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雙核心帶來了什么?

發表時間:2005-05-18 返回列表

   對于處理器來說,最為重要的毫無疑問便是執行性能,而處理器的所有的設計和技術也都是圍繞著如何提高處理器的性能展開的。可是X86處理其發展到了今天,在傳統的通過增加分支預測單元、緩存的容量、提升頻率來增加性能之路似乎已經難以行通了……當單核處理器似乎走到盡頭之際,Intel、AMD都不約而同地推出了自家的雙核心處理器解決方案:Pentium D、Athlon 64 X2!

一、Pentium D、Athlon 64 X2架構對

  雙核處理器就基于個半導體的一個處理器上擁有兩個一樣功能的處理器核心,即是將兩個物理處理器核心整合入一個內核中。事實上,雙核架構并不是什么新技術,不過此前雙核心處理器一直是服務器的專利,現在這種局面將在今年有所改變。

1、Pentium D,Prescott連體兄弟!

  Intel在今年度春季的IDF開發者論壇中就宣布了Intel對于雙核心處理器的各項細節與完整的布局。其中針對桌面平臺的核心代號Smithfield的處理器,正式命名為Pentium D處理器,除了擺脫阿拉伯數字改用英文字母來表示這次雙核心處理器的世代交替外,D的字母也更容易讓消費者聯想起Dual-Core雙核心的涵義。

    從架構上來說,Pentium D除了多了個“芯”外,其它與目前的Prescott P4沒有任何區別。之所以這樣,因為英特爾在臺式處理器上已經落后于AMD,AMD在去年已經成功對臺式處理器提速,英特爾處理器由于受眾多生產技術問題困擾提速緩慢。英特爾希望雙核架構能顯著提升它們臺式處理器的性能,而且此種性能優勢能保持到基于4核心或更多核心架構的處理器出現前。

    針對這個問題,Intel將這個協調工作交給了北橋芯片:兩顆核心需要更常同步更新處理器內緩存的資料時,他們需要用上 FSB通過北橋作更新。雖然緩存的數據并不巨大,但由于需要通過北橋作出處理,無疑帶來一定的延遲,他們之間的通信就會變得緩慢,這將大大影響處理器性能的發揮。從另一方面來說,Pentium D并不屬于真正意義的雙核處理器,而有點類似于VIA的雙核處理器方案。當然這種設計也有一定的優點,那就是設計簡單,而且當其中一個內核損壞時,另一個內核仍可以正常工作。

  Prescott高功耗、高熱量的缺點是有目共睹的,因此理論上核心尺寸的增加功耗也隨之水漲船高。針對這個問題,英特爾首先通過降低工作頻率來降低雙核處理器的功耗。Pentium D處理器的最大工作頻率將為3.2GHz,比目前基于Prescott核心P4的最大頻率低了16%。同時,英特爾也將Pentium M中所采用的增強型Intel SpeedStep節能技術引入到Pentium D處理器中。增強型SpeedStep技術最大優點可以可提供多個頻率斷點,這樣可以讓處理器根據應用程序選擇所需的運算能力,在性能和功耗間取得最理想的平衡點。正是采用這兩種措施,才使得Pentium D處理器的功耗與目前的Pentium4相當。

  由于采用Prescott內核,因此Pentium D也支持EM64T技術、XD bit安全技術。值得一提的是,Pentium D處理器將不支持Hyper-Threading技術。原因很明顯:在多個物理處理器及多個邏輯處理器之間正確分配數據流、平衡運算任務并非易事。比如,如果應用程序創造兩個運算線程,很明顯每個線程對應一個物理內核,但如果有3個運算線程呢?怎么分配?因此為了減少雙核心Pentium D架構復雜性,英特爾果斷決定在針對主流市場的Pentium D中取消對Hyper-Threading技術的支持。

