Intel多核微处理器技术论文.pdf
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1、 Intel 多核微处理器技术 摘要:英特尔对多核芯片信心十足,预估,到 2006 年多核芯片将广泛应用于台式机电脑、服务器、移动装置上,市占率分别为 70%、85%、70%,多核微处理器技术将成为主流 关键字:多核微处理器技术、双核心处理器、晶体管效率 一、引言 根据摩尔定律,CPU 的速度应该每过 18 个月翻一番。在过去的几十年中,CPU 的速度以一个令人意想不到的速度上升,根据两位计算机界的传奇人物John L Hennessy和David A.Patterson 的说法,在这当中每年性能的提升可以达到58%之多。可是自从1996 年以后,CPU 速度上升的步伐似乎慢了下来。根据专家们
2、的分析,从 1996 年到 2002 年,CPU 的提升速度只有 41%,而从 2002 年至今,更是下降到 25%。有业内人士分析说,这种下降的趋势还 会继续下去。那么究竟是什么因素阻碍着 CPU 的快速发展?首先让我们看看影响 CPU 性能的几个关键技术指标。影响 CPU 性能的几个关键技术指标:主频。即 CPU 的工作频率,也就是 CPU 每秒执行的指令数。主频越高,CPU 的速度越快。主频是衡量 CPU 性能的一个指标。前端总线速度。前端总线即 Front Side Bus,通常用 FSB 表示,是将 CPU 连接到北桥芯片的总线。计算机的前端总线频率是由 CPU 和北桥芯片共同决定的
3、。北桥芯片是主板上最靠近 CPU 的那块芯片,它是负责联系内存、显卡等数据吞吐量最大的部件。前端总线是 CPU 和外界交换数据的最主要通道,因此前端总线的数据传输能力对计算机整体性能作用很大,如果没有足够快的前端总线,CPU 的速度再快,也只能干着急,等着前端总线把所需数据传递过来后,才能进行计算。流水线和超标量技术及分支预测机制。每一条指令的执行至多需要 5 个周期,分别为取指周期、译码周期、执行周期、访问存储器周期和写回周期。流水线就是在一个时钟周期启动一条指令,从而实现一个时钟周期完成一条指令;超标量就是在一个时钟周期启动多条指令。因而,一个时钟周期可以完成多条指令。因此,流水线和超标量
4、技术通过指令间的并行,来提高 CPU 的运算速度。指令间的并行度越大,CPU 的速度越快。比如 Intel Xeon 3.2 GHz(EM64T)支持 SSE3 流指令技术,英特尔开发的第三代 SIMD 指令集,可以增强浮点和多媒体运算的速度。而正确的分支预测可以将需要执行的指令提前预取,从而提高 CPU 的速度。缓存的级数和各级缓存的大小。最初的计算机 CPU 里,并没有缓存。因为那时内存的速度和CPU 的速度基本相当,内存能够满足CPU 的数据需要。可是后来CPU的速度按照摩尔定律提升,而内存的速度却上升相对缓慢。为了解决内存速度缓慢引起的系统瓶颈,缓存的概念应运而生。缓存保存 CPU 经
5、常使用的数据,所以缓存越大,保存的信息越多,命中率越高,就减少了 CPU 访问内存的次数,从而提高了整体性能。缓存可以做很多级,目前已经做到三级。芯片架构。以前的 CPU 都是单核心的,现在双核心的 CPU 已经问世。Intel 的Pentium 840 Extreme Edition 芯片采用的是 Smithfield,它是在一块硅芯片上集成两个处理器核心,以后还会有多核心的 CPU。从芯片架构这方面分析,衡量处理器效率通常有两个指标:一是芯片的能源利用效率,也就是每瓦性能,在消耗同等能源条件下,最终性能高的产品能源效率就较高;第二个指标便是芯片的晶体管效率,我们可以引入“每晶体管性能”来衡
6、量,在消耗等量晶体管数量条件下,芯片效能高者效率就越高。晶体管规模越大,制造成本越高,对芯片厂商来说,提高每晶体管性能能够在保持成本不变的前提下获得更卓越的性能。一般来说,每瓦性能和每晶体管性能总是被结合起来讨论,不同指令体系的产品在此相差甚远,例如当前顶级的 RISC 处理器与顶级的 X86 处理器作对比,我们便会发现 X86 芯片远远落后。多核心设计可谓是提高每晶体管效能的最佳手段。在单核产品中,提高性能主要通过提高频率和增大缓存来实现,前者会导致芯片功耗的提升,后者则会让芯片晶体管规模激增,造成芯片成本大幅度上扬。尽管代价高昂,这两种措施也只能带来小幅度性能提升。而如果引入多核技术,便可
7、以在较低频率、较小缓存的条件下达到大幅提高性能的目的。相比大缓存的单核产品,耗费同样数量晶体管的多核心处理器拥有更出色的效能,同样在每瓦性能方面,多核设计也有明显的优势。正因为如此,当 IBM 于 2001 年率先推出双核心产品之后,其他高端 RISC 处理器厂商也迅速跟进,双核心设计由此成为高端 RISC 处理器的标准。而X86 业界直到去年中期才开始尝试推出双核产品,预计实现全面普及要等到 2006-2007 年。此时,RISC 业界又朝向多核、多线程的方向发展,四核心、八核心设计纷纷登台亮相,并行线程数量多达 32 条,并且开始从通用多核体系转向简化核以及专用化的 DSP,实现性能的跨越
