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一、INTEL力挽狂澜 K8构架终谢幕 Athlon 64-即K8构架将在今年夏天结束它肩负四年的任务，在劲敌INTEL的CORE构架面前，AMD即将拿出新的K8L构架处理器。CORE构架的诞生要追溯至Pentium 3（P6构架）与AMD的K6构架争霸的年代，当时INTEL采用的P6构架占据着全球CPU市场的绝对优势地位。在P6构架取得巨大成功之刻，INTEL成立了2个独立的CPU构架开发团队：一是设计出之后销售多年的Pentium 4系列的设计团队－NetBurst构架小组；另一个则是着重于笔记本CPU领域“低功耗、低发热”的Pentium M构架小组，该组主要延续的是Pentium 3的P6构架，并成功的量产出之后几乎霸占全球笔记本市场的Pentium M各款芯片。在06年NetBurst构架发展陷入困境的时候，位于以色列海法的Pentium M构架小组及时的改进了Pentium M构架并全面推向桌面CPU市场-这就是当前取得巨大成功的CORE构架。
回顾一下Pentium M构架的发展之路：Banias是该小组的期初作品，Dothan则是Pentium M构架小组所做的第一次改进，Dothan芯片为INTEL当年的财务报表带来了巨大的利润增长。在取得成功之后，Pentium M构架小组再接再厉，在Dothan的基础上大幅度改进，成功设计并量产出INTEL第一款原生双核设计的处理器-Yonah。这一次改进的意思要远大于由Banias至Dothan的进步，并不是因为Yonah是原生双核设计，而在于此次Pentium M构架小组在CPU构架细节改进上取得的巨大技术进步。
2006年NetBurst构架日渐乏势之时，海法小组再次将Pentium M构架改进并成功登陆桌面CPU平台-在Yonah芯片构架的基础上，大幅加宽CPU内外部总线带宽、加强SSE、整数及浮点运算单元、提高分支预测精准度，其脱颖而出的CORE构架一鸣惊人。65纳米工艺量产的Core 相比INTEL而言，AMD在过去的2年中则显得过于保守。首先AMD没有像INTEL那样的闲暇和财力，可以同时支持2个构架开发组，尤其是冒险支持当时陌生而激进的NetBurst构架思路--该构架是完全违背INTEL之前数十年的发展道路的。AMD在K7构架取得市场的成功后，采取的平稳做法是继续改进K7构架。K8构架就在K7构架的基础上诞生了-相对K7构架，K8构架改进了部分细节构架设计、略微加深了处理管线，及其富有创意并尤为成功的一点是-将北桥整合至CPU内部-重点是内存控制器。
K8构架取得市场的成功之后，业界盛传了很多关于AMD开发K9、K10构架的传闻。但事实上AMD近四年来一直没再推出任何新的构架-而这四年间AMD的对手NetBurst构架小组改进了五次CPU构架，Pentium M构架小组则历经了Banias、 Dothan、 Yonah、Merom/Conroe和CORE这五个朝代的进步。如果INTEL现在依然坚持NetBurst构架，或许现在K8构架还能够保持优势。不过财力雄厚的INTEL同时拥有着2个开发小组，当NetBurst构架不济之时，CORE构架又横来一笔，这让AMD在市场上的优势地位瞬间消失。2006年，是CORE构架完胜的一年。
二、K8L构架-首款原生四核心CPU AMD强调Barcelona是首颗原生四核芯的CPU，这与Intel的四核芯片Kentsfield或者Clovertown是完全不同的--Kentsfield是将2颗双核CPU集成在一起，而不是真正意义上的四核。AMD表示原生四核的CPU将比非原生四核的CPU性能强，当然这还有待于测试结果来证明。AMD宣传的数据：Barcelona与英特尔现在已经上市的四核心Clovertown处理器相比，Barcelona的性能要超过英特尔Clovertown 40%以上。AMD市场总监Henri Richard自豪的将Barcelona与英特尔的四核心CPU进行对比以显示AMD Barcelona才是真正的四核。英特尔的四核心芯片如桌面级的Kentsfield和服务器版的Clovertown，均是将两颗双核晶圆安装在同一CPU内达成四核心，而AMD的Barcelona是真正将四核心量产在一片晶圆上。
