深入了解“双核处理器”

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近来，关于双核处理器的大肆宣传甚嚣尘上，以致于人们对该技术的理解似乎已脱离了某些事实。AMD和英特尔都通过自己的网站对各自的双核处理器优点不惜赞美之辞。这样的宣传行动很及时，因为多数产业观察人士都认为双核处理器将在2006年大行其道。 　　但是，在这些现象的背后，以及在众多相关的媒体报导中，却隐藏着一些不为人们所知且非同寻常的事实。下面，我们将告诉各位关于双核处理器你可能并不知道的五个事实。 　　1. 英特尔和AMD都并非首个推出双核处理器的厂商 　　人们普遍以为，围绕双核处理器的竞争一直且仅限于PC领域，而且AMD和英特尔在争做第一家向市场推出此类产品的厂商。这种理解是不对的。实际上，IBM走在这两家公司的前面，在2001年就推出了双核的Power4芯片，尽管是非X86的服务器处理器。Power4芯片用于IBM的RISC服务器中。随后，Sun和惠普(HP)都先后推出了基于双核架构的UltraSPARC以及PA-RISC 芯片。只不过由于这些产品都是基于Unix架构，同时价格高昂，所以没有能够大范围进入普及应用。 　　再后来的2004年，AMD和英特尔公布了各自的双核计划，并从2005年开始首次供应双核产品。 　　当然，这两家公司陆续推出的双核处理器令人眼花缭乱——包括AMD推出的双核Opteron服务器芯片和Athlon 64台式电脑芯片，以及英特尔推出的双核Pentiums和Xeons...而且AMD和英特尔仍在不断地宣布新款双核芯片，令人目不暇接。 　　在移动领域，IBM同样也是第一个向市场推出双核芯片的厂商，它的PowerPC 970FX低功耗版本在2005年发布。但是，这基本是一款OEM产品，不会向普通买家供应。IBM的X86也是如此。 　　在X86领域，英特尔凭借它在今年1月推出的Centrino Duo赢得了移动双核处理器竞赛。该移动芯片用于流行的新款iMac——尽管iMac是一款台式电脑。(苹果的iMac电脑的设计类似于把一个大型笔记本电脑塞入一个平板显示器的背面，从其内部拆解分析中可以看出这点)。新款iMac也是采用英特尔双核处理器的首款苹果电脑。 　　2. 功耗是个问题 　　出于技术挑战，双核处理器被强加给了产业；而产业却并没有事先做好准备。 　　英特尔和AMD采用这项技术的真正原因，不是因为双核是一种突然出现且表现优秀的创意。实际上，芯片厂商本可以不断推出速度越来越快的单核处理器。但是，这种做法是不可行的，因为随着时钟速度超过3GHz，单核处理器开始消耗过多的功率。确实，英特尔在2005年取消了计划中的4.0GHz Tejas处理器，因为该芯片的功耗可能超过100W。 　　随着功耗的上升，超快单核芯片的冷却代价成本也越来越高，它要求采用更大的散热器和更有力的风扇，以保持其工作温度。相对来说，利用双核方案，既可以继续改善处理器性能，又可以暂时避开功耗和散热难题。AMD商业解决方案主管Margaret Lewis对TechWeb表示：“作为处理器厂商，这是我们能够在一定的功耗范围内提高性能的唯一途径。” 　　当然，严谨的半导体分析和解读者会希望从此类芯片的片上电压、性能和其它技术因素来证明其合理性。(这些领域的一些进步实际上使压低功耗更加成为一种挑战。) 　　此外，有些人认为双核并不是万能药。正如2005年6月在Linuxhardware.org站点上发表的文章《深入了解双核》所言：“从我们的立场来看，双核并不是新东西；它只是改头换面的老产品(SMP, 对称多处理)...在单一处理器基础上建立的双处理器系统所面临的性能问题仍然存在。” 　　但是，这作为一种简单的解释，基本上足够了。Lewis补充道：“物理定律没有改变；我们只是想出了如何进一步改进的方法。” 　　3. 时钟速度不是唯一关键词 　　双核不一定会使你的电脑时钟速度更快，但它将提高你PC的整体性能。 　　这是一个存在差异的细微技术特色。与单核处理器相比，双核并不意味着速度一定更快。如果你考虑的只是原始时钟速度，就应该买你能够找到的最快的处理器。