主流雙核微處理器技術(shù)分析及性能對比.doc

主流雙核微處理器技術(shù)分析及性能對比陳豐 李宏量 孫瑜杰摘要：臺式機(jī)CPU技術(shù)發(fā)展到今天，雙核心乃至多核心技術(shù)已經(jīng)取代單純的高頻率大cache，成為處理器生產(chǎn)廠家用來吸引消費(fèi)者眼球的全新殺手锏本文對當(dāng)前主流的臺式機(jī)雙核CPU所采用的技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行全面的分析，力求對雙核技術(shù)有一個清晰的詮釋，并對市場上的雙核處理器與傳統(tǒng)單核處理器的性能進(jìn)行對比雙核心處理器到底是怎么回事？其相對于單核心處理器又有什么優(yōu)勢？雙核心處理器能帶來多大的性能提升呢？多核技術(shù)究竟是革命性的創(chuàng)新還是華而不實(shí)的噱頭，本文將進(jìn)行探討一、 引 言一直以來，處理器的頻率就像夜空中最耀眼的星星，吸引著人們的目光。在90年代，頻率對于處理器來說簡直就是性能的唯一標(biāo)尺，摩爾定律也讓處理器每一次頻率的攀升得到了人們眾多的喝彩。但是當(dāng)處理器的頻率進(jìn)入了“G”時代后，頻率對于處理器綜合性能的影響力開始減弱。這點(diǎn)從近兩年來處理器產(chǎn)品綜合性能的比拼中就可以看出來。例如AMD的低頻產(chǎn)品同樣可以擁有其標(biāo)稱值性能，Intel用于迅馳平臺的低頻移動處理器也能夠輕松擊敗其自家的高頻產(chǎn)品。Intel和AMD之所以推出雙核心處理器，最重要的原因是原有的普通單核心處理器的頻率難于提升，性能沒有質(zhì)的飛躍,頻率的攀升非但沒能引起人們以往對于處理器頻率的高度熱情，反而在功耗散熱、良品率以及成本的控制上給廠商帶來了眾多難題。由于頻率難于提升，Intel在發(fā)布3.8GHz的產(chǎn)品以后只得宣布停止4GHz的產(chǎn)品計(jì)劃；而AMD在實(shí)際頻率超過2GHz以后也無法大幅度提升，3GHz成為了AMD無法逾越的一道坎。過高的發(fā)熱量除了為夸張的散熱器開拓市場外，并不受到消費(fèi)者的普遍認(rèn)可。處理器的高性能不應(yīng)該以高功耗作為代價，至少，這樣的高性能解決方案“勝之不武”。但是歷史的腳步總是在前進(jìn)的，技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品改造一天也不會停息。正是在這種情況下，為了尋找新的賣點(diǎn)，Intel和AMD都不約而同地祭起了雙核心這面大旗。在高頻產(chǎn)品有“吃力不討好”嫌疑的情況下，雙核/多核技術(shù)似乎是目前提升處理器性能的另一種解決方案。在這一點(diǎn)上，AMD與Intel的看法是不謀而合的。這對在市場上惡斗了多年的老朋友對雙核處理器的市場真可謂是“高度重視”，雙方對雙核產(chǎn)品的發(fā)布日期都是一改再改。老大哥Intel或許真的意識到了“首發(fā)”的魅力（想當(dāng)年AMD首發(fā)桌面64位處理器的情景，確是贏得了不少的鮮花與掌聲），果斷地作出了提前發(fā)布其雙核產(chǎn)品的決定年4月18日，INTEL公司舉行了雙核心處理器發(fā)布會AMD公司也于當(dāng)月晚些時候發(fā)布了其雙核心微處理器產(chǎn)品和INTEL公司抗衡爭奪市場本文第二部分介紹PC機(jī)處理器發(fā)展的簡要?dú)v史,雙核心處理器出現(xiàn)的背景及雙核心與HT超線程技術(shù)的對比. 第三部分論述雙核心技術(shù)的細(xì)節(jié)和架構(gòu)第四部分通過對比主流雙核處理器和單核處理器性能,闡述雙核技術(shù)的優(yōu)勢和雙核心處理器能帶來的性能提升二、 對相關(guān)問題及技術(shù)的介紹2.1 個人計(jì)算機(jī)CPU發(fā)展簡介個人計(jì)算機(jī)的發(fā)展在最近20年幾乎是是以令人炫目的高速度進(jìn)行的 僅僅看離我們最近的一段時間，20世紀(jì)末21世紀(jì)初的這15年左右，從1990年開始，電腦的發(fā)展可以說是一日千里，尤其是電腦的核心部件-中央處理器在莫爾定律的規(guī)則下發(fā)展高速，可以說是一個奇跡。15年前你有沒有想過在線播放流媒體，實(shí)時的視頻交流，絢麗的3D游戲，緊張刺激的電子競技，同時運(yùn)行多個大型軟件？