能否推倒i7？AMD推土機(jī)CPU架構(gòu)全解析
???????????????????????????????????????????????????????? 能否推倒i7？AMD推土機(jī)CPU架構(gòu)全解析 AMD終于發(fā)布了讓人期待已久的Llano高性能APU（加速處理器），APU的真正實力毫無保留的展現(xiàn)在了世人面前，簡單來說，APU的表現(xiàn)可謂是喜憂參半，喜的是GPU部分確實強(qiáng)大，絕對可以秒殺主流級獨立顯卡，性能是Intel SandyBridge集顯HD3000的2-3倍甚至更多；憂的是CPU部分原地踏步，與Intel CPU的差距越來越大?！ PU的CPU部分，使用的還是Phenom II架構(gòu)，而且還是沒有三級緩存的精簡版。Phenom II的架構(gòu)相比Phenom I改進(jìn)不大，還停留在Intel Core 2 Quad的級別。而Intel此后已經(jīng)推出了兩代Core i7產(chǎn)品，性能節(jié)節(jié)攀升，AMD想要與SandyBridge架構(gòu)的第二代Core i7抗衡，使用老架構(gòu)簡單擴(kuò)充核心是毫無勝算的?！ MD下一代CPU架構(gòu)――Bulldozer（推土機(jī)）就肩負(fù)起了對抗SandyBridge Core i7的重任?，F(xiàn)在距離推土機(jī)發(fā)布已經(jīng)不遠(yuǎn)了，相信更多的DIY玩家都在期待AMD全新CPU架構(gòu)的表現(xiàn)，那么首先我們就來詳細(xì)了解一下推土機(jī)架構(gòu)到底有什么值得期待之處吧。Intel的殺手锏――HT同步多線程技術(shù) 我們知道，在Core 2時代，AMD和Intel的CPU性能差距還不算太大。但Core i7問世之后，性能有了質(zhì)的提升，其中貢獻(xiàn)最大的非HT（Hyper-Threading，超線程）技術(shù)莫屬。HT技術(shù)可以輕易地把4核虛擬成8線程，在任務(wù)管理器中看到的“8個核心”不僅僅是看著爽而已，它確實帶來了不小的性能增益，進(jìn)一步與AMD CPU拉開了差距。SMT同步多線程技術(shù)的工作原理 SMT（Simultaneous Multi-threading，同步多線程）的設(shè)計初衷非常簡單，就是為了充分利用CPU物理核心的資源，防止運算能力被浪費。 一般情況下，CPU的物理核心只有一個執(zhí)行線程，很多時候CPU核心會處在等待內(nèi)存中關(guān)鍵代碼或數(shù)據(jù)的狀態(tài)，此時線程為暫停狀態(tài)，核心運算能力被閑置。而SMT技術(shù)可以允許一顆核心運行兩個或多個線程，當(dāng)?shù)谝粋€線程暫停時，將第二個資源準(zhǔn)備充分的線程安排給核心處理，這樣動態(tài)切換的結(jié)果就是，CPU的運算能力得到了最大的利用?！ 『喲灾琒MT的設(shè)計理念就是用多個線程“喂飽”CPU物理核心，盡可能不讓CPU運算單元閑置?！ MT是一種非常廉價的技術(shù)，因為CPU的物理內(nèi)核并沒有增加，只需要為CPU賦予兩套架構(gòu)寄存器和重命名寄存器即可，而這些寄存器并不會消耗太多的晶體管。最終在操作系統(tǒng)中的呈現(xiàn)方式，和物理核心沒有區(qū)別，操作系統(tǒng)會把4核8線程的CPU當(dāng)作8核CPU來使用，并安排運算任務(wù)。 SMT技術(shù)對那些CPU負(fù)載不是很高且支持多路并發(fā)處理的線程比較有意義，典型的比如文件壓縮解壓縮、視頻編碼解碼等。