英特尔速度最快的单核处理器是3.8GHz Pentium 4 model 670和3.6GHz Pentium 4 model 660。而目前速度最快的双核处理器是3.2GHz Pentium D 840. (一款3.6GHz双核Pentium D 960定于2006年第二季度推出。) 　　AMD的单核/双核处理器的最高速度可以相互媲美。单核Athlon 64 3400+的速度为2.4GHz。双核Athlon 64 X2 4600+的速度也是2.4GHz。但是，同样是2.4GHz速度，双核的性能显然高于单核。即使两个核的运行速度都略低于2.4 GHz，双核处理器的吞吐量也要高于一个速度略快的单核处理器。 　　但是，也许令人感到奇怪的是，双核处理器的性能没有加倍(这是由于受到两个核之间共享资源的拖累)。AMD的Lewis表示：“我们看到的情况是双核处理器性能能够达到单核的1.4-1.8倍，实际情况则取决于具体的应用。” 　　“当你把内核的数量增加一倍时，保持同样的功率，但几乎把吞吐量提高了一倍。”英特尔研究人员Shekhar Borkar在2004年接受采访时是这样说的。(他显然没有太强调共享资源所造成的性能损失。) 　　许多技术人士就性能问题发出警告，他们指出，“多核处理器需要操作系统的支持，才能够最佳地使用第二个计算资源。” 　　简单地说，这意味着多线程是获得良好性能的关键。多线程过去几年在单核环境中涌现出来，而且人们正针对双核对其进行更积极的开发。“每天你都在电脑上运行一个超强的多线程应用，它被称为操作系统(OS)。”AMD的Lewis表示，“过去始终拥有一个多线程环境。它(双核)使这个多线程环境更有效率地运行。” 　　4. 大量用户对双核茫然不知 　　英特尔同样是多线程的支持者。这家芯片巨头强调指出，它的双核产品支持超线程技术，能够更有效率地利用可能闲置的资源，“能够同时处理四个软件线程。”对于精通双核的人来说，这里要给出一个忠告。迄今，关于多线程的实现情况以及现有操作系统和应用程序利用双核处理器的情况，还存在很大的争论。(在操作系统方面，有些Linux支持双核，而Windows Vista将是微软在设计时考虑到双核的首个操作系统。) 　　而在所有的PC用户中，几乎有半数仍然对于双核一无所知。 　　最近市场调研公司Harris Interactive进行的一项调查结果显示，在AMD宣布其Opteron计划已经将近三年之后，48%的PC用户对于双核是什么东西还茫然不知。(当然，在行业内部则是另外一种情形。数据中心的经理和公司CIO非常了解双核计算能够给企业带来的能力。) 　　在这次针对家庭用户的调查中，42%的个人电脑拥有者表示，他们对双核有所了解，10%的早期采用者声称非常了解双核。上述两种情况(52%)受访者中，不管是对双核一知半解还是非常了解，只有12%的人已经拥有双核系统。 　　这个比例不久可能会上升。市场调研公司Frost & Sullivan预测，双核处理器将以每年15-25%的速度在台式电脑、笔记本电脑和服务器领域取代单核芯片。英特尔可能希望这个速度来得更快——它计划2006年出货6,000万个双核处理器。 　　5. 双核、四核……不断增加的内核数量 　　为了让更多的消费者了解双核处理器，英特尔和AMD借鉴了好莱坞的做法。英特尔最近搞了一个名为“Intel Indies Film Contest”，向它认为是最佳数字短片的创作者颁发ViiV PC设备。AMD的视频比赛则名为“The 64 Second Film Contest”。AMD表示，它举办的比赛显示，Athlon 64 X2处理器“正在把内容创作和多媒体性能带到一个新的层次”。虽然这两个比赛的获胜者表现都不错，但除了这些作品都可能在PC上进行过编辑以外，从表面上看不出来计算的痕迹。双核并不是最先进计算领域中的最新成就。 　　几年以后，双核可能成为过时产品。英特尔已在准备四核服务器处理器，计划在2007年推出；其竞争对手AMD也在开发四核芯片。 　　再远一些，英特尔正在准备一款代号为“Yorkfield”的八核芯片，计划在2008年推出。AMD的情况不太明确，只是说将在2007年使内核数量增至两个以上。