
2013-04-04 18:36:20
從486時代三大微處理器廠商齊頭并進到隨后Intel與AMD分道揚鑣，CPU的核心架構越來越受到業界的關注。對微處理器架構熟悉的朋友相信不會忘記當Intel初次啟用P6架構時，AMD與Cyrix無可奈何的情景；當AMD力挽狂瀾而推出K7架構時，Intel終于嘗到了被動的苦頭；當NetBurst架構意外出爐之時，人們對此又愛又恨；當以Pentium M迅馳架構為設計藍圖的Core架構統一江山時，前所未有的局面更讓我們大為吃驚。
毫無疑問，如今決定CPU整體性能表現的關鍵因素已經不僅僅是主頻，也不是緩存技術，而是核心架構。優秀的核心架構能夠彌補主頻的不足，更能簡化緩存設計而降低成本，這才是優秀處理器的根基。然而對于CPU廠商而言，更換核心架構是極其艱難的舉動，因為這將投入大量研發資金，更冒著性能不佳的風險。回顧歷代CPU，我們不難發現Intel在大部分時間內都保持領先地位，如今更是走在了十字路口：NetBurst架構的發展潛力不如K8架構，而且近在眼前的制作工藝限制幾乎又無法解決。在這樣的關鍵時刻，Intel推出了全新的Core架構，在未來一段時間內將徹底取代現有的NetBurst架構。
幫助AMD絕地反擊的K7架構
一、現實與理智的平衡：P5與P6架構
在486處理器時代，Intel、AMD和Cyrix的產品在性能方面并沒有明顯的差距，畢竟此時遵循的架構相同，而且主頻一致，放在主板上的緩存也沒有多大區別。在這樣的背景下，Intel唯一的優勢便是產能，AMD和Cyrix則繼續緊跟巨人腳步。不過聰明的Intel并沒有選擇按部就班，通過一張專利授權證明，Pentium將AMD和Cyrix都擋在了門外。
Pentium處理器采用的P5架構
Pentium采用P5架構，這被證明是偉大的創舉。在Intel的發展歷史中，第一代Pentium絕對是具有里程碑意義的產品，這一品牌甚至沿用至今，已經有十幾年的歷史了。盡管第一代Pentium 60的綜合表現很一般，甚至不比486DX66強多少，但是當主頻優勢體現出來之后，此時所表現出來的威力令人震驚。Pentium 75、Pentium 100以及Pentium 133，經典的產品一度稱雄業界。在同一時代，作為競爭對手的AMD和Cyrix顯然因為架構上的落后而無法與Intel展開正面競爭，即便是號稱“高頻486”的Cyrix 5X86也差距甚大，這并非是高主頻所能彌補的缺陷。
痛定思痛，AMD面對這樣的局面只能另辟道路。經過K5還算成功的試探之后，又發布了K6處理器，并逐漸衍生出K6-2和K6-3。如果說第一代K6還只能與具備MMX技術的Pentium打成平手的話，那么后續的K6-2和K6-3則憑借架構上的優勢令Intel感受到巨大的壓力。為此，Intel將原本用于Pentium Pro服務器處理器的P6架構用于桌面處理器，并且這一架構沿用多年，直到Pentium III時代。
沿用到Pentium III的P6架構
在Pentium時代，雖然Intel還是相對競爭對手保持一定的領先，但是Intel并未感到滿足。在他們看來，只有從架構上扼殺對手，才能完全擺脫AMD和Cyrix兩家的追趕。于是，Intel在發布奔騰的下一代產品Pentium II時，采用了專利保護的P6架構，并且不再向AMD和Cyrix授權。P6架構與Pentium的P5架構最大的不同在于，以前集成在主板上的二級緩存被移植到了CPU內，從而大大地加快了數據讀取和命中率，提高了性能。AMD和Cyrix由于沒能得到P6架構的授權，只好繼續走在舊的架構上，整個CPU市場的格局一下子發生了巨大的變化，AMD和Cyrix的市場份額急劇下降。這里我們需要特別提一下K6-2+和K6-3，盡管這兩款令人肅然起敬的產品也對Intel構成嚴重威脅，但是它們所謂的內置二級緩存并非集成在CPU核心中，因此絕對不能算作P6架構，浮點性能也有著不小的差距。
