双核技术讨论：英特尔的双核心架构
2005-11-21 16:16:00 文/姑苏飘雪 出处：天极网
英特尔的处理器发展计划近来发生了相当戏剧性地改变。英特尔公司过去常常首先会通过提升频率来提高产品的性能，结果现在这条路已经行不通了。最初英特尔之所以认为在Pentium 4、Xeon处理器采用的核心架构能正常工作高频率下，那是他们采用长执行管线设计的原因。然而，当频率大幅度增加时出现了一些意料之外的问题。
这些问题主要是英特尔改用90nm生产技术后出现的：基于Prescott核心的处理器在高频率下不能很好地工作，尽管显著增加执行管线的长度。功耗太高、电泄漏问题的加剧等等问题都是处理器频率提升路上的障碍，所有的一切都促使英特尔改变了他们的计划。
因此，在今年英特尔将首先将精力来增加其产品的功能而非性能。而正是在这种观点指导下双核处理器诞生了，它应该成为支持虚拟化技术的新一代计算机系统的一个基础。而且在一些情况中双核心架构也能提升此类系统的性能。英特尔之所以如此迫切推出双核处理器概念，主要是因为他们也深切感受到以前的“频率”之路已经行不通，至少目前来说。而且因为双核心架构的推出，英特尔甚至放弃策划已久Tejas系列发展计划。英特尔工程师认为，研发双核处理器将比继续改进普通NetBurst处理器更富有成效。
英特尔已经根据不同市场需要制定了不同的双核处理器发展计划：代号为“Napoleon”的发展计划(但愿不要象当年拿破仑惨败滑铁卢！)。在2004，65%以上的桌面平台支持虚拟的双核心架构，这一切都得益于英特尔的Hyper-Threading技术，不过移动处理器市场并没有此类简单解决方案。英特尔宣称未来情况将有所改善，在2006年他们有70%以上的台式处理器及70%以上的移动处理器都将采用双核心架构。至于服务器处理器，在2006年将在超过85%的处理器采用双核或多核架构。
不同于AMD的双核计划，英特尔采用不同的市场策略来将推出双核处理器。英特尔这个处理器巨头将不首先走工作站和服务器市场，而是最先推出桌面双核处理器解决方案。目前英特尔在台式处理器上已经落后于AMD，AMD在去年已经成功对台式处理器提速，英特尔处理器由于受众多生产技术问题困扰提速缓慢。
这正是英特尔如此迫切推出台式双核处理器的原因：它第一款采用双核架构的处理器将在今年第三季度发布。这些处理器的研发代号为Smithfield，它们的主要竞争对象将是AMD的顶级台式处理器，明年中旬AMD此类处理器的型号将延伸到“4200+”，性能也将更强劲。英特尔希望双核架构能显著提升它们台式处理器的性能，而且此种性能优势能保持到基于4核心或更多核心架构的处理器出现前。
目前英特尔已经没有时间开发更适合双核处理器的新架构，因此Smithfield处理器采用2个Prescott核心及90nm生产技术生产。Smithfield内核实际上由于两个独立的2独立的Prescott核心组成，每个核心拥有独立的1MB L2缓存及执行单元，同时Smithfield处理器将象目前Prescott核心P4一样支持800MHz FSB总线。因此Prescott处理器的所有功能几乎可以在Smithfield上看到。不过，由于Smithfield核内需要增一个“arbiter stc”仲裁装置来协调两个核心的工作，因此Smithfield的核心尺寸将是Prescott核心的2.1倍，而不是人们猜测的两倍。
理论上，核心尺寸的增加功耗也随之水涨船高。然而英特尔暗示采用LGA775封装的 Smithfield处理器的最大功耗将不会超出130W。象AMD的双核心处理器一样，英特尔也是采用降低工作频率来降低双核处理器的功耗。从相关资料来看，Smithfield处理器的最大工作频率将为3.2GHz，，比目前基于Prescott核心P4的最大频率低了16%。
不过，Smithfield处理器的性能要超越目前单核P4的仍有相当难度。例如AMD宣称其双核处理器的性能将比单核处理器有显著提升，因为它们都是针对服务器和工作站市场需要进行设计的。此类计算机系统的应用程序往往针对对称多处理系统开发了，支持多线程运算。
至于双核心Smithfield处理器，它的市场定位为：普通台式处理器，尽管目前桌面PC操作系统已经支持多线程处理已经有很长时日了，但众多应用程序并不支持，其中游戏应用程序的情况最为糟糕：目前支持多线程运算的游戏寥寥无几。这将带来一个问题：在很多桌面平面的应用程序中，Smithfield的性能将比目前基于单个Prescott核心的P4要慢。正是为了减小这种负面影响、缩小这种差距，英特尔甚至放弃了推出4GHz的Prescott Pentium 4处理器。然而我们猜测，这牺牲仍然是不能的彻底解决这个问题。
