英特爾與AMD的構架分析

1、英特爾與AMD處理器系統(tǒng)架構的分析、探 討：長期以來，我們討論計算機性能總是將 注意力放在各個子系統(tǒng)的技術參數上。例如 微處理器的速度、內存規(guī)范、用何種等級的 GPU等，而沒有意識到這些部件的協(xié)同效率 會對系統(tǒng)產生怎樣的影響，對于系統(tǒng)連接的 探討也僅限于總線技術層面。這種慣有的模 式導致了人們對計算平臺的技術水準難以產 生明確的認知，同時也產生了一個概念上的 模糊空間，讓用戶在廠商的宣傳中無所適從。 本文所要探討的對象便在于此：計算機的連 接架構。一輛法拉利跑車可以輕松達到300公里 以上的時速，但在普通公路上它卻可能無法 超過80公里一道路不夠寬闊、路上的行車和 彎道太多等都是影響速度的因素

2、。如果想讓 它發(fā)揮應有的潛能，那么就應該提供一個專 用的賽道。其實對于計算機系統(tǒng)，情況同樣 如此。計算機系統(tǒng)的性能取決于微處理器、內存、圖形、硬盤等子系統(tǒng)，但即便配備頂 尖的硬件，也未必能保證它們以最高的效率 運行。事實上，微處理器、內存、圖形、硬 盤只能決定自身的性能，它們的協(xié)作效率則 由總線技術以及連接架構所掌管一總線技術 決定帶寬，類似于道路的寬敞以及平整程度， 允許數據在上面跑得多快；連接架構則定義 了兩點間的連接方式，是直道或者彎道，路 徑最短則最優(yōu)，數據傳達的效率自然最高。誰在說謊？ “微架構”與“連接架構”的迷 思英特爾宣稱Core架構遠遠領先于對手， 理由是指令性能更優(yōu)越；AM

3、D也聲稱K8架 構更科學，理由是更高效的內存調用和更富 彈性的連接。雙方的宣傳都給出足夠多的理 由，并且有充分的技術解釋。對于這種各執(zhí) 一詞的說法，如果你對處理器技術稍有了解， 便會知道雙方的論點都沒錯，但這就導致一 個矛盾的問題：究竟哪一個平臺在架構上更 具優(yōu)勢？事實上，英特爾與AMD都沒有對公眾 做出詳盡的解釋，他們給用戶留下一個模糊 的認知空間，回避了對方之長，宣揚自身的 優(yōu)點。公正的說法應該是：英特爾“Core”處 理器的微架構勝于對手，而AMD K8處理器 家族則擁有更勝一籌的連接架構。在這里， 你會發(fā)現處理器架構的概念一分為二：其一 是“微架構”，其二就是“連接架構”，兩者是 完全

4、不同的概念，它們從不同的角度影響著 系統(tǒng)的性能與擴展性?！拔⒓軜嫛蓖ǔＪ俏覀冊诤饬课⑻幚砥髟O 計細節(jié)時最先接觸到的概念，它描述的是處 理器最基礎的指令執(zhí)行部分，包括執(zhí)行的方 式和運算單元的構成等一它就好比是法拉利 跑車的引擎和車體框架，引擎決定了跑車所 具有的速度，車體框架則讓跑車能夠在高速 狀態(tài)下保持穩(wěn)定。正常來說，處理器的微架構通常都是非 常穩(wěn)定的，壽命可在5年以上，而每一種微 架構往往都對應著一個處理器家族例如 Pentium II Pentium III都基于 P6 微架構， Pentium 4家族基于Netburst微架構，現行的 Core 2 Duo/Quad 則基于“Core”微

5、架構；AMD Athlon 64/X2、Opteron 系列、Turion 64/X2 系列則隸屬于K8微架構。在x86領域，英特爾的Core微架構無疑 是佼佼者，它的特點在于具有四發(fā)射能力， 即每個周期可以同時對4條x86指令進行解 碼，Core微架構還結合了微指令融合和宏指 令融合兩項優(yōu)化技術，同時可以對多達56 條指令進行處理。顯然，在頻率相同的情況 下，處理器的指令并行度越高，實際性能就 越強。正因為這方面的優(yōu)勢，Core 2 Duo處 理器才能夠在較低的頻率下保有超越高頻 Pentium 4的卓越性能。相比之下，AMD K8微架構實際上只是 承襲于K7體系，它同時只能對3條指令進 行

