解读CUP双核心技术处理器

在2005年处理器市场将有一件大事，那就是双核处理器架构的出现。目前处理器厂商希望通过这个的设计来增加处理器的性能及功能。目前AMD、英特尔在双内核处理器上将开展激烈竞争，让我们来看一下他们的发展计划。
  
  　 一、什么是双核处理器？
  
    什么是双核处理器？双核处理器背后的概念蕴涵着什么意义呢？简而言之，双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。换句话说，将两个物理处理器核心整合入一个内核中。
  
    双核处理器：不是什么新技术，但还没有大众化的产品
  
    早在上个世纪末，HP和IBM就已经提出双核处理器的可行性设计，并成功推出了拥有双内核的HP PA8800和IBM Power4处理器。如IBM eServer pSeries 690或HP 9000服务器上都采用了此类技术。
  但昂贵的价格使得上述产品从来没有得到广泛应用。如拥有128MB L3缓存的双核心IBM Power4处理器的尺寸为115x115mm，生产成本相当高。所以，这些产品与英特尔和AMD即将发布的双核处理器不可同日而语。
  
    双核的优点：性能与功能比翼双飞
  
      双核解决方案的两大优点是提高处理器性能和增强处理器功能。
  
     双核心技术的引入是提高处理器性能另一个行之有效的方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。但只有充分利用两个内核中的所有可执行单元，才能使系统达到最大性能。而这就要靠软件开发者的努力，而不是依靠处理器开发者们。另外，由于受生产技术限制，传统的通过提升工作频率来提升处理器性能的做法在双核处理器上也将面临严重阻碍。

    引入双核心的架构也将可以全面增加处理器的功能性。双处理器架构的引入和微软下一代Longhorn操作系统将在很大程度上促进虚拟技术的发展。这些技术在20006-2007年将成为下一代计算机系统的主要特征。目前厂商们已经推出了异曲同工的虚拟化技术，如英特尔的Vanderpool（面向个人电脑）、Silvervale（面向服务器）技术和AMD Pacifica技术。
  
    虚拟化技术可以让一台物理计算机虚拟出若干个虚拟的系统，这些虚拟系统能使用同样的PC资源独立工作。换句话说，这些技术应该允许用户在他们的PC上使用超过一个操作系统，以便每个操作系统解决特定的运算任务。比如，一个虚拟系统能够扫描病毒，另外的虚拟系统则可以执行应用程序，文字处理或者玩游戏。
  
    软件环境：准备好了吗？
  
    目前，大多数操作系统已经支持并行处理，因此引入第二个处理器可以显著增加系统的性能，而且由于英特尔处理器支持Hyper-Threading技术也极大刺激了支持平行处理的应用软件的需求量，目前大多数新的或即将发布的应用软件都对此类技术提供了支持。因此，目前整个软件市场其实已经为多核心处理器架构提供了充分的准备。与以往不同，软件兼容性将不会成为双核处理器的重要问题，Windows XP都Windows Server 2003能将工作分配给两个处理器，有很多服务器应用程序也具有这种功能。
  
     二、英特尔与AMD的双核计划
  
    英特尔和AMD在双核路线上有着不同的发展计划。AMD率先在服务器和工作站领域引入双核架构，而英特尔则是率先在台式机领域引入双核技术，所以AMD将在服务器和工作站领域领先英特尔达半年之久。
  
   （一）AMD：拿服务器系统开刀
  
    AMD是第一个公布具体双核心处理器架构并最先提供具有实用性原型系统的处理器开发者和制造商。将于2005年第二季度发布的针对服务器和工作站的AMD Opteron是全球第一款量产化的双核处理器。
  
    双核Opteron处理器
  
    Opteron双核处理器的两个核心将各自拥到完全独立的执行单元及L2缓存，但仅配备一个内存控制器，同时和两个核心一起协同工作，实现资源共享。Opteron双核处理器采用90nm制程和SOI及“Dual Stress Liner”应变硅技术；兼容Socket 940系统，L2缓存达到2MB（每个核心独享1MB）；拥有2.05亿个晶体管（目前的Opteron处理器拥有1.06亿个晶体管），架构将比目前的单核心处理器架构要复杂93-94%；预计首款双核心Opteron的工作频率为1.6GHz；双核AMD64架构与目前的AMD64架构相比没有任何改变，仍将使用1GHz HyperTransport总线与芯片组连接及支持双通道DDR内存技术；兼容目前支持单核Athlon 64和Opteron处理器的芯片组，所以升级最新BIOS就能使目前所有K8平台支持新的双内核处理器，从而大大降低应用和升级成本；最大功耗将低于95W，能在目前为Athlon 64和Opteron处理器制定的散热系统下正常工作；双核Opteron也引入了一些创新技术，包括支持10条新SSE3指令，拥有4路联合缓冲区而不是目前的2路，并引入了节能技术。
  