這在當(dāng)時幾乎是天方夜譚的事情，在如今都變成了現(xiàn)實(shí)。Intel的第一款CPU-4004，大約生產(chǎn)于1971年，集成2300個晶體管，工作電壓12v，具有640字節(jié)的內(nèi)存尋址能力。由于發(fā)熱量極低，工作時根本不需要散熱器從1993年至今，CPU的頻率提升了多少？1993年，Pentium 60的主頻為60MHz，而現(xiàn)在的Pentium 4 670的主頻達(dá)到了3800MHz，整整提升了63倍。內(nèi)存的容量也是，如今隨便找一個入門級的電腦，其內(nèi)存的容量都要超過當(dāng)年電腦硬盤的容量。從CPU到內(nèi)存，頻率升高了，容量變大了，但是整機(jī)的性能有多大的提升？給大家舉一個例子，1993年的時候，想要把一張CD壓縮成MP3格式需要5個小時的時間，而如今只需要5分鐘還有什么能說明CPU的發(fā)展速度呢？再給大家舉一個例子，Intel于1971年生產(chǎn)的4004僅僅集成2300個晶體管，而現(xiàn)在的Pentium Extreme Edition 840集成了23億個晶體管，晶體管的數(shù)量整整增長了10萬倍。工作電壓也由最一開始的12v一路直線下降到12v左右。2.2單核心處理器的功耗和發(fā)熱量兩大問題自戈登摩爾在1965年提出每隔1824個月單位面積的晶體管數(shù)量倍增的摩爾定律之后，每一次的處理器研發(fā)，都憑借著每兩三年一次的制程提升，得以在一定的晶圓面積下，用更多的晶體管來設(shè)計(jì)新一代的核心架構(gòu)，借由新架構(gòu)以及時鐘頻率提升效應(yīng)，來達(dá)到更高的性能。隨著頻率的不斷提升，CPU的發(fā)熱量也是與日俱增，下圖是1993年至今CPU功耗的曲線圖，從最易開始的20w不到增加到了如今的130w以上CPU頻率的提升似乎還沒有到盡頭，目前玩家通過超頻等手段獲得的的CPU主頻世界紀(jì)錄已經(jīng)超過了7GHz，不過這是用極其變態(tài)的散熱方式達(dá)到的。這么看來頻率似乎不是制約CPU發(fā)展的因素，目前兩大CPU生產(chǎn)商要要應(yīng)對是如何在頻率提升的同時控制不斷升高的發(fā)熱量。Intel為什么臨時改變計(jì)劃，取消4GHz處理器的計(jì)劃，就是這個原因。從上圖中我們可以看出，2005年一枚Intel P4系列CPU的功率已經(jīng)達(dá)到了130W130W是個什么樣的概念?假設(shè)以現(xiàn)在普通的300W機(jī)箱電源為例，也就是說一枚小小的CPU已經(jīng)占去了整臺電腦的2/5多的功耗!而且如此巨大的功耗是消耗在只有指甲蓋大小的CPU核心上的，學(xué)過簡單物理的人都會想到這時產(chǎn)生的熱量會有多大這種情況下高發(fā)熱問題一直是CPU生產(chǎn)廠家和用戶最擔(dān)心的問題，如果風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，處理器燒毀只需一眨眼的功夫(網(wǎng)上流傳的CPU煎雞蛋圖片)如今頻率的提升似乎還看不見瓶頸，不過發(fā)熱量卻是廠商最頭疼的問題。因此，現(xiàn)在越來越多的用戶開始關(guān)心CPU單位功耗的性能。就目前來講，AMD公司在功耗的控制方面做得要超過Intel，而Intel公司在發(fā)熱及過熱保護(hù)方面要AMD公司做的更好.但無論對Intel還是對AMD公司來說,單純通過提高頻率來獲得高性能CPU已經(jīng)不再可能,這就引出了各種新技術(shù),本文所要論述的雙核技術(shù)便是其中很有代表性的技術(shù)之一.2.3超線程技術(shù)Hyper Treading Technology簡析在雙核心處理器出現(xiàn)之前，在服務(wù)器市場上已經(jīng)有使用多處理器方面的應(yīng)用，但需要特殊的主板支持，實(shí)現(xiàn)多路處理器的并行工作，但這種方式對于桌面型平臺來說，顯然是并不適合的，其成本費(fèi)用十分高昂。因此，Intel在桌面型平臺中在Pentium 4處理器中引入了Hyper Treading Technology超線程技術(shù)。超線程技術(shù)是利用特殊硬件指令，把多線程處理器內(nèi)部的兩個邏輯內(nèi)核模擬成兩個物理芯片，從而使單個處理器能享用線程級的并行計(jì)算的處理器技術(shù)。