6、解碼，也沒有任何指令優(yōu)化技術，K8與 K7的主要區(qū)別僅在于集成內存控制器和64 位支持一若單單從指令執(zhí)行的角度來衡量， 我們可以認為K8與K7隸屬于相同的技術體 系，兩者都只能同時解碼3條指令，并行能 力遠遜于英特爾的“Core”以及Pentium M家 族所采用的“P6增強”微架構。但是，AMD K8家族擁有更出色的連接 架構一微架構決定了芯片的指令執(zhí)行效能， 而連接架構則決定系統(tǒng)輸送指令的能力。如 開篇所述，連接架構就好比是道路，車再好 道路不行也跑不快；同理，倘若指令輸送能 力無法跟上，處理器的執(zhí)行性能再高都無濟 于事，因為它不得不浪費很多的時間在等待 上面，導致有效工作時間的減少（類似

7、于堵車 等待，拖慢了平均速度）。AMD的K7和K8 在微架構方面變化極小，指令解碼能力沒有 獲得增強，運算單元的數量也未增加，但K8 的指令執(zhí)行性能卻遠高于K7,關鍵原因就在 于K8系列擁有更出色的連接架構?，F在情況就變得明朗了：英特爾Core 平臺擁有出色微架構，但連接架構落后于對 手；AMD K8平臺微架構落后，但它擁有一 套非常先進的連接架構。這種情況導致競爭 雙方各有長處和短處。對于微架構，之前就 有過很多探討，這里就不作過多的論述，本 文的重點在于PC的連接架構，我們要解決 一些問題：連接架構對系統(tǒng)性能和擴展力有 何種程度的影響？ PC的連接架構將向什么 樣的趨勢發(fā)展？來自80286

8、時代的架構一前端總線+北 橋芯片+南橋I/O芯片對于英特爾平臺，前端總線、北橋芯片、 南橋芯片的概念從80286時代至今就沒有多 少變化。處理器通過前端總線與北橋芯片連 接，北橋芯片包括圖形接口控制器和內存控 制器兩個邏輯單元，北橋芯片通過特定的總 線與南橋芯片連接，南橋芯片則負責I/O擴 展，包括存儲、網絡、音頻、內部擴展總線 (PCI、PCI Express x1)、外部連接總線(并口、 串口、USB)等等。在過去二十年中，技術提升僅限于各個 子系統(tǒng)的規(guī)格，例如總線的速度、內存標準、 圖形接口標準、磁盤接口標準等等，但都沒 有對這套架構作什么本質性改變。盡管各個 子系統(tǒng)的規(guī)格升級能夠讓系統(tǒng)

9、性能獲得顯著 的提升，但僵化的連接架構同時也產生明顯 的瓶頸，通訊延遲較長的缺點體現得非常明 顯。英特爾965系列芯片組基于傳統(tǒng)的南北橋 連接架構，這套連接在PC誕生之后就沒有獲得本質性的改變首先，我們來看處理器與內存的連接。 如圖2,處理器必須通過“前端總線”與北橋 芯片相連，然后再經由單/雙通道“內存總線” 才能與內存系統(tǒng)實現數據交換，那么這一數 據交換工序就涉及到兩條不同類型的總線 只有當前端總線的帶寬高于內存總線時，處 理器才能夠充分利用內存資源。在與AMD 平臺的對比測試中，Core 2 Duo平臺內存性 能居于明顯的下風（搭載相同的內存系統(tǒng) 時），原因就在于此。而由于技術上的限制，