如果兩個線程都需要花費較長的時間等待內(nèi)存和緩存準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的話，那么一個雙線程SMT核心幾乎就可以等同于一個雙核處理器?！ 〉玈MT的效率根據(jù)應(yīng)用的不同會有很大差異，如果內(nèi)存和緩存的壓力不大，CPU核心一直都在忙于處理線程的話，另一個線程遲遲排不上隊，此時SMT核心的效率可能還不如單顆物理核心。這就是此前測試時關(guān)閉HT技術(shù)反而在部分項目中性能更好的根本原因， 根據(jù)Intel公布的數(shù)據(jù)來看，在真實的應(yīng)用環(huán)境下，超線程技術(shù)能夠給CPU帶來20-30%額外的性能提升，也就是說一顆雙線程SMT核心相當(dāng)于1.2個常規(guī)核心的效能。AMD又一次創(chuàng)新――反其道而行之 通過前面的介紹我們可以知道，Intel的同步多線程技術(shù)實際上并不能提升CPU的理論運算性能，只是消除了CPU等待指令時的瓶頸，在部分應(yīng)用中提升了效能。這樣HT技術(shù)就存在很大的局限性，如果主內(nèi)存不再是瓶頸，SMT的執(zhí)行單元就過剩了，而一個SMT核心也就不再比一個單純的核心更高效，畢竟SMT核心需要增加一些電路設(shè)計，比一個單純的核心成本要高一些?！ ∷訟MD并沒有照搬Intel的做法走SMT路線，也不是繼續(xù)暴力增加CPU的物理核心數(shù)目，CPU的未來并不是只有這兩條路可走，于是AMD有了一個新的想法：Intel是把一顆物理核心虛擬成兩顆來用，而AMD是把兩顆物理核心組合成一顆大核心來用――這顆大核心的官方名稱叫做“推土機(jī)模塊”。 為什么要把兩顆核心合成一顆來用呢？有兩個好處，一是可以共享運算單元和緩存，提升效能；二是共享之后會節(jié)約晶體管（重復(fù)單元合二為一），而不是像SMT那樣增加晶體管（兩份寄存器）。 AMD認(rèn)為，隨著CPU的物理內(nèi)核數(shù)目越來越多（4/6/8核甚至更多），CPU的核心面積也會越來越大，功耗成倍增加。傳統(tǒng)CMP暴力復(fù)制核心的方式會造成大量重復(fù)性的電路。而減少冗余電路的最好方法就是整合，把兩顆核心整合在一起，共用一套指令發(fā)射器和解碼器還有緩存?！ ∠嘈偶?xì)心的讀者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，AMD并不是簡單的把兩顆核心放在了一起，而是有所精簡――兩顆核心的整數(shù)運算單元都被完整的保留了下來，而浮點運算單元只留了一份，這又是為什么呢？ 數(shù)據(jù)顯示，存在于服務(wù)器和超級計算機(jī)上80%的操作都是純粹的整數(shù)運算，CPU的浮點運算器利用率很低，所以AMD在開發(fā)新一代CPU架構(gòu)時強(qiáng)化了整數(shù)運算而忽視浮點運算?！ ×硪环矫妫S著CPU和GPU異構(gòu)計算應(yīng)用越來越多，GPU將會越來越多的負(fù)擔(dān)起浮點運算的操作，預(yù)計未來3-5年的時間內(nèi)，據(jù)大多數(shù)浮點運算都將會交給最擅長做浮點運算的GPU，這也就是推土機(jī)加強(qiáng)整數(shù)運算而精簡浮點運算的真正目的，雖然推土機(jī)CPU并未整合GPU（因為它定位高端，不論企業(yè)還是玩家都需要最強(qiáng)的CPU和GPU），但下一代APU Trinity將會使用推土機(jī)的CPU核心加HD6900 4D架構(gòu)的GPU核心，推土機(jī)架構(gòu)依然在為Fusion APU而準(zhǔn)備著，可以說AMD繼64bit、整合內(nèi)存控制器、HT總線、三個層級緩存之后，又一次采用創(chuàng)新的設(shè)計理念引領(lǐng)業(yè)界，走在了巨頭Intel前面！