将四颗核心同时建立在一块65纳米晶圆上，Barcelona的内部构架十分紧凑而复杂。它需要高达11层金属层互连-而之前的K8只需要9层，CORE2则为8层。Barcelona在金属层设计上要比INTEL复杂，当然这对用户而言并没有太多影响。集成了四颗核心和一个共享的2MB的L3缓存，Barcelona的晶体管数量达到了前所未有的463百万个，但比其对手Kentsfield的582百万个还要少上119百万个。这巨大的晶体管数量差异来源自缓存容量的差距：Barcelona的每个单核心拥有128KB的L1缓存，512KB的L2缓存，另外有一个共享的2MB的L3缓存，总和即4.5MB的缓存容量。Kentsfield则是两个核心各两个64KB的L1缓存和4MB的L2缓存，总和是8.25MB的容量，比Barcelona多出80%的缓存容量。所以相对整体而言，其晶体管数量就增加了25.6%。
值得注意的是Barcelona并不只是相当于四核的K8加上L3缓存，它在内部构架上经过了较大的改进，详细的改进在之前“力压Core2!AMD四核K8L架构技术预览”一文中已经进行过详细的分析。单从晶体管数量上而言，不计缓存部分，K8L构架的芯片晶体管数量为247百万个，而一颗Athlon 64 X2不计缓存的晶体管数量为94百万个，两颗则为188百万个。K8L芯片要多出来59百万个，这些增加的晶体管将为提高K8L芯片的性能做出贡献。 三、SSE、浮点性能翻倍-全面增至128位 Barcelona一项重要的改进就是AMD反复宣传的128位SSE执行位宽。在K8构架中，AMD虽然做到了双路SSE执行单元，但这两个SSE执行单元位宽仅是64位，这样在处理大量的128位SSE指令时，K8芯片就需要先把128位SSE、SSE2、SSE3中的矢量指令分解为两个64位宏指令，然后由其64位SSE执行单元分别处理再合并，这对处理器的性能是有较大的损失的。在Barcelona拥有128位的SSE执行位宽后，128位的SSE指令就不再需要分解再合并，而是直接运算，这大约只需要过去的1/3的执行时间，效率大为提高。同样，浮点调度单元也扩展到128位，在前文中已详细描述，目前可以肯定的是128位的浮点运算单元和调度单元将至少使K8L构架处理器在FPU、向量SSE数据的分派、传输、解码速度三方面同时达到现有K8构架同频率处理器的两倍速度。
增强了SSE性能之后，Barcelona拥有了比K8芯片强大2倍的SSE处理性能，同时AMD也发现16位的取指令单元位宽已经成为了一个新的性能瓶颈。于是K8构架的16位取指令单元位宽也适应时代的改进为32位，这样瓶颈问题就得到了解决。在拥有了强大的执行单元后，接下来要做的就是确保及时输入足够的数据，AMD在此将L1缓存至执行单元的位宽由双路64位增强为双路128位。同样L1缓存至L2缓存及内存的位宽也同样增强到128位。
128位SSE执行单元的改进与INTEL由Yonah至Merom/CORE的改进相类似。两年前，我们曾在评测中将Yonah芯片和K8芯片运行在同一频率，结果说明Yonah的视频编码性能大幅落后于K8。虽然Yonah相对上一代的Dothan已经在SSE性能上改进了不少，但直到CORE构架的改进完成，Pentium M构架体系才真正在SSE性能方面超越了AMD的K8构架。无论是其128位SSE执行单元位宽、128位的前端接口，CORE构架的解码能力当时都大副超越了K8构架。 在前文中，我们已经介绍过AMD在K8L构架的浮点运算器方面进行性能翻倍的改进：FADD、FMUL及SSE等浮点运算器将由64位扩展到128位。同时，K8L构架的两条浮点数据传输带宽也加宽到128位，使得处理器可以与L1缓存进行128位的高速传输。相比只拥有一条浮点数据传输带的CORE构架，K8L将有一定的优势。同时，K8L构架在浮点FADD和FMUL中也将拥有128位的ADD/MUL块处理能力来面对SSE2数据。