二、低開高走：客觀評價NetBurst架構
1．P6架構難敵AMD K7
自從AMD在1999年推出K7處理器之后，整個CPU市場格局發生了翻天覆地的變化。從核心架構的技術角度來看，AMD實際上已經領先于Intel。在同頻Athlon與Pentium III的較量中，AMD占據了上風，這與其EV6前端總線以及緩存架構有著很大的關系，而且AMD K7處理器的動態分支預測技術也領先于P6架構。
Barton核心的K7處理器讓我們看到核心架構的重要性
面對這樣的窘迫局面，Intel可謂將P6架構的優勢發揮到極點。首先是一場主頻大戰，隨后是在Tualatin核心中加入大容量緩存，再加上服務器處理器的SMP雙CPU模式，Intel巨人最終還是保住了顏面。但是Intel深知，核心架構上的劣勢遲早會令其陷入徹底的被動局面，一場架構革命演變在即。當全世界在試目以待的時候，Intel推出了微處理器發展史上極受爭議的直至今天還在服役的NetBurst架構！
2．NetBurst架構喜憂參半
盡管如今的Pentium4已經是一塊“金字招牌”，但是在其發展初期可并不是一帆風順，第一代Willamette核心就飽受批評。對于全新的NetBurst結構而言，發揮強大的性能需要更高的主頻以及強大的緩存結構，而這些都是Willamette核心所不具備的。256KB二級緩存顯然不足，此時的整體性能受到很大影響。然而最讓Intel尷尬的是，Willamette核心的Pentium4 1.5G甚至不如Tualatin核心的Pentium III，部分測試中甚至超頻后的Tualatin Celeron也能越俎代庖。
Willamette核心讓NetBurst架構出師不利
然而出師未捷身先死的情況并不會出現在如日中天的Intel身上，與Pentium III處理器相比，NetBurst架構的Pentium4在提高流水線長度之后令執行效率大幅度降低，此時大容量二級緩存與高主頻才是真正的彌補方法。可是諷刺的是，頻率比AthlonXP 2000＋高出很多的Pentium4 Willamette 2GHz竟然服服帖帖地敗于其下。盡管后續的NorthWood核心憑借512KB二級緩存略微挽回面子，但是當時AMD的K7架構也在發展，Barton核心將Intel陷入了被動。因此，我們可以給出這樣一個明確的結論：Intel的NetBurst架構即便是面對AMD K7架構時也沒有什么可驕傲的資本。如果不是Intel的市場調控能力超強，如今CPU市場的格局可能會是另一番景象。
NorthWood核心為NetBurst架構略微挽回顏面
3．流水線與CPU效率的關系
當然，我們如今看到的Prescott核心依舊是NetBurst架構，并且高頻率產品的綜合性能還是實實在在的。但是明眼人都看到了Intel的軟肋：NetBurst架構過分依賴于主頻與緩存，這與當前CPU的發展趨勢格格不入。為了提高主頻，NetBurst架構不斷延長CPU超流水線的級數。
在這里有必要解釋一下流水線的概念，它是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業生產上的裝配流水線。在CPU中由5～6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條x86指令分成5～6步后再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經典Pentium每條整數流水線都分為四級流水，即指令預取、譯碼、執行、寫回結果，浮點流水又分為八級流水。