  目前英特爾已經正式將Pentium D處理器命名為“8XX”系列,共有三個型號,分別是為840(3.2GHz),830(3GHz)以及820(2.8GHz),仍采用0.09微米制程及LGA775封裝結構,并支持800MHz前端總線,其中820型號將不支持英特爾的增強型SpeedStep技術。除此之外,英特爾還為發燒友們推出了一款雙核心Pentium EE840處理器,頻率為3.2GHz,支持超線程技術。由于受功耗的限制,在掌握65nm生產技術前—至少在2006年下半年前,英特爾不大可能發布頻率更高的Pentium D。

  在這以后,英特爾將會推出代號為“Presler”的下一代臺式雙核處理器。由于使用更先進的65nm生產技術,Presler處理器的核心尺寸將低于140平方毫米,而Pentium D核心的核心尺寸接近206平方毫米。同時為了讓雙核處理器更吸引人,英特爾未來準備在自家產品中引入三項新技術—Vanderpool虛擬化技術、LaGrande安全技術和iAMT(Intel Active Management Technology)技術。

2、Athlon 64 X2=Athlon 64+Athlon 64

  AMD的雙核心發展計劃在很早以前就被制定了并一直堅定按計劃實施著。AMD即將發布的雙核AMD64架構主要是基于在1999年發布的單核心架構之上—那時AMD就為架構未來的發展作了大量的準備工作。我們猜測AMD在研發它們的Athlon 64和Opteron處理器上工作時就已經融入雙處理器架構的理念。因此他們在生產雙內核處理器時將不存在任何問題。

    AMD桌面雙核處理器正式命稱為Athlon 64 X2,采用兩個Venice版本的Athlon 64核心,每個核心擁有獨立的512KB(1MB) L2緩存及執行單元。因此,除了多個“芯”外,從架構上相對于目前Athlon 64架構并沒有任何改變。Athlon 64 X2的大多數技術特征、功能與目前市售的、基于AMD64架構的處理器是一樣的,而且這些雙核心處理器仍將使用1GHz HyperTransport總線與芯片組連接及支持雙通道DDR內存技術。

    與Pentium D不同的是,Athlon 64 X2的兩個內核并不需要通過外部FSB通信這一途徑。Athlon 64 X2內部整合了一個System Request Queue(SRQ)仲裁裝備,每一個核心將其請求放在SRQ中,當獲得資源之后請求將會被送往相應的執行核心,所有的過程都在CPU核心范圍之內完成。AMD雙核心強調是真正將兩個核心崁入整合在一個硅晶內核上,可以真正發揮雙核心效率,不像對手的產品事實上為兩個Packet的設計,會有兩個核心之間傳輸瓶頸的問題。因此Athlon 64 X2的架構要優于Pentium D架構,尤其是在高負載的多線程/多任務的環境下,AMD的處理器將會表現出比Intel的處理器更好的性能。

    Athlon 64 X2這樣的設計還有一個好處,那就是如果打算支持新的雙內核處理器的話,對舊平臺而言唯一的要求就是升級到最新BIOS就OK了,這將大大降低平臺的應用、升級成本。

  此外,與Pentium D是通過降低頻率來降低功耗不同,同樣采用0.09微米生產技術的Athlon 64 X2似乎并不需要面臨這樣的問題。這都得益于AMD在Athlon 64 X2處理器上所采用的“Dual Stress Liner”應變硅技術。Dual Stress Liner技術是由AMD和IBM聯合開發的,據稱可以將半導體晶體管的響應速度提高24%。

  事實上,DSL很類似于英特爾在90nm生產技術中引入的應變硅技術。我們都知道,晶體管越微細化,運行速度就越高,但同時也會引發泄漏電流增加、開關效率降低,從而導致耗電和發熱量的增加。而DSL通過向晶體管的硅層施加應力,同時實現了速度的提高與耗電量的降低。換句話說,DSL能改變硅之間的原子格,從而讓晶體管獲得更快的響應時間及更低的熱量。