推土機(jī)模塊化設(shè)計的四大優(yōu)勢 其實，在上一頁介紹推土機(jī)架構(gòu)的設(shè)計理念時，已經(jīng)將其優(yōu)勢體現(xiàn)了出來，下面就再強(qiáng)調(diào)一下。 第一，AMD雖然將兩顆物理內(nèi)核設(shè)計成為一個推土機(jī)模塊，但每個模塊依然是真雙核設(shè)計，操作系統(tǒng)深信不疑； 第二，模塊化設(shè)計節(jié)約了大量重復(fù)性晶體管，8核心的推土機(jī)CPU在晶體管數(shù)、核心面積、功耗發(fā)熱方面也不會很大，因為它比傳統(tǒng)意義上的8核心處理器“瘦身”不少； 第三，一個推土機(jī)模塊內(nèi)部的兩顆物理內(nèi)核共享二級緩存，四個推土機(jī)模塊（共8顆物理內(nèi)核）共享三級緩存，緩存利用率大大提升；? 第四，CPU的單核效能不僅不會下降，而且還可以共享推土模塊內(nèi)部相鄰核心的運算資源。Intel處理器開啟超線程在部分應(yīng)用中性能不升反降的情況，在推土機(jī)上是不會出現(xiàn)的。 當(dāng)然，推土機(jī)架構(gòu)的缺點也是很明顯的，它雖然擁有8顆物理核心，但浮點運算能力只相當(dāng)于是傳統(tǒng)4核心的水平。理論上，Intel的HT超線程技術(shù)能夠一定程度上提升多任務(wù)性能，每顆物理核心相當(dāng)于是1.2核的性能，而AMD的每個推土機(jī)模塊則可以達(dá)到1.8核的性能。推土機(jī)模塊相對于羿龍II的改進(jìn) AMD推土機(jī)架構(gòu)的設(shè)計理念不難理解，但更多人擔(dān)心的是其核心執(zhí)行效率，畢竟這些年來AMD在效能方面改進(jìn)緩慢。如果CPU內(nèi)核效率不行的話，整體架構(gòu)再怎么優(yōu)秀也不會有很好的綜合表現(xiàn)?，F(xiàn)在我們就來看看推土機(jī)內(nèi)核相對于羿龍有何改進(jìn)？根據(jù)AMD官方發(fā)布的Bulldozer架構(gòu)資料，盡管AMD并沒有詳細(xì)說明Bulldozer的指令解碼部分相對舊款K7/K8/K10作出了什么改進(jìn)，但我們可以根據(jù)這些官方的展示內(nèi)容，推斷出Bulldozer的指令解碼寬度將從K7/K8/K10的每時鐘周期三條微指令提升為四條。 這里我們把一個推土機(jī)的模塊看作是一顆核心的話，里面有兩個獨立的整數(shù)核心，每一個都擁有自己的指令、數(shù)據(jù)緩存。雖然兩個整數(shù)運算核心要比K10的三個少，但實際上其中任何一個核心的運算能力都要強(qiáng)于Phenom II。 Intel的Core架構(gòu)無論整數(shù)或者浮點，都采用了統(tǒng)一的Scheduler（調(diào)度）派發(fā)指令。推土機(jī)構(gòu)架使用獨立的整數(shù)和浮點派發(fā)器，而且整數(shù)派發(fā)器有兩個，對應(yīng)推土機(jī)模塊里面的兩顆核心?！ ⊥仆翙C(jī)模塊的兩個核心支持執(zhí)行兩個線程，會共享對延遲要求較高的功能、平緩?fù)话l(fā)和低效應(yīng)用、線程間動態(tài)分配資源，好處是比兩個線程共享一個核心更高的伸縮性和可預(yù)測性、多線程負(fù)載的吞吐優(yōu)勢、單線程時所有共享資源均可訪問、以少得多的面積和功耗提供物理核心80％的性能。 推土機(jī)模塊的浮點運算單元是兩個128位的FMAC（乘加運算器），這兩個運算器可以被兩個整數(shù)核心共享，如果其中一個整數(shù)核心獲得的線程支持純粹的整數(shù)操作，那么另外一個核心就可以獲得全部的浮點執(zhí)行資源。