超標量是通過內置多條流水線來同時執行多個處理任務，其實質是以空間換取時間。而超流水線是通過細化流水、提高主頻，使得在一個機器周期內完成一個甚至多個操作，其實質是以時間換取空間。例如，起初Pentium4的超流水線就長達20級，隨后的Prescott更是提升到31級。超流水線設計的級數越長，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應工作主頻更高的CPU。但是超流水線過長也帶來了一定副作用，很可能會出現主頻較高的CPU實際運算速度較低的現象，Intel的NetBurst架構就出現了這種情況，雖然它的主頻可以很高，但其運算性能卻遠遠比不上低主頻的AMD處理器。
Intel自然也知道這樣的問題，但是NetBurst架構已經邁開腳步，這已經無法停止。為此，Intel不得不繼續提高主頻并且加大二級緩存容量。可是讓Intel十分尷尬的是，如今處理器制作工藝開始面臨瓶頸，即便是65納米工藝，未來想要在NetBurst架構實現高主頻也是極為困難的事情，這意味著NetBurst架構今后將無法繼續憑借主頻優勢與競爭對手匹敵。此外，巨大的緩存容量也是一個負擔，這不僅提高了成本，也令發熱量驟升。如果不是Intel的市場公關與口碑較好，那么Intel處理器早就要陷入尷尬了，因為如今高頻Pentium簡直就是高發熱量和高功耗的代名詞，甚至Celeron D也是滾燙滾燙。
Prescott核心成為NetBurst架構的強弩之末
三、巨人的王牌：Pentium M盡顯Intle實力
與桌面市場相比，Intel在移動市場擁有更為強大的控制能力。從486處理器到如今的Pentium M，Intel一直稱霸移動處理器市場。在傳統模式下，Intel移動處理器只是桌面處理器的低頻低電壓版本，然后加上一些節能技術，但是第一代迅馳Pentium M卻走出了這一框架。
盡管業界中不少人認為第一代Pentium M（Banias）僅僅是改良版的Pentium III-M，通過超大容量的二級緩存以及更高的前端總線來提升性能，但是對于移動用戶而言，我們看重的僅僅是性能與功耗。Banias的性能已經幾乎與Pentium4并駕齊驅，而功耗更是大幅度減小。作為Intel第一款專注移動市場設計的處理器，其成功是勿庸置疑的。更加令人沒有想到的是，Banias核心的Pentium M一旦應用到桌面平臺并大幅度超頻之后，其性能完全壓倒了Pentium4，隨后Dothan核心的Pentium M將這一神話進行到底。我們不僅要問：Pentium M到底是哪一種核心架構，NetBurst架構是不是一個巨大的諷刺？
平心而論，對比Dothan核心的Pentium M與主流Pentium4，我們不難發現Intel的尷尬之處。從技術角度而言，Intel完全有能力推出比當前Pentium4性能更好的處理器，但是錯誤的架構選擇令其陷入被動。業內有人質疑過：Pentium M的核心架構依然是P6，只不過結合了NetBurst架構的前端總線技術，通過減少原先P6微架構下指令編譯后的微指令數目來改善指令編譯器及處理單元的效能，并且主頻和緩存都大幅度加強。
Dothan核心的Pentium M處理器
盡管我們一再認為AMD的K7架構十分先進，但是不可否認的是，K7架構基本上與P6架構相差不大。如果K7也配備大容量緩存與主頻，那么其性能表現與Pentium M將是差不多的，這一點在多種測試中也得到證明。Intel顯然是意識到在當前制作工藝受到限制并且CPU越來越要求低發熱量的大背景下，CPU必須提高流水線效率。在倉促之間，(文章來自活動策劃公司、上海公關公司)，Intel選擇了P6架構來簡單應付。只不過Intel的市場調控能力實在太出色，而相關技術的領先也幫助Pentium M站穩腳跟，繼而創造了“迅馳神話”。事實上，迅馳的空前成功同樣令到Intel感到痛楚，那就是更顯得桌面NetBurst架構的軟弱，壯士斷臂的舉措已經不止一次在Intle的高層會議上被提上議程。