   （二）英特尔：从台式PC下手！
  
    在改用90nm生产技术后，尽管显著增加了执行管线的长度，但功耗太高、电泄漏问题的加剧等等成为处理器频率提升的障碍，使得基于Prescott核心的处理器在高频率下不能很好地工作。这使得英特尔在提升处理器性能方面，开始由一味地提升工作频率转向引入双核架构。另外，英特尔今年开始集中精力增加处理器产品的功能而非性能，以促使双核架构带来的支持虚拟化技术成为下一代计算机系统的基础。英特尔因此甚至放弃策划已久Tejas系列发展计划。

    英特尔根据不同市场需要制定了不同的代号为“Napoleon”的双核处理器发展计划。预计到2006年，70％的多功能桌面型与移动处理器，85％的服务器处理器，都将是多内核芯片，同期间的转换还有65纳米结构。不同系统的双核处理器的推出时间如下表所示：
  
    英特尔将在2006年初推出第一个双核心Xeon处理器，研发代号为“Dempsey”和“Paxville”。其中Dempsey针对双处理器系列，Paxville则针对多对称处理系统。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，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，而此前英特尔多处理系统的所有处理器往往需要共享一条总线。
  
    2005年英特尔将为Itanium家族带来研发代号为Montecito的双核心Itanium处理器。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。
  
    Intel放弃追逐主频，双核芯片吻别“频率游戏”
  
    数十年来，在摩尔定律的指引下，英特尔一次又一次地用主频数字成就了自身的霸主地位，使主频概念在消费者中根深蒂固，“频率决定一起”。然而，主频的不断提升，散热问题却日渐成为不可逾越的技术壁垒，而主频的提升，相应的综合性能却提升不大，无法满足用户更多的应用需求。随着几年来CPU技术的不断发展，主频已不再是决定CPU性能的唯一要素，根据用户当今的实际需要，CPU更多其它的综合特性才是关键。
  
    Intel将放弃使用频率标称处理器的方法，而改用PR值标称。最近新的命名规则已经曝光，看起来与AMD的Opteron系列相似，采用三位数字区别处理器的性能，继AMD之后，Intel也将放弃频率标称。
  
    三、AMD双核优势
  
   （一）Opetron双核兼容现有平台，轻松升级“双核”应用
  
    AMD双核Opteron处理器依旧采用Socket940封装，兼容于单核心Opteron处理器，现有的Opteron主机板只需要对BIOS和一些细小的地方更改就可以正常运行双核心Opteron处理器。目前，曙光、惠普、IBM 、Sun等国内外服务器厂商都已相继宣布采用AMD的双核Opteron处理器。用户只需拔掉主板上原来的单核CPU，换成新的双核处理器，然后简单升级一下最新的BIOS，服务器就能轻轻松松地1路变2路，2路变4路，4路变8路……  
  
     
  
   （二）Opetron与Xeon双核相继发布，前后相差半年之久
  
    AMD将于2005年中期推出其第一款双核Opetron处理器，三种双核Opteron的代码名为Egypt、Italy和Denmark。针对台式机市场的双核Athlon 64芯片也将于2005年下半年推出。英特尔则将于2005年推出代号为Montecito的双核版Itanium安腾处理器，而代号为Tulsa的双核版的Xeon处理器则于2006年第一季度问世。
  
    （三）AMD 双核版Opetorn性能提升30%-50%
  
    双核心处理器架构，可以在不提升处理器工作频率的情况下，达到双倍性能，而且由于双核心每个核心的功耗都已经降低，因此双核心处理器功耗并不会很大，同样大小的体积下双核Opteron的放热量与现有的单核芯片大同小异。

    从相关的测试数据来看，尽管双核心处理器的工作频率比单核处理器低了600MHz�D1000MHz，但它们在支持多线程应用程序中的性能仍相当抢眼。
  
    比如在SPECint2000基准测试中，尽管单核处理器的工作频率比双核处理器高了1GHz，基于双核心处理器系统的性能比基于单核处理器的系统快了45%。如果频率差距缩小到600MHz，那么在双核心和单核心系统之间性能差距将拉大到55-60%。
  
    在SPECfp2000基准测试中，尽管单核处理器的工作频率比双核处理器高了1GHz，基于双核心处理器系统的性能比基于单核处理器的系统快了25-30%。如果频率差距缩小到600MHz，那么在双核心和单核心系统之间性能差距将拉大到35-40%。因此，高时钟频率并不是双核心Opteron处理器系统的必备之物。