在非x86领域，Sun已在供应一款八核服务器处理器，即UltraSparc T1(以前的“Niagara”)。 　　确实，多核处理器看来将成为未来的发展方向。Co-Design Automation Inc.的创始人Simon Davidmann曾说过：“所有的芯片都将成为多核处理器，我们必须学习如何给它们编程。”      【Intel双核心处理器】 目前Intel推出的台式机双核心处理器有Pentium D、Pentium EE(Pentium Extreme Edition)和Core Duo三种类型，三者的工作原理有很大不同。 一、Pentium D和Pentium EE Pentium D和Pentium EE分别面向主流市场以及高端市场，其每个核心采用独立式缓存设计，在处理器内部两个核心之间是互相隔绝的，通过处理器外部(主板北桥芯片)的仲裁器负责两个核心之间的任务分配以及缓存数据的同步等协调工作。两个核心共享前端总线，并依靠前端总线在两个核心之间传输缓存同步数据。从架构上来看，这种类型是基于独立缓存的松散型双核心处理器耦合方案，其优点是技术简单，只需要将两个相同的处理器内核封装在同一块基板上即可；缺点是数据延迟问题比较严重，性能并不尽如人意。另外，Pentium D和Pentium EE的最大区别就是Pentium EE支持超线程技术而Pentium D则不支持，Pentium EE在打开超线程技术之后会被操作系统识别为四个逻辑处理器。 Pentium D和Pentium EE目前具有以下产品： Pentium D 8X0系列： 目前有820(2.8GHz)、830(3.0GHz)和840(3.2GHz)三款产品，都基于Smithfield核心，实际上就是将两个Pentium 4处理器所采用的Prescott核心封装在一起。这三款产品都采用800MHz FSB、90nm制造工艺、每核心1MB二级缓存、全部采用Socket 775接口、都支持硬件防病毒技术EDB和64位技术EM64T，除了Pentium D 820之外都支持节能省电技术EIST。 Pentium D 8X5系列： 目前只有805(2.66GHz)一款产品，同样基于90nm制造工艺的Smithfield核心，只不过前端总线降低到533MHz FSB，采用Socket 775接口、每核心1MB二级缓存、支持硬件防病毒技术EDB和64位技术EM64T，但不支持节能省电技术EIST。 Pentium EE 8XX系列： 目前只有840(3.2GHz)一款产品，同样基于90nm制造工艺的Smithfield核心，采用800MHz FSB、每核心1MB二级缓存、Socket 775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T和节能省电技术EIST。 Pentium D 9X0系列： 目前有920(2.8GHz)、930(3.0GHz)、940(3.2GHz)和950(3.4GHz)四款产品，都基于65nm制造工艺的Presler核心，实际上就是将两个Pentium 4处理器所采用的Cedar Mill核心封装在一起。采用800MHz FSB、每核心2MB二级缓存、Socket 775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T、节能省电技术EIST以及虚拟化技术Intel VT。 Pentium EE 9XX系列： 目前有955(3.46GHz)和965(3.73GHz)两款产品，同样基于65nm制造工艺的Presler核心，前端总线频率提升到1066MHz FSB，每核心2MB二级缓存、Socket 775接口、支持硬件防病毒技术EDB、64位技术EM64T以及虚拟化技术Intel VT，但不支持节能省电技术EIST。 Pentium D 9X5系列： 按照Intel的产品路线图，即将推出Pentium D 915(2.8GHz)和925(3.0GHz)，同样基于65nm制造工艺的Presler核心，与Pentium D 9X0系列相比，除了都不支持虚拟化技术Intel VT以及Pentium D 915不支持节能省电技术EIST之外，其它的技术特性和参数都完全相同。 