Intel与AMD多核处理器剖解

西瓜

一、双核心的由来

　　所谓双核心处理器，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。

　　MCM模块内封装了4个Power4芯片，共有8个CPU核心

　　Intel和AMD之所以推出双核心处理器，最重要的原因是原有的普通单核心处理器的频率难于提升，性能没有质的飞跃。由于频率难于提升，Intel在发布3.8GHz的产品以后只得宣布停止4GHz的产品计划；而AMD在实际频率超过2GHz以后也无法大幅度提升，3GHz成为了AMD无法逾越的一道坎。正是在这种情况下，为了寻找新的卖点，Intel和AMD都不约而同地祭起了双核心这面大旗。

Sun UltraSPARC IV双核处理器

二、AMD双核心处理器的简介

　　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，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4800+等几种，同样采用0.09微米制程，Socket 939接口，支持1GHz的Hyper Transport，当然也都支持双通道DDR内存技术。

Athlon 64 X2

　　由于AMD双核心处理器的仲裁器是在CPU内部而不是在北桥芯片上，所以在主板芯片组的选择上要比Intel双核心处理器要宽松得多，甚至可以说与主板芯片组无关。理论上来说，任何Socket 939的主板通过更新BIOS都可以支持Athlon 64 X2。对普通消费者而言，这样可以保护已有的投资，而不必象Intel双核心处理器那样需要同时升级主板。

三、Intel双核心构架剖析

　　AMD的“真伪双核论”虽无法立足，但它点出的英特尔双核处理器可能出现前端总线资源争抢的问题是否真是实情呢？对此，英特尔表示：AMD并不了解我们的产品和我们将来产品的技术走向，对自己的竞争对手及其产品妄加猜测和评论的行为是不值得赞赏的。AMD曾经指出奔腾至尊版是两个核心共享一个二级缓存，这就是一个非常明显的错误。事实上，奔腾至尊版和奔腾D都是每个核心配有独享的一级和二级缓存，不同的是英特尔将双核争用前端总线的任务仲裁功能放在了芯片组的北桥芯片中。

　　图1：基于Smithfield衍生出的奔腾至尊版和奔腾D，主要区别就在于奔腾至尊版支持超线程，而奔腾D屏蔽了超线程功能。

　　按照“离得越近、走得越快”的集成电路设计原则，把这些功能组件集成在处理器中确实可以提高效率，减少延迟。不过，在台式机还不可能在短期内就支持4个内核和更多内核的现实情况下，只要有高带宽的前端系统总线，就算把这些任务仲裁组件外置，对于双核处理器的台式机来说带来的延迟和性能损失也是微乎其微的。

　　英特尔945和955系列芯片组目前可提供800MHz（用于目前的奔腾D）和1066MHz（用于奔腾至尊版）前端总线，如果是供一个四核处理器使用，那肯定会造成资源争抢，但对于双核来说，这个带宽已经足够了。英特尔认为目前双核系统中的主要瓶颈还是内存、I/O总线和硬盘系统，提升这些模块的速度才能使整个系统的计算平台更加均衡。

　　基于这种设计思路，英特尔在945和955系列芯片组中加强了对PCI-Expres

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英特尔之所以在奔腾至尊版和奔腾D上采用共享前端总线的双核架构，还是出于双核架构自身的紧凑设计和生产进程方面的考虑，这种架构使英特尔能够迅速推出全系列的双核处理器家族，加快双核处理器的产品化，而且它带来的成本优势也大大降低了奔腾至尊版、奔腾D与现有主流单核处理器——奔腾4系列的差价，有利于双核处理器在PC市场上的迅速普及。

四、AMD双核心架构剖析

　　从架构上来看，Athlon 64 X2除了多个“芯”外与目前的Athlon 64并没有任何区别。Athlon 64 X2的大多数技术特征、功能与目前市售的、基于AMD64架构的处理器是一样的，而且这些双核心处理器仍将使用1GHz HyperTransport总线与芯片组连接及支持双通道DDR内存技术。

　　实际上Toledo核心就相当于是两个San Diego核心的Athlon 64处理器的集成，至于Manchester自然就相当于两个Venice核心了—这也就是说，双核心的Athlon 64 X2处理器均将支持SSE3指令集。