四、壯士斷臂：NetBurst架構終于落幕，Core架構臨危授命
既然NetBurst架構已經無法滿足未來CPU發展的需要，那么Intel就必須開辟全新的CPU核心架構。事實上，Intel就早做好了技術準備，迅馳III中的Yonah移動處理器已經具備Core核心架構的技術精髓。Intel于前不久正式公布了全新的Core核心架構：未來臺式機使用Conroe，筆記本使用Merom，服務器使用WoodCrest，這三款處理器全部基于Core核心架構。
1．流水線效率大幅度提升
主頻至上的CPU研發思路顯然已經被淘汰。Core架構的處理器將超流水線縮短到14級，這將大幅度提升整體效率，令CPU避免出現“高頻低能”的尷尬現象。然而更加值得我們關注的是，Core架構采用了四組指令編譯器，這與Pentium M處理器有些類似。所謂四組指令編譯器，就是指能夠在單一頻率周期內編譯四個x86指令。這四組指令編譯器由三組簡單編譯器（Simple Decoder）與一組復雜編譯器（Complex Decoder）組成。四組指令編譯器中，僅有復雜編譯器可處理最多由四個微指令所組成的復雜x86指令。如果不幸碰到非常復雜的指令，復雜編譯器就必須呼叫微碼循序器（Microcode Sequencer），以便取得微指令序列。
為了配合超寬的編譯單元，Core架構的指令讀取單元在一個頻率周期內，從第一階指令快取中，抓取六個x86指令至指令編譯緩沖區（Instruction Queue），判定是否有符合宏指令融合的配對，然后再將最多五個x86指令，交派給四組指令編譯器。四組指令編譯器在每個頻率周期中，發給保留站（Reservation Station）四個編譯后的微指令，保留站再將存放的微指令交派（dispatch）給五個執行單元。
自從 AMD 失敗的 K5 設計之后，已經有超過十年的時間，x86處理器的世界再也沒有出現過四組指令編譯器的設計。因為x86指令集的指令長度、格式與定址模式都相當混亂，導致x86指令解碼器的設計是非常困難的。但是如今的局面已經有所改變，一方面是高主頻對于四組精簡結構有著很大的依賴性，另一方面是其它輔助性技術也能很大程度上彌補解決定址模式混亂的難題。毫無疑問，Intel的這一創舉將是在CPU核心架構設計上具有里程碑意義的，未來我們將有望看到CPU的整體性能有大幅度提高。
2．全新的整數與浮點單元
從P6到NetBurst架構，整數與浮點單元的變化還是相當明顯，不過如今Core架構的變化也同樣不小，只是部分關鍵技術又改回P6架構時代的設計。Core具備了3個64bit的整數執行單元，每一個都可以單獨完成的64位整數運算操作。這樣一來Core就有了一套64bit的復雜整數單元（這一點和P6核心的CIU相同），以及兩個簡單整數單元用來處理基本的操作和運算任務。但是非常特別是的是，3個64bit的整數執行單元中的一個簡單整數單元和分支執行單元將會共享端口。該端口處的簡單整數單元將和分支單元共同完成此處的宏指令結合的任務。
如果說Core架構就是P6架構，那無疑是不公平的。能夠獨立完成64bit整數運算對Intel x86處理器來說還是頭一回，這也讓Core得以走在了競爭對手的前列。此外，64bit的整數單元使用彼此獨立的數據端口，因此Core能夠在一個周期內同時完成3組64bit的整數運算。極強的整數運算單元使得Core在包括游戲、服務器項目、移動等方面都能夠發揮廣泛而強大的作用。
在以往的NetBurst架構中，浮點單元的性能很一般，這也是為什么AMD處理器總是在3D游戲中有更好表現的原因之一。不過Core構架進行了不小的改進。Core構架擁有2個浮點執行單元同時處理向量和標量的浮點運算，其中一個浮點單元執行負責加減等簡單的處理，而另一個浮點單元則執行負責乘除等運算。盡管不能說Core構架令浮點性能有很大幅度的提升，但是其改進效果還是顯而易見的。在多項測試中，Conroe臺式機處理器已經能夠打敗AMD高端的FX62。