值得注意的是，Intel的Pentium D和Pentium EE与AMD的双核心处理器Athlon 64 X2和Athlon 64 FX系列相比，都是独立式二级缓存，除了协调单元前者在CPU外部(依赖于主板)，而后者在CPU内部(不依赖于主板)之外，本质上并无重大区别，相对来说都比较简单----只需要为两个核心添加一个协调单元即可。所谓的“真假双核”纯属无稽之谈，严格点看的话，这二者都不是真正意义上的完全的双核心处理器，只不过都是双核心处理器中最简单的类型罢了。 需要注意的是，无论是Pentium D还是Pentium EE，由于都必须依赖主板北桥芯片来负责两个核心之间的协调工作，因此必须要特定的主板芯片组才能支持，目前有Intel的945P、945G、945PL、945GZ、955X、975X以及其它芯片组厂商的双核心芯片组，例如ATI Radeon Xpress 200(RC410)、ATI Radeon Xpress(RXC410)、nVIDIA nForce4 SLI IE、nForce4 SLI XE、nForce4 SLI X16 IE、nForce4 Ultra IE等等。 按照Intel的规划，从2006年第三季度开始，Pentium D和Pentium EE将逐渐被基于Core架构代号Conroe的双核心处理器所取代。 二、Core Duo 与Pentium D和Pentium EE所采用的基于独立缓存的松散型双核心处理器耦合方案完全不同的是，2006年初发布的Core Duo采用的是基于共享缓存的紧密型双核心处理器耦合方案，其最重要的特征是抛弃了两个核心分别具有独立的二极缓存的方案，改为采用与IBM的多核心处理器类似的两个核心共享二级缓存方案。与独立的二级缓存相比，共享的二级缓存具有如下优势： 1)二级缓存的全部资源可以被任何一个核心访问，当二级缓存的数据更新之后，两个核心并不需要作缓存数据同步的工作，工作量相对减少了，而且极大的降低了缓存数据延迟问题，这有利于处理器性能的提升。 2)前两种类型的每个核心的二级缓存资源都是固定不变的，任何一个核心都可以根据工作量的大小来决定占用多少二级缓存资源，利用效率相对于独立的二级缓存得到了极大的提高。 3)有利于降低处理器的功耗。可以把两个核心分为“冷核”和“热核”模式，在工作量较大时两个核心都全速运作，而在工作量较小时则可以让“冷核”关闭，进入休眠模式，而继续运作的“热核”则可以占有全部的二级缓存资源，相比之下独立式缓存就只剩下一半的二级缓存资源可用了。 Core Duo采用“Smart Cache”共享缓存技术在两个核心之间作协调。在Core Duo处理器内部，两个核心通过SBR(Share Bus Router，共享资源协调器) 共享二级缓存资源，当其中一个核心运算完毕后将结果存放到二级缓存中以后，另外一个核心就可以通过SBR读取这些数据，不但有效解决了二级缓存资源争夺的问题，与前两种类型相比也不必对缓存资源作频繁的同步化操作，而且比起Intel自己早先采用的第一种类型需要通过主板北桥芯片迂回的方法相比，不但大幅度降低了缓存数据的延迟，而且还不必占用前端总线资源。另外，SBR还具有“Bandwidth Adaptation”(带宽适应)功能，可以对两个核心共享前端总线资源进行统一管理和协调，改善了两个核心共享前端总线的效率，减少了不必要的延迟，而且有效避免了两个核心之间的冲突。 Smart Cache共享缓存技术确实是行之有效的双核心处理器的高效解决方案，借助于Smart Cache共享缓存技术Core Duo也体现出了强大的性能，这才是严格意义上的真正的双核心处理器。Smart Cache共享缓存技术即将被应用到Intel今后所有的双核心处理器中，例如即将发布的Merom核心笔记本处理器和Conroe核心的台式机处理器都采用Smart Cache共享缓存技术。 虽然共享的二级缓存具有极大的优势，但其技术要比独立的二级缓存复杂得多，所以在X86架构个人处理器方面至今仍然只有Core Duo才采用了这一方案。