簡言之，就是將一個物理CPU模擬成兩個邏輯CPU，在操作系統(tǒng)任務(wù)管理器的性能選項(xiàng)卡中可以看到兩個CPU使用記錄。多線程技術(shù)可以在支持多線程的操作系統(tǒng)和軟件上，有效的增強(qiáng)處理器在多任務(wù)、多線程處理上的處理能力。超線程技術(shù)可以使操作系統(tǒng)或者應(yīng)用軟件的多個線程，同時運(yùn)行于一個超線程處理器上，其內(nèi)部的兩個邏輯處理器共享一組處理器執(zhí)行單元，并行完成加、乘、負(fù)載等操作，充分利用芯片的各個運(yùn)算單元。單線程芯片在某一時刻僅能對一條指令（單個線程）進(jìn)行處理，因而處理器內(nèi)部有許多處理單元閑置。超線程技術(shù)可以使處理器在某一時刻，同步并行處理多條指令和數(shù)據(jù)（多個線程）。因此，超線程是充分利用CPU內(nèi)部暫時閑置的處理資源的技術(shù)。當(dāng)處理器處理多個線程的時候，多線程處理器中的每個邏輯處理器均可單獨(dú)響應(yīng)中斷，一個邏輯處理器跟蹤一個線程時，另一個邏輯處理器也在跟蹤和處理另外一個軟件線程。為了避免CPU處理資源沖突，負(fù)責(zé)處理第二個線程的那個邏輯處理器，其使用的是僅是第一個線程運(yùn)行時暫時閑置的處理單元。例如：當(dāng)一個邏輯處理器在執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算（使用處理器的浮點(diǎn)運(yùn)算單元）時，另一個邏輯處理器執(zhí)行加法運(yùn)算（使用處理器的整數(shù)運(yùn)算單元）。這樣就大大提高了處理器內(nèi)部處理單元的利用率和相應(yīng)的數(shù)據(jù)、指令處吞吐能力。超線程技術(shù)的不足之處就是，當(dāng)運(yùn)行單任務(wù)處理時，多線程的優(yōu)勢無法表現(xiàn)出來，并且一旦打開超線程，處理器內(nèi)部緩存就會被劃分成幾個區(qū)域，互相共享內(nèi)部資源，從而造成單個子系統(tǒng)性能下降。而單個處理器內(nèi)集成兩個核心并且擁有獨(dú)立的緩存，這種方案的設(shè)計(jì)即可避免上述的問題。因此，雙核心的處理器就此應(yīng)運(yùn)而生。三、 對雙核心技術(shù)的介紹所謂雙核心處理器，簡單地說就是在一塊CPU基板上集成兩個處理器核心，并通過并行總線將各處理器核心連接起來。雙核心并不是一個新概念，而只是CMP(Chip Multi Processors，單芯片多處理器)中最基本、最簡單、最容易實(shí)現(xiàn)的一種類型。其實(shí)在RISC處理器領(lǐng)域，雙核心甚至多核心都早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。CMP最早是由美國斯坦福大學(xué)提出的，其思想是在一塊芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)SMP(Symmetrical Multi-Processing，對稱多處理)架構(gòu)，且并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。早在上個世紀(jì)末，惠普和IBM就已經(jīng)提出雙核處理器的可行性設(shè)計(jì)。IBM 在2001年就推出了基于雙核心的POWER4處理器，隨后是Sun和惠普公司，都先后推出了基于雙核架構(gòu)的UltraSPARC以及PA-RISC芯片，但此時雙核心處理器架構(gòu)還都是在高端的RISC領(lǐng)域，直到前不久Intel和AMD相繼推出自己的雙核心處理器，雙核心才真正走入了主流的X86領(lǐng)域。Intel目前的桌面平臺雙核心處理器代號為Smithfield，基本上可以簡單看作是把兩個Pentium 4所采用的Prescott核心整合在同一個處理器內(nèi)部，兩個核心共享前端總線，每個核心都擁有獨(dú)立的1MB二級緩存，兩個核心加起來一共擁有2MB，但這顯然與Pentium 4 6XX系列處理器的2MB緩存不同。但由于處理器中的兩個內(nèi)核都擁有獨(dú)立的緩存，因此必須保證每個物理內(nèi)核的緩存信息必須保持一致，否則就會出現(xiàn)運(yùn)算錯誤。