在K8构架中FSTORE单元所存在的传输及运算法则缺陷等问题也将在K8L中得到改进。K8L构架的浮点运算能力将至少比K8构架快一倍，甚至比当前最强大的CORE构架处理器还要快10%，尤其在处理没有SSE优化的X87数据时，K8L构架芯片将比CORE构架芯片快50%以上。 四、K8软肋不再-分支预测器的重要改进 一般而言，CPU采用的分支预测技术的精准性决定着该CPU构架最适合的流水线宽度和级数。分支预测器能够正确预测的数据就相当于CPU能够处理的最佳数据量，只有这部分数据能够成为被准确处理的信息。K8构架的分支预测器与其构架是搭配的十分和谐的，但在对手的Pentium M构架和Pentium 4系列中，也有AMD值得借鉴的长处。由于当时技术的原因，K8构架最重要的软肋就是－没有间接分支预测器。 进化到K8L构架时代，AMD在Barcelona中增加了一个512路的间接分支预测器，它的作用是预测间接数据。间接数据是指处理器需要动用到内存里的数据，这是一个相当大的数据量。相对直接分支预测器给予CPU一个精准的地址，间接分支预测器给予了CPU大量的内存中所可能使用的数据。
INTEL在Pentium M构架中首次加入了间接分支预测器，INTEL的思路是尽一切可能缩小预测数据的范围，从而最大可能的提升CPU运算效率和降低无意义的能耗。NetBurst构架的Prescott芯片中同样也加入了间接分支预测器，这对于超长流水线操作的NetBurst构架是十分有益的。Prescott芯片加入间接分支预测器后，其整体预测错误率降低了12%，最高在253.perlbmk专项性能中降低了55%的错误率。AMD与INTEL的分支预测算法不同，但可以肯定的是：间接分支预测器带给Barcelona芯片的性能提高也是相当的。 Barcelona不仅仅加入了新的间接分支预测器，它的返数据存储器也扩大了两倍。当一条编码需要动用到许多子程序时，CPU的返数据存储器就可能超载从而无法满足所有的分支预测任务，AMD此次将返数据存储器扩大了一倍，对性能的提升是十分有益处的。在AMD新返数据存储器的软件招标中，有大量的软件公司参与投标。 在分支预测器技术上，AMD还有一项传统的改进-记录更多的历史预测结果。借鉴历史结果，这是一种显而易见的提升正确率的方法。越多的历史预测结果记录，就越能完整的提供此次的结果范围。相比K8构架最初采用的130纳米工艺，K8L构架采用了更精细的65纳米技术，使得K8L构架拥有了两倍于K8构架的预测结果记录器容量。 五、伐指令优化器、乱序执行、SSE4等新特性 INTEL在Pentium M构架之初引入了一项新技术-伐指令处理器，伐处理器专门处理所有的X86伐操作例如PUSH、POP、CALL、RETURN等。伐处理器将这些伐数据集中处理而无需其他执行单元参与，这尤其简化了CPU整数执行单元的工作，加快了整数执行单元的处理速度。
AMD在Barcelona中也引入了类似的技术，AMD称之为伐指令优化器。有了伐指令优化器，处理器中的伐指令不再需要经过3路编码，也不再由整数执行单元处理，这加快了伐指令的处理速度，也同时加快了整数执行单元的处理速度。 当对比Athlon64和Core 2 的构架图后，我们就容易理解为什么同频率下CORE构架在以SSE数据为主的应用程序中表现的比Athlon64出色。但在3D图形应用方面又如何解释呢？难道CORE构架的大容量L2缓存和先进的预测技术使得CORE构架打败了内置内存控制器的K8构架？ CORE构架中一个重要改进是OOOE乱序执行：当装载指令队列发生等待时，处理器可以将队列后方处于等待的指令优先装载并执行，而不是一直等待到堵塞结束。平均而言，约30%的指令会发生一定时间的堵塞，这一乱序执行模式的引入，使新构架CPU性能有了明显的提高。AMD的K8构架并不支持OOOE乱序执行指令，所以即使K8构架有优秀的内置内存控制器，也依然被对手的CORE构架击败。正视这一技术上的落后，AMD在K8L构架的首款芯片Barcelona上及时改进为OOOE技术，这一改进必将为K8L构架的性能带来极大的提高。