這樣設(shè)計的結(jié)果就是，推土機(jī)的單核效能將會比Phenom II強(qiáng)不少，而多核效能部分，整數(shù)運算能力很強(qiáng)，而浮點運算能力也不會太弱。推土機(jī)的初步性能：小勝i7-2600K 雖然距離推土機(jī)正式發(fā)布還有一段時間，但國外網(wǎng)站已經(jīng)放出了很多工程樣品的測試成績，其中最為可信的當(dāng)屬donanimhaber網(wǎng)站給出的測試報告，我們可以拿它與Intel的當(dāng)紅明星Core i7 2600K做一個簡單對比?！ onanimhaber拿到的這顆推土機(jī)工程樣品默認(rèn)頻率是3.2GHz，借助新的Turbo Core加速技術(shù)，8核負(fù)載可以加速到3.6GHz，而在4核負(fù)載時更可以加速到4.2GHz。而Core i7 2600K的默認(rèn)主頻的3.4GHz，可睿頻至3.8GHz。推土機(jī)是4模塊8核心，而2600K是4核心8線程，兩者從哪方面來看都是旗鼓相當(dāng)。測試結(jié)果如下：國際象棋Benchmark測試，推土機(jī)每秒14197千步，i7-2600K每秒13759千步，推土機(jī)小勝。CineBench R10多線程圖形渲染測試，推土機(jī)得分為24434，i7-2600K得分為24381，再次小勝?！ ∮捎跊]有更多的成績作為參考，但基本上在多線程運算方面，8核推土機(jī)的性能已經(jīng)和Intel最強(qiáng)4核8線程處理器相當(dāng)了。AMD拿什么對抗SandyBridge-E？ 通過前面的分析測試我們可以得知，推土機(jī)的性能最終也就和i7-2600K一個級別。Intel是把4顆傳統(tǒng)物理核心當(dāng)作8顆用，而AMD是把8顆精簡過的物理核心當(dāng)作4顆用，最終所實現(xiàn)的性能居然旗鼓相當(dāng)?！ ∥覀冎溃陙鞟MD處理器的單核效能始終要比Intel差一截，這就導(dǎo)致在核心數(shù)量大戰(zhàn)時代，核心越多，AMD的性能弱勢就越明顯。在核心微架構(gòu)不做革命性改進(jìn)的情況下，想要超越Intel真的是很難。 而推土機(jī)這種創(chuàng)新的模塊化設(shè)計理念，雖然與Intel的超線程技術(shù)完全相反，但最終實現(xiàn)的效果就是――同為8線程，多核性能實現(xiàn)了追平甚至反超，不禁令人拍案叫絕?！ 〉?，Core i7 2600K并非Intel最高端的產(chǎn)品，Intel還有6核12線程三通道的產(chǎn)品，未來還將發(fā)布8核16線程四通道的SandyBridge-E，這顆怪獸CPU的性能將會達(dá)到i7-2600K的兩倍左右，AMD將如何應(yīng)付呢？ 不難，AMD將會以彼之道還施彼身，把兩顆推土機(jī)封裝在一起實現(xiàn)16核心，這就是下一代的服務(wù)器處理器“Interlagos”。Interlagos和桌面版本的FX推土機(jī)架構(gòu)一致，只不過是雙芯FX，所以核心數(shù)倍增到16，而且內(nèi)存也將是四通道（CPU整合內(nèi)存控制器，兩個雙通道）。如此一來16核推土機(jī)的性能也應(yīng)該不會輸給8核16線程的SandyBridge-E?！ 】上У氖荢andyBrdige-E已經(jīng)確定登陸桌面級平臺，配套芯片組是X79，而AMD暫時沒有將16核推土機(jī)引入桌面級的打算。8核FX搭配990FX芯片組可能就是AMD的頂級平臺了
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