  在一種情況下硅原子是被“拉開”的,而在另一種情況下則是“擠在一起”的,這通過把它們移到一個具有要么伸展,要么壓緊的原子格的氮化物封閉層上來實現。與Intel使用的應變硅不同,來自AMD和IBM的DSL能夠被用于兩種類型的晶體管:NMOS和PMOS(具有n和p通道)而無需使用極難獲得的硅鍺層,硅鍺層會增加成本,并且有可能影響芯片的產量。

    DSL這種雙重性,讓它比英特爾的應變硅更有效—DSL可以將晶體管的響應速度提升24%,而應變硅能提供的最大改進在15-20%。并且更重要的是,AMD和IBM 這項新技術對產量及生產成本并沒有任何負面影響。由于在生產時無需使用新的生產方法,所以使用標準生產設備和材料便可迅速展開量產。另外,配合使用硅絕緣膜構造(SOI,絕緣體上硅)與應變硅,還可生產性能更高、耗電更低的晶體管。AMD工程師們表示,DSL和SOI一起結合可以讓Athlon 64處理器的頻率潛力有大約16%的增長。而Athlon 64 X2的初始頻率與目前Athlon 64持平上也可以看到DSL技術的確很有功效

    當然,AMD也將在未來轉移更先進的65nm生產線上,改進他們的內存控制器來對DDR2,DDR3和FB-DIMM等高性能內存提供支持,也將開始使用更快的HyperTransport 2.0總線,及更有效的節能降耗技術。


二、雙核心處理器能為我們帶來什么?


  目前英特爾、AMD已經在按部就班地實施著它們的雙核心處理器計劃,今年桌面平臺步入雙核時代已成事實。那么,雙核處理器真的象英特爾、AMD描述的那樣美好嗎?其實不然


1、針對普通用戶,性能提升不明顯!

  首先在性能上,雙核心處理器在大多數實際應用中的性能可能要遜色于目前的單核處理器,即使性能有所提升,而升幅并不明顯。

  俗話說“人多好辦事”,理論上雙核心架構可以提升處理器的性能,不過我們必須注意到一點的是,如果你想讓雙核處理器達到最大性能,你必須充分利用兩個內核中的所有可執行單元—即讓所有執行單元都有活可干!

  如果應用程序是基于多處理器編寫的,那么在應用程序的運行過程中可以大大提高運行的效率;如果應用程序是基于單處理器編寫的,操作系統會把程序分成多個部分,讓兩個物理內核并行完成;但是通常而言,大量的單處理器程序是不可分的,因此它在雙核處理器上運行時性能并不會有明顯的提高。

  有一我們還必須注意,基于雙核處理器的程序調試非常困難,因為不同的雙核處理器環境會對任務進行不同的分配,正是因為這些原因,我們通常使用的都是基于單處理器的程序。因此要充分雙核處理器的性能仍要靠軟件開發者的努力了,而不是依靠處理器開發者們,只有在軟件方面得到充分支持,雙核心處理器架構的實際性能太會顯著提升。

  當然即使有軟件提供充分的支持,如果從單處理器升級到雙核處理器,那么系統性能并不會番一番,系統的性能并不會隨著物理內核的增加呈現線性的提高。這是因為隨著物理內核數量的增加,CPU內核之間的通訊量和系統用于資源同步及維護的開銷也會逐漸上升。

   從上面的測試成績來說,面對雙核Pentium D處理器,旨在提升受系統限制的游戲性能的狂熱玩家將會有點失望—目前支持多線程運算的游戲寥寥無幾。在很多桌面平面的應用程序中,Pentium D的性能將比目前基于單個Prescott核心的P4要慢。這是因為畢竟PentiumD的頻率較低,而Prescott核心的P4又擁“軟”雙核架構—支持超線程技術。當然在同時運行兩個或更多很耗CPU的應用程序時,系統絕對地流暢。在純粹的應用程序基準測試方面,個別場合的性能在很大程度上取決于應用程序的線程和安排。當它是多線程時,比如專業視頻制作,雙核心處理器的性能絕對是非常優秀的,可以有效地利用了雙內核的并行處理能力。