Barcelona将可以乱序执行指令，同样也可以在前一指令尚未处理完成时，装载并用空载单元处理下一指令，即使这两条指令需要读取不同的内存地址。Barcelona拥有3个地址生成单元，可以完成3个寄存指令每周期，而CORE构架每周期只能执行1次-K8L构架的寄存速度要比CORE构架强大3倍。 K8L构架中加入了新的SSE4指令扩展：SSEEXTRQ/INSERTQ指令和MOVNTSD/MOVNTSS指令。前者可以将多条指令合并为一条指令执行，后者用来计算流量寄存指令。INTEL也会将在稍候发布的Penryn处理器中加入。 六、内存控制器与预取器 当年当AMD将内存控制器集成至CPU内部时，我们看到了崭新而强大的K8构架。如今，Barcelona的内存控制器在设计上将又一次极大的改进其内存性能。 Intel已经运用在XEON处理器上的FB-DIMM内存构架可以同时执行读和写两项任务。而在DDR2内存中，处理器只能选择读或者写。DDR2内存在切换两种任务之间会浪费大量的性能和时间。在K8构架中，AMD采用优先处理简洁的读指令的方法来避免减少等待时间，而在K8L构架中，AMD采用了更智能的方案。零碎的写指令产生后，暂时集中寄存在缓存中，当写指令积累到一定数量后，内存将一次性集中处理这些指令，这将提高内存50%的读写效率。
K8构架的内存控制器是128位的，而在K8L构架中，AMD将其划分为2个64位控制器，两个控制器可以独立运行，这将使处理器执行多任务能力有一定提高。K8L将可以支持DDR3内存和FB-DIMM标准，同时还将升级为Hyper-Transport 3，不过DDR3内存的引入对于K8L构架CPU性能的提升是有十分有限的。与显卡领域强势的GDDR3显存不同，DDR3内存带给K8L构架处理器的性能提升并不显著。 内存控制器的预取功能是运用相当广泛、十分重要的一项功能。预取可以减少内存延迟对整体性能的负面影响。当NVIDIA发布nForce2主板时，重点介绍的就是nForce2芯片组的128位智能预取功能。INTEL在发布Core 2处理器之时也强调了CORE构架每核心拥有三个预取单元。
K8构架中每个核心设计有2个预取器，一个是指令预取器，另一个是数据预取器。K8L构架的Barcelona保持了2个的数量，但在性能上有了较大的改进。一个明显的改进是数据预取器直接将数据寄存入L1缓存中，相比K8构架中寄存入L2缓存的做法，新的数据预取器准确率更高，速度更快，内存性能及CPU整体性能将得益于此。 七、32路L3缓存首次进入桌面CPU AMD的CPU构架一直在缓存容量上落后于INTEL，因为工艺技术上的差异，AMD没有选择与INTEL在工艺上攀比，而一直在其它方面创造新意。CPU整合内存控制器就是一项杰作，拥有整合内存控制器的K8构架仅依靠512KB的L2缓存就能够击败当时的对手-Pentium 4。直到现在的Athlon 64 X2也依然保持着INTEL2002年就已过时的512KB。
现在Core 2已经拥有了4MB的L2缓存，看来INTEL和AMD之间的缓存差距还将保持，因为Barcelona的L2缓存依然是512KB。相比之下，INTEL四核的Kentsfield芯片拥有8MB的L2缓存，而2007年末上市的新型Penryn芯片将拥有12MB的L2缓存。 Barcelona的缓存体系和K8构架有一定的相似之处，它的四颗核心各拥有64KB的L1缓存和512KB的L2缓存。从简化芯片设计的角度来看，四核心共享巨大的L2缓存对K8L构架而言并不合适，所以AMD引入了L3缓存，得益于65纳米工艺，Barcelona在一颗晶圆上集成四颗核心外，还集成了一块2MB容量的L3缓存。也就是说L3缓存与4颗内核同样原生于一块晶圆，其容量为最小2M起跳。同L2缓存一样，L3缓存也是独立的，L1缓存的数据和L3缓存的数据将不会重复。