目前Core Duo中用于台式机的主要是T系列的T2300(1.66GHz)、T2400(1.83GHz)、T2500(2.0GHz)和T2600(2.16GHz)，都基于65nm制造工艺的Yonah核心，采用667MHz FSB、2MB共享式二级缓存、改良了的新版Socket 478接口(与以前台式机的Socket 478并不兼容)、都支持硬件防病毒技术EDB、节能省电技术EIST以及虚拟化技术Intel VT，但其最大的遗憾是不支持64位技术，仅仅只是32位的处理器。目前与台式机Core Duo搭配的主要是Intel 945GT芯片组，当然，原用于笔记本的Intel 945GM、945PM、945GMS也能支持Core Duo。 按照Intel的规划，从2006年第三季度开始，台式机Core Duo将逐渐采用基于Core架构的Conroe核心，改用Socket 775接口，主流型号的前端总线提高到1066MHz FSB，而Extreme Edition加强版则进一步提高到1333MHz FSB，并且共享式二级缓存提高到4MB；只有部分低端型号才会继续采用800MHz FSB和2MB共享式二级缓存。基于Core架构的Conroe核心Core Duo将比现在所有的台式机双核心处理器(包括Yonah核心Core Duo、Pentium D、Pentium EE、Athlon 64 X2和Athlon 64 FX)的性能有大幅度提升，而功耗则进一步降低，确实值得期待。 【AMD双核心处理器】 AMD推出的双核心处理器分别是双核心的Opteron系列和全新的Athlon 64 X2系列处理器。其中Athlon 64 X2是用以抗衡Pentium D和Pentium Extreme Edition的桌面双核心处理器系列。 AMD推出的Athlon 64 X2是由两个Athlon 64处理器上采用的Venice核心组合而成，每个核心拥有独立的512KB(1MB) L2缓存及执行单元。除了多出一个核芯之外，从架构上相对于目前Athlon 64在架构上并没有任何重大的改变。 双核心Athlon 64 X2的大部分规格、功能与我们熟悉的Athlon 64架构没有任何区别，也就是说新推出的Athlon 64 X2双核心处理器仍然支持1GHz规格的HyperTransport总线，并且内建了支持双通道设置的DDR内存控制器。 与Intel双核心处理器不同的是，Athlon 64 X2的两个内核并不需要经过MCH进行相互之间的协调。AMD在Athlon 64 X2双核心处理器的内部提供了一个称为System Request Queue(系统请求队列)的技术，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，也就是说所有的处理过程都在CPU核心范围之内完成，并不需要借助外部设备。 对于双核心架构，AMD的做法是将两个核心整合在同一片硅晶内核之中，而Intel的双核心处理方式则更像是简单的将两个核心做到一起而已。与Intel的双核心架构相比，AMD双核心处理器系统不会在两个核心之间存在传输瓶颈的问题。因此从这个方面来说，Athlon 64 X2的架构要明显优于Pentium D架构。 虽然与Intel相比，AMD并不用担心Prescott核心这样的功耗和发热大户，但是同样需要为双核心处理器考虑降低功耗的方式。为此AMD并没有采用降低主频的办法，而是在其使用90nm工艺生产的Athlon 64 X2处理器中采用了所谓的Dual Stress Liner应变硅技术，与SOI技术配合使用，能够生产出性能更高、耗电更低的晶体管。 AMD推出的Athlon 64 X2处理器给用户带来最实惠的好处就是，不需要更换平台就能使用新推出的双核心处理器，只要对老主板升级一下BIOS就可以了，这与Intel双核心处理器必须更换新平台才能支持的做法相比，升级双核心系统会节省不少费用。

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谢谢楼主了，学习了