从“双芯”架构看未来微处理器的发展趋势

本文作者:admin       点击: 2005-06-09 00:00
前言:
大自然的规律总在指导和规范着人们的生产和实践,人们也不断地在混沌中摸索着那些隐藏在其中的神秘规律,并用发现的神秘规律来指导今后的生活。然而当研究和生产进入新的领域和阶段的时候,以前发现的规律往往成为束缚发展的绳索。一如当人们的研究领域进入微观粒子世界的时候,经典力学的定律便出现了困难。
在半导体业界也存在着一条著名的定律,那就是“摩尔定律”。这条定律在近半个世纪的时间里面指引着半导体产业的发展,然而就在大家都以这条定律揣测Intel下一个更高频率的微处理器产品的时候,Intel却带给了大家一个有些意外的消息——双核心架构的Pentium D。难道,面对“摩尔定律”的束缚,微处理器行业到了另谋出路的时候?
更高的处理性能呼唤双核处理器
众所周知,对于处理器来说,最为重要的便是其执行性能了。纵观处理器的“军备竞赛”也是围绕着如何提高其性能而展开的。
传统x86处理器发展至今,Intel和AMD等厂商通过增加分之预测单元、提高缓存容量等措施来提升处理器的性能。然而在考虑到增长渐微的性能提升和日益增高且已经不容忽视的功耗问题的取舍平衡的时候,单核处理器似乎已经到了黔驴技穷的地步,双核心处理器解决方案应运而“来”。
双核处理器就是基于单个半导体的一个处理器上面拥有两个功能一样的处理器核心,也就是将两个物理处理器核心封装入一个内核当中。相比于Intel的HT技术则是真正意义上面的双核心。事实上,对于PC稍微有了解的人都知道,双核心并不是什么新技术,之前一直是高端服务器或者工作站在使用双核技术。而现在这项技术正在走入民用。
  
 【I N T E L】Pentium D,Prescott联体打造双“心”处理器
今年春季的IDF上面,Intel宣布了其双核心处理器的各项细节以及完整的产品布局。其中针对桌面平台的Smithfield处理器被正式命名为Pentium D处理器。就Intel公布的数据看,Pentium D其实就是用两个Prescott P4打造的“联体婴儿”。两颗Prescott核心拥有独立的1MB L2缓存和执行单元,并共享800 MHz前端总线。
由于采用两个独立内核,为了保持每个物理内核中缓存信息同步,Intel采用北桥芯片来处理两颗核心的缓存数据同步协调工作。Pentium D这样的设计有点类似于VIA的双核处理器解决方案。由于采用CPU核心以外的单元进行数据同步处理,所以在处理高负载的多线程任务的时候会对处理器性能有一定的影响。
考虑到Prescott处理器高功耗以及高热量的缺点,Pentium D处理器最大工作频率为3.2 GHz,较目前Prescott核心的P4最大频率低16%。同时,Pentium D还采用了Enhanced SpeedStep技术来解决性能和功耗的平衡问题。Pentium D同样支持EM64技术以及XD bit安全技术。为了不增加设计的复杂性,Pentium D取消了对于Hyper Threading技术的支持。
目前Intel已经正式将Pentium D处理器命名为“8xx”系列。从Intel的Roadmap来看,继Smithfield之后,intel将会推出代号为“Presler”的下一代台式双核处理器。根据Intel公布的数据,新的处理器核心将采用65nm工艺,Presler处理器核心尺寸将低于140mm2。配备2×2 MB二级缓存。同时在新的架构中,Intel将引入三项专利技术,Vanderpool虚拟化技术、LaGrande安全技术以及IAMT(Intel Active Management Technology)技术。
  

 【A M D】Athlon 64 X2,真正意义的双核心处理器
AMD的双核心发展计划在很早之前就已经开始被制定并实施着。AMD的桌面双核处理器正式名称为Athlon 64 X2,采用两个Venice版本Athlon 64核心。与Intel Pentium D一样。Athlon 64 X2除了架构上多了一颗“芯”以外,与目前的Athlon 64架构没有任何改变。但是,与Pentium D不同的是,Athlon 64 X2内部整合了一个SRQ仲裁设备对两个核心通信进行协调作用。因此,Athlon 64 X2是一款真正意义上将两颗核心整合在一个硅晶内核上的双核心解决方案。
相较于Pentium D,Athlon 64 X2由于内部整合SRQ仲裁模块,Athlon 64 X2两颗核心并不需要通过外部FSB通信这一途径。其所有的处理进程都在CPU核心范围之内完成。因此可以预见,在高负载的多线程/多任务环境下AMD的双核处理器将比Intel的Pentium D表现更为出色。另外,AMD采用这种设计使得原有K8平台只要通过升级BIOS就可以支持新处理器,大大降低了平台升级成本。
AMD已经发布四款Athlon 64 X2产品。AMD也将在未来转移到更先进的65nm生产线上,改进他们的内存控制器来对DDR2、DDR3和FB-DIMM等更高性能内存提供支持,并使用Hyper Transport 2.0总线,以及更有效的节能降耗技术。