10、 前端總線難有大幅度提升的空間，這就注定 內存瓶頸難以消除。第二個缺陷在于內存的 訪問延遲由于需要前端總線和北橋芯片的中轉，處理器的內存延遲較長，導致處理 器必須浪費很多時間在數據等待上，處理器 即便擁有一流的微架構，也難以充分發(fā)揮潛 能。計算機傳統(tǒng)的連接架構，存在內存訪問延遲 長、總線帶寬瓶頸等弊端對服務器來說，這套連接架構就顯得更 加糟糕：倘若服務器中包含兩枚以上的處理 器，那么它們都必須經過前端總線訪問內存 控制器，并共同分享內存資源，借此才能夠 實現多處理器的任務協(xié)同。而在實際環(huán)境下， 多處理器共享內存經常會遭遇資源沖突現 象，即兩個處理器同時要求對某個內存區(qū)域 進行讀寫操作，一旦遇上

11、這種情況，其中的 一枚處理器就必須停下等待，然后依順序完 成。系統(tǒng)中處理器的數量越多，沖突幾率就 越高，性能提升幅度也越來越小，一旦達到 極限值后繼續(xù)增加處理器數量，反而會導致 系統(tǒng)性能的大幅度下滑。英特爾自身的Xeon 平臺一直未能突破八路朝向高性能計算機邁 進（IBM EAX系列芯片組除外），主要原因就 在于連接架構的限制。Xeon平臺的連接架構，處理器間無法直接通訊，共享內存又會遭遇資源沖突的難題英特爾現時的Core 2 Duo計算平臺，乃 至未來的45納米“Penyrn”平臺都沒有脫離這 套守舊的體系，連接架構依然沿用“CPU-北 橋(內存控制器+圖形接口控制器)+南橋 (I/O)”的

12、傳統(tǒng)模式，數據交換的效率不高，這 就限制了 Core平臺性能的進一步發(fā)揮一當 然換個角度來看，我們可以認為Core平臺顯 然具有很高的性能增長潛力。Core 2 Duo當 前的性能水平，大概只發(fā)揮了 Core架構 70%80%的潛力而已。修建PC中的“高速公路”一集成內存控制器+ 芯片直連總線AMD在開發(fā)K8處理器時，即參照RISC 計算平臺的經驗，對平臺的連接架構進行改 良。K8連接架構有兩個基本的關鍵點：一是 將內存控制器集成于處理器內部，處理器核 心與內存控制器通過超高速、低延時的內部 總線連接；其二就是引入通用的HyperTransport總線技術，實現處理器與處 理器、處理器與I/O

13、芯片組之間的高速直連。 這兩項技術有效改變了傳統(tǒng)連接方案的弊 病，讓處理器得以充分發(fā)揮自身潛能而不會 被內存系統(tǒng)拖后腿，同時也有利于構建更強 大的多路并行計算系統(tǒng)。首先我們來看集成內存控制器會帶來哪 些增益。情況非常明顯，現在內存控制器與 CPU核心緊密地結合在一起，兩者通過芯片 內總線實現數據交換一芯片內總線可以輕而 易舉地達到百GB/s級別的速度，并且訪問延 遲極低，一舉克服了傳統(tǒng)平臺前端總線的制 約。以此為依托，內存系統(tǒng)的性能可以得到 最高限度的利用，處理器獲得數據的能力大 幅度增強，從而可以將更多的時間放在指令 執(zhí)行而非數據等待上面。根據從K7到K8 的過渡經驗來看，集成內存控制器設計

14、讓內 存訪問延遲降低了 50%，而K8的指令效能 比K7高出25%以上，其中的關鍵點便是該 技術的引入。將內存控制器集成于處理器內，可有效提升 內存性能，對整機性能的提升也相當可觀在多路服務器領域，集成內存控制器的 設計更是獲得廣泛的認同。這一設計讓每顆 處理器都擁有屬于自己的內存系統(tǒng)，不會再 有任何因資源分享造成的性能降低或存取沖 突之類的問題，系統(tǒng)的多路擴展也變得更加 容易。不過，將內存控制器集成之后，前端 總線的概念就不復存在，為了解決處理器與 I/O芯片的信息交換問題， AMD引入了 HyperTranport 總線技術，不過 HyperTranport 更大的意義體現在多處理器的擴展