因此为了让Smithfield更吸引人，英特尔在Smithfield中引入一些新技术，比如EM64T技术 (Amd x86-64技术的英特尔扩展版)、EIST技术(增强型Intel SpeedStep技术)和英特尔的为下一代处理器开发的加强型安全技术“XD bit”。事实上，未来英特尔也将在今年的单核处理器引入此类技术。因此Smithfield处理器的唯一优点就是支持Vanderpool虚拟化技术和LaGrande安全技术，然而在2006年微软推出Longhorn之前我们不大可能利用这些技术。因此只有Smithfield处理器改用5nm生产技术时，英特尔才会正式推出Vanderpool和LaGrande技术。
值得一提的是，Smithfield处理器将不会支持Hyper-Threading技术。原因很明显：在多个物理处理器及多个逻辑处理器之间正确分配数据流、平衡运算任务并非易事。比如，如果应用程序创造两个运算线程，很明显每个线程对应一个物理内核，但如果有3个运算线程呢？怎么分配？因此为了减少双核心Smithfield架构复杂性，避免出现计划延期的情况出现，英特尔果断决定在即将发布的Smithfield中取消对Hyper-Threading技术的支持。可以说，Smithfield处理器的2个Prescott核心其实支持Hyper-Threading，，只不过在双核心Smithfield处理器中被停用了。
象AMD的双核心处理器一样，Smithfield处理器将与目前的平台架构兼容，新双核心处理器将能在目前的主板上正常工作。然而尽管目前925/915主板可以支持Smithfield处理器，英特尔仍然为Smithfield处理器准备了Glenwood和Lakeport两款芯片组，这两款芯片组均支持两个1066MHz FSB(同样支持800MHz FSB)和双通道DDR-2 667/533。
其中Glenwood属于925X的接班人，最大可以支持8GB的内存容量，也正因为处理器支持EM64T技术使它突破了此前32位系统的4GB障碍。英特尔宣称，所有Lakeport/Glenwood芯片的元件都已安排好，包括ICH7、Tekoa Gigabit Ethernet和Ekron 10/100。对软件的要求也万事俱备，从2005年第10到18周，不同阶段所需的大部分部件都将陆续到位。在Glenwood和Lakeport双核芯片投入生产后，使用LGA775 socket的双核心90nm的Smithfield处理器也会准备得差不多，当然，这要排除一些不同过程中出现的障碍。
在2005第三季度，英特尔将针对Smithfield家族推出三个款处理器，均采用LGA-775封装、800MHz FSB，但将采用新的标识：x20，x30和x40，三者的唯一差别主要是频率之上： x20型号的工作频率为2.8GHz，而X30的则为3GHz，X40的则为3.2GHz。其中x20将作为是一款廉价的双核处理器、针对主流市场并可以与目前众多主板兼容，不过这个型号将不支持英特尔的增强型SpeedStep技术。
至于这些是否是处理器的最终命名仍不是很清楚，x很有可能被其它代表双核心处理器的数字或符号代替。不过由于受功耗的限制，英特尔不大可能发布频率更高的Smithfield。因此他们掌握65nm生产技术前，至少在2006年下半年前，我们期望英特尔双核处理器的最高频率将会停留在以上水准。在这以后，英特尔将会推出代号为“Presler”的下一代台式双核处理器。由于使用更先进的65nm生产技术，Presler处理器的核心尺寸将低于140平方毫米，而Smithfield核心的核心尺寸接近240平方毫米。
从英特尔发展计划来看，英特尔的精力主要集中在桌面双核心处理器解决办法上，他们似乎完全忘掉了服务器和工作站市场。尽管他们的主要竞争者，AMD公司将在今年中期发布双核心Opteron处理器，但我们在今年将不会看见英特尔推出双核心Xeon处理器，尽管多年来此类处理器均属于台式处理器的改进版本。主要原因是需要投入更多的时间、人力、物力改良Smithfield，同时服务器和工作站站台也缺乏相应的芯片组支持。
第一个双核心Xeon处理器被安排出现在2006年初推出，研发代号为“Dempsey”和“Paxville”。其中Dempsey针对双处理器系列，而Paxville则针对多对称处理系统。不管架构类似，但这两个型号的双核心Xeon处理器和Smithfield之间的主要差别是双核心Xeon支持Hyper-Threading技术，它可以让这些处理器能同时执行4线程的运算任务。
为了支持Dempsey和Paxville，英特尔将在2006年初发布Blackford和Greencreek两款芯片组。这两款芯片组的最大特点是充分支持Buffered DIMM、FB-DIMM内存及新双独立总线，它采用点对点的拓扑架构，可以让每个物理内核直接与北桥芯片相连接。这项革新将能显著增加英特尔多处理器系统的性能，而此前英特尔的多处理机系统的所有的处理器往往需要共享一条总线。
同时在今年，英特尔仍然对服务器市场给予一定重视。今年英特尔将为Itanium家族带来双核心Itanium处理器—研发代号为Montecito，不过此款处理器仍是基于是目前的IA-64架构。Montecito处理器所采用的架构实际上与其它双核心处理器架构很类似。Montecito拥有两个Itanium 物理内核，由整合的arbiter仲裁装置管理、协调工作及拥有更大容量的L3缓存。