【双核心只是简单的1+1吗?】
无论是Intel的Pentium D还是AMD的Athlon 64 X2,晶体管数量的大幅度增加所带来的最明显的问题就是功耗问题。泄漏电流所造成的耗电量增加是90nm的Prescott中非常严重的问题,泄漏电流的增加量超过了半导体厂商所预想的那样,虽然Intel、AMD都在自家产品中加入了先进的节能技术,譬如Intel的Enhanced Speed Step技术,然而双核处理器“高烧不退”的症状依然没有得到解决。因此Intel的Pentium D主频反而没有单核新Pentium 4主频高。
另外,我们可以看见双核处理器的晶体管数量几乎是单核处理器的两倍,可由于工艺条件和硅材料本身的限制,处理器内核空间却并没有太大的增加。这就意味着在越来越狭小(相对而言)的空间要放入更多的晶体管,这就必然会导致产品良率的降低以及生产成本的增加。
这些问题是Intel和AMD共同需要面对的难题。双核心的解决方案并不是简单的“1+1”的问题。根据业界的普遍预测,双核心仅仅只是一个开端,它预示的是一个“多核心处理器”时代的来临。
Intel桌面计算机平台事业群副总裁Steve Smith指出,“双核心产品才只是开始,未来4核心、8核心产品将迅速加入Intel产品系列里面来。过去Intel应用额外的晶体管,增加高速缓存的容量,支持平行运算等需求来解决处理器性能的提升问题。不过,未来Intel将应用额外的晶体管来创造更多的芯片核心,借以提升系统整体性能。”
无独有偶,AMD的CEO Hector Ruiz也曾经说过,“这(双核心产品)只是一个开始,在这个前进的方向上总有难以克服的困难。Microsoft已经走出了第一步,SUN、Solaris也会一样,业内主要的公司都已经表示要支持。在双内核的水平上面,我不认为有什么问题,当我们上4核心的时候,才可能引起分歧。”

【I B M】多核处理器成为未来处理器发展的趋势
SONY、IBM和东芝联合开发Cell处理器已经有数年之久了,Cell处理器的设计目标是为了多媒体应用带来高性能的优化处理器。
Cell处理器拥有9个处理器核心同步运作。根据SCEI微型处理器开发部介绍,Cell将会采用1个主处理器搭配8个协处理器的运作方式,运作时脉可达4GHz以上,4GHz时SPE的单精度浮点运算效能总计为256GFLOPS。另据介绍,Cell处理器本身结构比较灵活,可以根据实际产品的性能需求增加或者减少协处理器的数量。CELL的主处理器可以同时处理两个线程,其余8个协处理器可各处理一个线程,这样,CELL处理器同时就可以处理10个线程。
搭载8个独立的浮点运算核心(Synergistic Processor Elements)及一个以IBM 64位Power PC处理器为基础的运算核心所组成的多核架构设计,试产的Cell处理器可以超过4GHz的频率来运作;
 试产的Cell处理器芯片大小为221mm2,内含2.34亿万个晶体管,并采用90纳米SOI制程来生产制造;
 25.6GB秒的XDR DRAM记忆体控制介面与76.8GB秒的FlexIO输出入介面;
Cell处理器初期预计将由IBM的12英寸晶圆厂来先行生产,接着SONY也将在日本长崎的晶圆厂里来生产Cell处理器;SONY、东芝、IBM三家厂商期望未来能推出许多搭载Cell处理器的产品,包括数字电视、家用服务器,甚至是超级计算机。

【尾声】
Intel和AMD同时推出双核心架构处理器产品,这是一种时间上的巧合却是发展趋势上的必然。双核处理器在家用PC领域的出现让人们看到新的微处理器时代的来临,可以预见双内核将会成为新一代x86处理器的标准。然而未来十年x86处理器又将朝哪个方向发展呢?业界领先厂商不约而同地选定了“超多内核处理器”。4内核、8内核、16内核,像IBM的Cell以及SUN的Ultra SPARC IV等等。按照这样的发展,以后的内核可能将划分出用来专门处理特定功能的分工,比如音频、比如视频等等。通过强大的并行计算,今后的处理器将可以完成更加巨量的计算任务,处理器性能的提升规律又会重新回到摩尔定律的预言中。