Barcelona的缓存工作原理是：L2缓存是作为L1缓存的备用空间。L1缓存储存着CPU当前最需要的数据，而当空间不足时，一些不是最重要的数据就转移到L2缓存中。而当未来再次需要时，则从L2缓存中再次转移到L1缓存中。新加入的L3缓存延续了L2缓存的角色，四颗核心的L2缓存将溢出的数据暂时寄存在L3缓存中。 L1缓存和L2缓存依然分别是2路和16路，L3缓存则是32路。快速的32路L3缓存不仅可以更好的满足多任务并行，而且对单任务的执行也有着较大积极作用。尤其在3D运用方面，2MB的L3缓存将对性能产生极大的推进作用。 八、智能功耗控制-核心及北桥独立供电 Barcelona比较突出的一点是它的功耗控制的十分出色。它的四颗核心与北桥采用了各自独立的供电单元控制，电压在0.8V - 1.4V之间。AMD称之为“动态独立电源管理”，K8L构架芯片的每一个核心都拥有独立的PLL，这可以使得四颗核心根据需要智能的降低各自的电压。Barcelona芯片不仅会根据系统负载来智能的分配各核心分担任务，还可以在单独核心处于空闲状态的时候将其转入完全休眠状态，从而大幅节省功耗。换句话说，当用户只运行双路任务时，Barcelona就只开启两颗核心，从而达到省电的目的。而当电脑处于多任务同时执行时，Barcelona就自动开启所有核心。按照大多数人的使用来看，四核心应该足够满足用户对电脑性能的需求。笔者使用的电脑现在正同时运行着卡巴斯基、DREAMWEAVER、PHOTOSHOP、IE7.0、MSN、WORD、EXCEL、SQL SERVER等多种软件，感觉双核CPU依然有些力不从心。。。
当Barcelona的内存控制器任务较少时，它可以迅速将电压降低。而在K8构架中，因为核心与北桥采用的是同一个供电单元控制，所以不能单独的将北桥降低电压。降低北桥电压对于控制CPU整体发热有着重要的作用。
四颗核心采用的是同一供电单元，但每个核心拥有自己的逻辑电路，它们可以按照需要各自运行在不同的时钟频率上。这种最新的省电功能是通过CPU硬件实现的，所以不再需要麻烦用户安装任何驱动或者软件才能实现。新的技术以及65纳米工艺，使得四核心的Barcelona芯片功耗保持在当前K8构架芯片的电耗水平。AMD四年磨一剑的成果不会让用户失望。
九、告别K8构架 AMD三巨头引领新时代 著名科技作家麦克·马龙说：在所有的高科技故事中，AMD的故事是最可怕、最英勇的，它年复一年，日复一日，顽强地挑战着这个星球上最成功、最著名、最具竞争力的芯片公司之一。AMD在桑德斯领导下几经沉浮，以其出色的能力把AMD从一个办公室设在卧室里的小公司发展成为销售额超过129亿美元的超级跨国集团。
AMD首颗采用Barcelona核心的旗舰级四核心处理器“Agena”的主频将在2.4GHz和2.6GHz之间，四个2.6GHz的新核心共享一个2MB的L3缓存的同时，其TDP功耗仅为125W。面向桌面市场的K8L构架处理器被命名为 Kuma，与Agena类似-Kuma的每个核心拥有512KB L2缓存，同时四个核心其享一个 2MB的 L3缓存，其首发型号主频在2GHz至2.9GHz之间，TDP功耗为65W至89W。此外AMD还计划发布TDP仅为35W的Energy Efficient版Kuma。在入门级市场方面，AMD将使用“Rana”来争夺市场，Rana 是Kuma的简化版，它没有L3缓存，主频在2.1GHz至2.3GHz之间。 Agena和Kuma将在今年夏季上市，Rana和低功耗版的Kuma将在秋冬季上市。 前进是历史车轮的必然方向，Pentium 4在欢呼声中取代Pentium 3，4年后CORE构架又卷土重来替代饱受非议的NetBurst构架。是非成败转头空,青山依旧在,几度夕阳红。或许十年河东十年河西的情况暂时不会发生在稳步前进的AMD身上，但出于技术角度的考虑，AMD目前的确也开始计划向多构架并行发展。公司现任CTO Phil Hester谈及AMD的架构时提到，不同构架为笔记本、台式机和服务器所作的优化是有差别的，AMD正在设计新的微架构，可以更加有效的支持x86指令集，并根据不同的细分市场进行优化调整。所以，以后AMD也将提供三种微架构，分别适用于笔记本、台式机和服务器市场。回顾20年来INTEL和AMD带给世界的辉煌成就，我们有理由相信IT领域的未来将更加美好。
AMD大事录
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2007-03-12 11:20
出处：PConline
责任编辑：liyan