15、 AMD K8微架構中包含三個獨立的 HyperTranport控制器，可支持三路 HyperTranport總線輸出，這三路總線可以根 據需要同其他的處理器和I/O控制芯片連 接，進而建立起一套完整的高性能計算單元。 結合上述兩項技術，K8微架構非常適合用于 構建超級計算機系統(tǒng)，其中最著名的案例當 屬IBM為美國“洛斯阿拉莫斯”國家實驗室 設計 制造的“RoadRunner”、克雷(Cray)的 “Red Storm”，等等，在超級計算機500強排 行榜上，AMD Opteron平臺占有相當重要的 地位。借助 HyperTransport 直連總線，Opteron 平 臺可實現高度彈性的擴展

16、，并可用于構建超 級計算機系統(tǒng)當然，PC不必考慮多路擴展的問題，先 進連接架構的優(yōu)勢更多體現在內存性能以及 可升級性。我們知道，芯片組中規(guī)格最經常 變動的就是內存支持，現在內存控制器由處 理器所整合，芯片組的功能僅剩下圖形接口 控制器/整合圖形和I/O擴展，這兩個部分的 功能都非常穩(wěn)定，沒有迫切升級的必要，而 且處理器與芯片組連接的HyperTranport總 線也是非常穩(wěn)定。換句話說，計算機的主板 就變成一個規(guī)格穩(wěn)定的承載平臺，用戶如果 要進行硬件升級，只要更換處理器或升級內 存即可。AMD K8平臺一開始并沒有很好地 利用這一優(yōu)勢，它額外設計了如Socket 754、 Socket 939

17、等不同的插槽，直到Socket AM2 到來之后，K8平臺才充分利用到該連接架構 可升級性強的優(yōu)勢，如我們既可以用單核 Athlon 64、也可以換為雙核Athlon64 X2甚 至四核 Athlon 64 X4，即將出臺的Socket AM2+接口也保持向下兼容。從用戶的角度 來看，選擇AMD平臺可以讓計算機擁有更 長的生命周期，相比之下，英特爾當前的 Core 2 Duo平臺就缺乏這個優(yōu)勢。盡管AMD擁有先進的連接架構，但K8 平臺在單機性能上已被Core 2 Duo所大幅度 拋下，這便是受到K8微架構落后之累。而 Core 2 Duo平臺固然連接架構因循守舊，但 在Core微架構的幫助下

18、，能獲得全方位的性 能領先。不過，來自市場的反饋并不如英特 爾所愿：Core 2 Duo平臺增長速度不如預期， 處于叫好不叫座的局面，AMD性能落后的 Athlon 64/X2系列則勢頭未減，很大程度上 就在于K8平臺先進的連接架構，更長的生 命周期保障以及豐富的芯片組/主板支援很 容易就會讓人產生好感；而英特爾平臺高中 低端涇渭分明，若你現在購買了低端平臺， 那么就只能局限于低端的處理器和內存系 統(tǒng)，日后要通過升級來大幅提升性能幾乎不 可能一英特爾似乎持有保守僵化的觀念，這 不僅體現在市場定位上，產品技術策略同樣 如此。AMD在多路系統(tǒng)的輝煌成功讓英特爾 意識到K8直連架構的優(yōu)越性，為此英特

19、爾 決定于2008年中期后開始引入類似的設計。 即將內存控制器集成于CPU內部，同時以一 條CSI(全稱為 Common Serial Inter connect)” 高速直連總線建立多處理器之間，以及處理 器與I/O芯片之間的互聯，事實上，這其實 只是K8連接架構的翻版，但在效率一流的 Core微架構的輔助下，英特爾仍有能力實現 平臺性能的大幅度提升，AMD固然可以拿 出更有噱頭的Fusion混合處理器、Torrenza 協(xié)處理器平臺等更先進的連接架構，但如果 不及時拿出可以同Core抗衡的新一代微架 構，AMD就很難在平臺性能方面獲得領先， 更何況它的生產工藝整整比英特爾落后了一 代。強者