象Smithfield处理器一样，Montecito的缓存也被平均分配到2个物理核心之间： Montecito处理器拥有24MB L3缓存(每个物理核独立拥有12Mb)及2组 L2缓存记忆：其中1MB为指令缓存(由两物理核心共享和512 KB数据缓存，其中各核心独立拥有256KB数据缓存)。因此，一个双核心Itanium 2处理器所拥有缓存容量将达到26.5MB，而核心将由17.2亿个晶体管组成。第一款Montecito处理器将采用90nm生产技术生产，核心尺寸将达到惊人的580平方毫米。Montecito处理器的初始频率将为1.7GHz。功耗将控制到100W范围内。
由于Montecito中的2个核心之间支持分割运算处理，因此Montecito将支持与Hyper-Threading相类似的Coarse-Grained Multi-Threading技术。每个核心在操作系统中被视为两个逻辑处理器，所以每颗Montecito将被视同四个处理器，Montecito的性能将是目前Itanium 2 9M的1.5-2倍，但也是有代价的：那就是增加了2%的核心面积。而且Montecito处理器将也支持Pellston技术(此技术可以提高缓存运行的可靠性，可以随时验证cache-line内的数据，如果发生错误，处理器将有能力停用有问题的缓存线程)和Foxton技术(一种处理器控温技术，可以通过降低处理器的效能来降低温度)。
在2006年，双核心Montecito处理器的产品线将有所延伸。英特尔将针对双处理器系统对Montecito进行改良，推出电压更低的Millington处理器。然后Montecito和Millington将会改用65nm生产技术，并且统一改用“Montvale”研发代号。顺便提一下，英特尔宣称他们未来在对基于IA-64架构双核心处理器进行改良，推出四核心的Itanium处理器。
如果说英特尔正有开始着手生产采用90nm制程的台式和服务器双核心处理器，那么在移动领域他们首先采用更先进、更好的65mn生产技术。事实上，这是一点也不令人吃惊，英特尔必须在移动领域确保其的绝对优势：，这是目前AMD无法对它相对抗的最后一块乐土。目前Pentium M架构凭借高性能、低功耗的优点几乎统领了整个移动处理器。不过，英特尔也会下一代、代号为“Napa”移动平台准备了基于Pentium M架构的双核心处理器。
英特尔将在今年年末或2006年年初发布第一款、代号为“Yonah”的双核心移动处理器。他们将基于Pentium M核心，不同于其它双核心处理器，Yonah所拥有的2MB L2缓存由两个物理核心共享。因此Yonah开发者不用面临如何协调缓存工作一致性的问题。
为了减小功耗及降低对散热系统的要求，新的Yonah处理器将支持特殊节能技术，此技术可以允许在处理器低负苛情况下停用其中一个核心。这个特征将使Yonah成为一个很节能的处理器，功耗甚至比目前的基于Dothan核心的Pentium M还要小。事实上，只有当处理器工作量到达峰值时，Yonah的第二个核心才会与第一个核心一起运作，而这种情况并不会经常发生。Yonah处理器同样也支持英特尔的SpeedStep技术。正是凭借这些先进的节能技术，当核心频率超过2.0GHz时，处理器器的功耗也不会大于40W。而且英特尔宣称Yonah也支持LaGrande和Vanderpool技术。因此不容置疑的是Yonah处理器将拥有丰富的功能性。
不过，距离Yonah处理器的发布仍相当遥远，相关的技术资料仍没有详细公布，比如我们仍不清楚它们的工作频率，至于核心尺寸，相关信息也相当含糊不清。尽管两者在缓存容量一样，不过由于共享缓存和动态停用核心技术将会大大增加核心架构的复杂性----Yonah的晶体管要比目前的Dothan处理器多出许多。但这将不存在任何问题----由于新生产技术的应用将会让Yonah处理器架构更加完善，因此Yonah处理器的核心尺寸预测大约与Dothan核心一样。
英特尔在2005年底提供Yonah测试样品，并将在2006年正式上市。英特尔希望能凭借它来争夺50%左右的高性能笔记本市场。目前英特尔宣称支持新双核心移动处理器的新平台可以准备就绪，包括Calistoga芯片组和新的无线Golan部件。新平台将支持DDR-2 667及667MHz FSB，这样可以满足双核Yonah处理器的胃口。
从Intel的处理器发展计划来看，自从Pentium 4和Pentium M之后分道扬镳的台式及移动式处理器，在2007年将合而为一。原先Intel预定Yonah之后的Merom处理器，已经转为一个全新微架构的代码，换言之，未来就将以核心数目作为区隔两个市场的方式，这有点类似于目前GPU级等划分方式。
2006 经营许可证编号： 粤B2-20050807