Core構架的整體效率以及高于AMD K8
3．數據預讀機制與緩存結構
Core 架構的預讀取機制還有更多新特性。數據預取單元經常需要在緩存中進行標簽查找。為了避免標簽查找可能帶來的高延遲，數據預取單元使用存儲接口進行標簽查找。存儲操作在大多數情況下并不是影響系統性能的關鍵，因為在數據開始寫入時，CPU即可以馬上開始進行下面的工作，而不必等待寫入操作完成。緩存/內存子系統會負責數據的整個寫入到緩存、復制到主內存的過程。
此外，Core 架構使用了Smart Memory Access算法，這將幫助CPU在前端總線與內存傳輸之間實現更高的效率。Smart Memory Access算法使用八個預取器，這種預取器可以利用推測算法將數據從內存轉移到二級緩存，或者從二級緩存轉移到一級緩存，這對于提高內存單元性能以及緩存效率都是很有幫助的。
Core 架構的緩存系統也令人印象深刻。雙核心Core 架構的二級緩存容量高達4MB，且兩個核心共享，訪問延遲僅12到14個時鐘周期。每個核心還擁有32KB的一級指令緩存和一級數據緩存，訪問延遲僅僅3個時鐘周期。從 NetBurst 架構開始引入的追蹤式緩存（Trace Cache）在 Core 架構中消失了。NetBurst 架構中的追蹤式緩存的作用與常見的指令緩存相類似，是用來存放解碼前的指令的，對 NetBurst 架構的長流水線結構非常有用。而 Core 架構回歸相對較短的流水線之后，追蹤式緩存也隨之消失，因為 Intel 認為，傳統的一級指令緩存對短流水線的 Core 架構更加有用。當然，如今的緩存結構還僅僅是Core 架構的最低版本，隨著未來核心改進，緩存結構只會變得越來越強。
4．真正的雙內核處理器
對于PC用戶而言，多任務處理一直是困擾的難題，因為單處理器的多任務以分割時間段的方式來實現，此時的性能損失相當巨大。而在雙內核處理器的支持下，真正的多任務得以應用，而且越來越多的應用程序甚至會為之優化，進而奠定扎實的應用基礎。從技術角度來看，雙內核的處理器確實令人期待。
Intel目前規劃的雙核心處理器很多，包括Pentium Extreme Edition和Pentium D等。但是Intel的雙核心一直飽受爭議，原因便是其實質僅僅是封裝兩個獨立的內核，互相之間的數據傳輸甚至還需要通過外部總線，這令效率大幅度降低。而Core 架構的設計將會令懷疑者閉嘴：其二級緩存并沒有分成兩個單獨的單元，而是兩個核心共享緩存。這一點非常重要，它說明Core并不是簡單地將兩個核心拼在一起。
當然，Core架構的優勢還不僅僅是這些，還包括降低功耗的Intelligent Power Capability技術以及優化多媒體性能的Advanced Digital Media Boost技術。Core架構的設計理念應該說非常正確，在摒棄主頻至上策略之后，Intel終于回到正軌，這對于業界而言無疑是一個好消息。此外，Core架構的Conroe臺式機處理器將會兼容I975芯片組，因此未來Intel處理器的產品線又將拉長，這意味著一場價格大戰在所難免，這對于廣大消費者又是一個好消息。
寫在最后
未來我們期待的不僅僅是純計算速度更快的處理器，出色的多任務并行處理、強大的64位計算能力、人性化的防病毒功能以及合理的功耗，這些才是用戶真正想要的。正如AMD在前幾年一直反對“為技術而技術”一樣，以客戶需求為指導，遵循產品發展規律才是走向成功的捷徑。我們同樣希望與Intel苦戰多年的戰士在面臨Intel的強大攻勢下繼續頑強作戰，與Intel一起繼續為業界奉獻出色的改變人類生活的微處理器產品。