8、性提升这些新设计和新方向也都将被 X86 业界所借鉴。二、多核微处理器技术简介 Intel 表示未来采用多核心处理器,这种处理器对连接处理器和芯片组之间的总线带宽提出更高要求,现在的 FSB 总线带宽已经成为瓶颈,这也就是代号 Demspey 的双核心 Xeon处理器将采用 2 个处理器总线连接处理器和芯片组(代号 Blackford 和 Greencreek)的原因。目前并行 FSB 前端总线的最高承受速度在 1.2GHz。未来首批双核心桌面处理器Smithfield 的 FSB 在 800MHz,65nm 工艺的双核心 Allendale 和 Millville 的 FSB 也在1066M
9、Hz,还在目前并行 FSB 可以承受的速度范围之内。在 2007-2008 年内,Intel 将推行DDR3 800/1066/1333 内存,因此内存界面也将分 2 个阶段迈向串行方式,第 1 个阶段是为FB-DIMM 搭配 Advanced Memory Buffer(AMB,高阶内存缓存)芯片,将并行传输转换成串行。第 2 个阶段是装备真正的 Serial DIMM 串行内存。以双核心处理器为例,简单地说就是在一块 CPU 基板上集成两个处理器核心,并通过并行总线将各处理器核心连接起来。双核心并不是一个新概念,而只是 CMP(Chip Multi Processors,单芯片多处理器)中
10、最基本、最简单、最容易实现的一种类型。其实在 RISC 处理器领域,双核心甚至多核心都早已经实现。CMP 最早是由美国斯坦福大学提出的,其思想是在一块芯片内实现 SMP(Symmetrical Multi-Processing,对称多处理)架构,且并行执行不同的进程。早在上个世纪末,惠普和 IBM 就已经提出双核处理器的可行性设计。IBM 在2001 年就推出了基于双核心的 POWER4 处理器,随后是 Sun 和惠普公司,都先后推出了基于双核架构的 UltraSPARC 以及 PA-RISC 芯片,但此时双核心处理器架构还都是在高端的RISC 领域,直到前不久 Intel 和 AMD 相继推
11、出自己的双核心处理器,双核心才真正走入了主流的 X86 领域。Intel 不是惟一要推出双核处理器的厂商,目前几乎所有处理器厂商都有多核计划。IBM已经销售双核芯片多年,ARM 也在手机市场销售双核芯片。英特尔的竞争对手 AMD 表示,将设计双核、四核及八核芯片,并将于 2005 年推出首款双核芯片。惠普、Sun 都已经拥有多核心产品。Intel 强调自身的特色在于生产双核乃至多核芯片不只是推出一个处理器的概念,它还包括利用平行处理与平台的整合,如更高的运算能力及支持其他如无线网络安全装置,整体提升使用者的操作经验。Intel 指出,多核处理器的应用领域包括可作为数码家庭的防火墙、资料备份、扫
12、毒等功能,以及作为办公室的资料处理、科学运算。事实上,以上功能在目前的单核架构下就能完成 就如下图所示,多核微处理器技术将成为一个发展趋势。三、Intel 与 AMD 多核处理器剖解 1.AMD 双核心构架简介 AMD 目前的桌面平台双核心处理器代号为 Toledo 和 Manchester,基本上可以简单看作是把两个 Athlon 64 所采用的 Venice 核心整合在同一个处理器内部,每个核心都拥有独立的512KB 或 1MB 二级缓存,两个核心共享 Hyper Transport,从架构上来说相对于目前的 Athlon 64 架构并没有任何改变。与 Intel 的双核心处理器不同的是,
13、由于 AMD 的 Athlon 64 处理器内部整和了内存控制器,而且在当初 Athlon 64 设计时就为双核心做了考虑,但是仍然需要仲裁器来保证其缓存数据的一致性。AMD 在此采用了 SRQ(System Request Queue,系统请求队列)技术,在工作的时候每一个核心都将其请求放在 SRQ 中,当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心,所以其缓存数据的一致性不需要通过北桥芯片,直接在处理器内部就可以完成。与 Intel 的双核心处理器相比,其优点是缓存数据延迟得以大大降低。AMD 目前的桌面平台双核心处理器是 Athlon 64 X2,其型号按照 PR 值分为 3800+至 48
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