    不過,AMD應該可以從轉向雙核心的過程中比Intel獲益更多,因為目前AMD的處理器還不能同時支持一個以上的線程。Intel單核心上的超線程技術的確改善了系統的響應時間和多任務處理的性能。對于AMD來講,轉向雙核心處理器將使其用戶從類似Intel的多線程技術和擁有兩個芯片中獲得響應時間等方面的改善,而且Athlon 64 X2兩個核心間通信不必通過外部總線,性能提升也較Pentium D明顯。

2、頻率提升、成本提升是兩道檻!


  無論是Intel的Pentium D,還是AMD的Athlon 64 X2處理器,都是簡單將兩個內核“擠放”在一起,這樣晶體管的數量都會大幅度增加。比如,Pentium D在206平方毫米的核心上集成了2億3千萬個晶體管,而AMD的Athlon 64 X2處理器則在199平方毫米的核心上集成了2億3千3百萬個晶體管。

  晶體管增加所帶來的最明顯一個問題就是功耗。目前處理器頻率停滯不前的罪魁禍首就是泄漏電流。所謂泄漏電流,是指晶體管不管導通還是截止(開關),均有電流流動。由于本來為截止的時候也有電流流動,由此就會造成電量的浪費。泄漏電流造成的耗電量增加是90nm工藝Prescott中非常嚴重的問題。

  另外,要想提高晶體管的開關切換速度,即工作頻率,設計半導體時必須要使電流在晶體管中易于流動。當初半導體制造商并非完全沒有預料到泄漏電流的增加,但降低泄漏電流的技術在90nm工藝時代沒有達到實用水平,泄漏電流的增加量也超過了半導體制造商的預想。雖然Intel、AMD都在自家處理器中引入了選進的節能技術,特別是Intel都將移動處理器上的節能技術應用到Pentium D,但從Pentium D的最高頻率也僅僅只有3.2GHz來看,所有的一切措施也只能緩解一下雙核處理器高燒的問題。這也導致雙核心的Pentium D處理器主頻要比單核心的處理器主頻要低不少。

  此外,由于雙核心的處理器晶體管幾乎是單核心處理器的兩倍,但受生產技術的制約,處理器內核空間并沒有太大的增加。因此AMD和Intel都需要努力使用所有的晶體管擠壓進有限的空間里,這就好比往原來只裝一個瓷器的箱子里加裝一個瓷器,這意味著良品率越低,成本也要比單核心處理器高出許多。這也正是AMD所要面對的問題。

   至于雙核處理器的頻率什么時候可以達破4GHz?價格何時真正接近大眾?這一切也許要等明年的65nm生產技術出現了。據悉:Intel的65nm技術已經進入了最后測試階段,包括了Mobile、Desktop及Server級的處理器,而到了05年Q4,65nm的雙內核處理器樣本將會推出。同時除了俄勒岡州的D1D工廠外,英特爾還投入20億美元巨資改造位于愛爾蘭的Fab 24-2芯片制造廠。該工廠準備于2006年前投入65nm芯片的大批量生產,而俄勒岡州的D1D工廠則會首先進入先期投產階段,之后其他的十幾座芯片工廠也都逐漸進行新工藝的轉換……

結語:

  總的來說,雖然雙核心處理器的性能較單核心處理器的所提升,但考慮到目前大部分的應用程序,比如Office辦公軟件、游戲、視頻播放等應用都是單線程的,因此對大多數用戶來說選擇單核心處理器仍是最佳選擇,特別是考慮Intel平臺的用戶。而對于進行專業視頻、3D動畫和2D圖像處理的用戶來說,就很可能毫不猶豫的轉移到雙核心的系統上來,特別是Athlon 64 X2處理器,它在這些方面的優勢是相當迷人的。

  雙核心處理器還有很長的路要走……


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