20、的到來一協(xié)處理器與混合處理器集成內存控制器、芯片間高速互聯總線 等特性代表了 PC連接架構優(yōu)化的開始，但 它遠不是終結。上述兩項技術都是以處理器 作為系統(tǒng)中樞，圖形和其他PCI Express擴展 只是作為常規(guī)的I/O組件，在過去幾年這套 架構大概是沒什么問題。但隨著DirectX 10 和統(tǒng)一渲染架構的引入，GPU具備越來越強 的可塑性，除了 3D圖形渲染之后，GPU所 擁有的強大浮點性能可以用來完成諸如物理 計算、流處理、科學計算、影像解碼加速、 圖像處理加速等等許多要求高計算性能的場 合，但如此一來，GPU便要與處理器交換大 量的數據，盡管PCI Express x16總線（芯片組 -G

21、PU）和 HyperTransport 總線（CPU-芯片組） 都足夠快，但數據中轉過程必然導致存在總 線訪問延遲較長的弊端。1.全方位出擊一AMD Torrenza協(xié)處理器 與Fusion混合處理器架構AMD再度發(fā)起了連接架構的革新，它 首先提出Torrenza協(xié)處理器平臺，該平臺仍 然以HyperTransport為連接中樞，所不同的 是應用范圍被擴大了，它可以用于連接浮點 協(xié)處理器、多媒體協(xié)處理器以及圖形模塊。 這樣，這類協(xié)處理器就能夠通過 HyperTransport直接與處理器進行高速通訊， 協(xié)處理器所處的地位與主處理器完全對等。 其中意義最大的當屬圖形系統(tǒng)，AMD通過 收購ATI成

22、功地獲得了高端圖形業(yè)務，這樣， 它可以直接推出采用HyperTransport接口的 高端顯卡一AMD現在已經推出HyperTransport 3.0標準，數據傳輸頻率可達 到2.6GHz,若仍采用16位接口，那么GPU 與處理器之間可以10.4GB/S的超高速進行低 延時的數據交換，有效提升圖形系統(tǒng)與主處 理器的協(xié)作緊密程度，倘若我們此時借助 GPU來完成一些通用計算任務，它也能夠更 加輕松地完成。在這里，我們也不難發(fā)現PCI Express總線不再必要，它的作用被削弱為一 些無關緊要的系統(tǒng)I/O。AMD Torrenza協(xié)處理器平臺，主處理器與 協(xié)處理器同樣借助HyperTransport

23、總線實現 對等的高速直連Torrenza是一套開放且極具彈性的平 臺，中高端GPU可以做成外置的圖形模塊， 而入門級別的GPU則可以直接集成于處理 器內部，這便是AMD提出的“Fusion混合處 理器計劃。Fusion的構想也許有些石破天驚， 如圖7所示，我們可以看到，GPU與CPU 功能直接耦合，兩者共享二級緩存和內存控 制器，等同于將雙核處理器中的一個CPU核 心，直接更換為GPU單元。在Fusion架構 中，GPU與CPU擁有等同的權力，它可以 根據需要獲得既定的二級緩存資源，也可以 同內存系統(tǒng)進行高速通訊。事實上，此時顯 存與主內存也合而為一。這套連接架構最大 的優(yōu)點就在于具有極高的資

24、源利用效率，假 設系統(tǒng)搭載的是雙通道DDR2 800，那么CPU 與GPU都能獲得12.8GB/S的內存帶寬，加 上有高速二級緩存的幫助，GPU性能可以獲 得最大限度的保障。相較而言，現行K8整 合平臺都是將GPU集成于北橋芯片內，北橋 再通過 HyperTransport總線與CPU 核心相 連，然后通過CPU獲得內存控制器的分享 權，這套架構很難保證集成圖形能夠具有多 么出色的內存性能。事實上，AMD在設計 K8微架構時根本沒有考慮到這一點，導致初 期整合芯片組難以獲得內存資源，圖形性能 極差，雖然AMD現在解決了這一問題，但 集成圖形的內存效率仍談不上出色，與Fusion混合處理器根本不