　　另外我们不难发现的是，AMD的台式双核心处理器的频率与其单核心产品基本上处于同一水平上—这一点与Intel非常不一样(Intel目前频率最高的桌面单核心处理器达到了3.8GHz，而其最高频率的双核心处理器只不过3.2GHz)。当然这并不难理解，因为Athlon 64处理器，特别是采用了90nm SOI工艺的Athlon 64处理器的发热量要比Intel的高频率的Prescott核心处理器要低不少，所以自然可以采用比较高的工作频率了(当然从频率的角度来看，Athlon 64 X2也还是低于Pentium D的)。

　　由于Intel受发热量限制目前的双核心处理器最高只有3.2GHz，因此在性能上肯定要比AMD的 Athlon 64 X2要低一些——不过Pentium D不如Athlon64 X2的地方并不仅仅只有这方面而已。在处理器的架构上AMD也有其独到之处，下图所示就是AMD的双核心处理器的架构示意图。

　　AMD的双核心方案面临一个重要的问题，就是随着第二核心的出现，对内存与I/O带宽的资源将会出现争夺，如何解决好这个问题是AMD双核心处理器的性能的关键问题之一。与Pentium D不同的是，Athlon 64 X2的两个内核并不需要通过外部FSB通信这一途径。Athlon 64 X2内部整合了一个System Request Queue(SRQ)仲裁装备，每一个核心将其请求放在SRQ中，当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心，所有的过程都在CPU核心范围之内完成。

　　AMD双核心强调是真正将两个核心崁入整合在一个硅晶内核上，可以真正发挥双核心效率，不像对手的产品事实上为两个Packet的设计，会有两个核心之间传输瓶颈的问题。因此Athlon 64 X2的架构要优于Pentium D架构，尤其是在高负载的多线程/多任务的环境下，AMD的处理器将会表现出比Intel的处理器更好的性能。

　　此外，随着第二核心的出现，对内存与I/O带宽的资源将会出现争夺，如何解决好这个问题是AMD双核心处理器的性能的关键问题之一。AMD信引入了Crossbar控制器，这个全新的控制器结合优化的系统请求队列，可以有效的降低这个问题的危害性。

　　AMD处理器集成的内存控制器在进化到双核心时代表现出来的优势更加明显，低延时的内存控制器使得对CPU的缓存的依赖也大幅减少，在这样的情况下，在日后过渡到多核心的时候，需要考虑的问题更多的是基于各个核心之间的连接。我们可以看到，两个核心所采用的L2缓存也是分别独享的，也就是两个L2缓存中保存的数据是一致的。

　　实际的可利用容量和一个核心的L2缓存容量是相同的—这一点和Intel一样。与Intel有所不同的是，AMD方案的两个核心之间的通信是通过处理器内部的Crossbar实现的。相比之下Intel的Pentium D处理器的核心之间的通信则是需要通过芯片组的MCH来进行—这显然比AMD的方案要带来更多的延迟时间。不过AMD的架构也并非十全十美，双核心处理器仍然只支持双通道DDR400内存无疑是一个有些令人遗憾的地方—两个处理器核心自然需要更大的内存带宽。要解决这个矛盾，只能使用全新的针脚设计，DDR2或许是一个不错的选择。

　　Athlon 64 X2这样的设计还有一个好处，那就是如果打算支持新的双内核处理器的话，对旧平台而言唯一的要求就是升级到最新BIOS就OK了，这将大大降低平台的应用、升级成本。当然AMD沿用以前的内存控制器也是有很大的好处的，那就是双核心的Athlon 64 X2处理器可以在目前几乎所有的Socket 939主板上使用。这方面AMD有着Intel无可比拟的优势—因为以前的915/925主板并不能支持Intel的双核心处理器。

　　此外，与Pentium D是通过降低频率来降低功耗不同，同样采用0.09微米生产技术的Athlon 64 X2似乎并不需要面临这样的问题。这都得益于AMD在Athlon 64 X2处理器上所采用的“Dual Stress Liner”应变硅技术。Dual Stress Liner技术是由AMD和IBM联合开发的，据称可以将半