25、是一個層面的產 品。AMD Fusion混合處理器，CPU與GPU地 位相等，兩者都可直接與內存控制器通訊， 實現內存性能的最佳化Fusion方案在成本方面也有明顯的優(yōu) 勢。由于功耗的原因，Fusion只能整合入門 級的GPU，但也足夠90%以上的人群使用； 而Fusion的圖形性能將直逼中端顯卡，購買 一塊獨立顯卡不再那么必要；同時，由于芯 片組的職能遭到削弱，單芯片設計將進一步 流行，整機成本也都可以進一步降低；另外， 系統(tǒng)中現在只要Fusion混合處理器，一枚I/O 芯片就可擁有完整的計算功能，整機可以輕 松做到小型化，這些因素都能夠顯著降低整 機的成本。Fusion同時也具有更長的生命

26、周 期，若用戶覺得有升級的必要，那么只要更 換一枚處理器，就可以同時升級CPU、圖形 和內存支持。從這些情況來看，Fusion在移 動領域、中低端消費市場、商用領域顯然都 擁有突出的優(yōu)勢，其中移動領域更是Fusion 的重中之重一在理想條件下，AMD可以做 到在25W功耗內實現CPU、GPU和內存控 制器功能，從而在平臺功耗方面戰(zhàn)勝對手， 為進入超輕薄和商用機型領域徹底掃除障 礙！無論從何種角度考慮，Fusion所代表的 連接架構都擁有足夠多的技術噱頭，即便 AMD未來得及對CPU微架構做出質的改 變，整體性能落后于對手，Fusion依然能夠 扮演AMD在移動市場的殺手角色。Fusion的出臺

27、意味著計算機圖形系統(tǒng)也 擁有先進的連接架構。而在CPU方面，AMD 同樣沒有停步，很早就有關于AMD K9/K10 架構的研發(fā)消息，但至今AMD 一直守口如 瓶。我們過去曾經獲得這樣的消息：K9/K10 將直接集成PCI Express控制器，將I/O設備 與處理器更緊密地聯結為一體，這樣做的技 術難度并不大，至少原ATI就掌握了單芯片40個PCI Express通道的技術能力，將其整 合于處理器內完全可行。不過，我們不應指望集成PCI Express 控制器能帶來多明顯的性能改善，它的價值 更多體現在降低平臺成本，因為芯片組的職 能進一步縮減，只要一枚擁有完整I/O功能 的南橋即可。由于南橋

28、的磁盤接口、音頻、 網絡、USB 2.0等功能都不會頻繁升級，一 塊主板即可應對整個架構生命的始終，當然 這得在處理器接口保持穩(wěn)定的前提下。如果 你看到這一趨勢，便會發(fā)現AMD平臺的開 放性大打折扣，除了像NVIDIA這樣擁有高 端圖形技術的芯片組廠商可以依靠SLI來維 持高端市場外，主流和低端市場將逐漸歸 AMD自家的芯片組掌控，VIA、SiS這樣的 三方廠商將不斷失去機會。也正是看到這一 趨勢，NVIDIA現在積極開發(fā)通用處理器技 術，借此打造包含處理器、圖形和芯片組的 一體化平臺，AMD與英特爾也都在創(chuàng)建這 樣的平臺，看來未來計算機市場的競爭也更 多會是平臺的對決，而計算機工業(yè)也很有可 能重返封閉時代。2.“給跑車裝上多個發(fā)動機”一英特爾的 協(xié)處理器平臺英特爾所倡導的協(xié)處理器架構便是披露 已久的Many Core計劃。Many Core的關鍵 點是在處理器內集成數量龐大的加速單元， 例如浮點加速器、多媒體加速器、Java解釋 器、Flash加速器等等，這些加速單元圍繞著 若干枚CPU核心，接受來自CPU的任務分 派并將結果傳回一與AMD Torrenza/Fusion