例如在系統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)記錄著A1；如果第一個處理器內(nèi)核對此數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行讀寫操作，并且改寫為A0，那么第二個處理器內(nèi)核的緩存也必須進(jìn)行更新，把A更新為0，否則的話，在以后的操作中數(shù)據(jù)就會出錯。這樣一個過程就是緩存數(shù)據(jù)的一致性，也就是說雙核心處理器需要“仲裁器”來作協(xié)調(diào)。針對這個問題，Intel將這個協(xié)調(diào)工作交給了北橋芯片(MCH或GMCH)：兩個核心需要同步更新處理器內(nèi)緩存的數(shù)據(jù)時，需要通過前端總線再通過北橋作更新。雖然緩存的數(shù)據(jù)并不巨大，但由于需要通過北橋作出處理，無疑會帶來一定的延遲，核心之間的通信就會變得緩慢，這將大大影響處理器性能的發(fā)揮。 (Intel超線程和雙核心技術(shù)對比示意圖)物理雙核心與Hyper-Threading不同的是，物理雙核心從規(guī)格上比較無疑占有性能上的優(yōu)勢。超線程是同時多線程技術(shù)(SMT)的一種，這種技術(shù)可經(jīng)由復(fù)制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個處理器上的多個線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源。以上圖形說明超線程與多重處理器的差異性。下面的組態(tài)顯示采用雙核心技術(shù)的處理器系統(tǒng)。每個處理器核心都有其各自獨(dú)立的執(zhí)行資源及結(jié)構(gòu)狀態(tài)。上面的組態(tài)則表示配有超線程技術(shù)的處理器，處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)都被復(fù)制，但他們?nèi)怨餐褂靡唤M執(zhí)行資源。由于物理雙核心的實(shí)際狀況基本和雙處理器的情況相同，因此和超線程單處理器相比，理論上有雙倍的執(zhí)行資源，較為繁重的多任務(wù)下性能將會得到有效改善。AMD的技術(shù)架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)雙核和多核奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。AMD直連架構(gòu)（也就是通過超傳輸技術(shù)，讓CPU內(nèi)核直接跟外部I/O相連，而不必不通過前端總線）和集成內(nèi)存控制器技術(shù)，使得每個內(nèi)核都有自己的高速緩存可資調(diào)用，都有自己的專用車道直通I/O，沒有資源爭搶的問題，實(shí)現(xiàn)雙核和多核更容易.AMD目前的桌面平臺雙核心處理器代號為Toledo和Manchester，基本上可以簡單看作是把兩個Athlon 64所采用的Venice核心整合在同一個處理器內(nèi)部，每個核心都擁有獨(dú)立的512KB或1MB二級緩存，兩個核心共享Hyper Transport，從架構(gòu)上來說相對于目前的Athlon 64架構(gòu)并沒有任何改變。但與Intel的雙核心處理器不同的是，由于AMD的Athlon 64處理器內(nèi)部整和了內(nèi)存控制器，而且在當(dāng)初Athlon 64設(shè)計(jì)時就為雙核心做了考慮，但是仍然需要仲裁器來保證其緩存數(shù)據(jù)的一致性。AMD在此采用了SRQ(System Request Queue，系統(tǒng)請求隊(duì)列)技術(shù)，在工作的時候每一個核心都將其請求放在SRQ中，當(dāng)獲得資源之后請求將會被送往相應(yīng)的執(zhí)行核心，所以其緩存數(shù)據(jù)的一致性不需要通過北橋芯片，直接在處理器內(nèi)部就可以完成。與Intel的雙核心處理器相比，其優(yōu)點(diǎn)是緩存數(shù)據(jù)延遲得以大大降低。由于AMD雙核心處理器的仲裁器是在CPU內(nèi)部而不是在北橋芯片上，所以在主板芯片組的選擇上要比Intel雙核心處理器要寬松得多，甚至可以說與主板芯片組無關(guān)。四、 對雙/單核心處理器性能評測及比較在操作系統(tǒng)看來,雙核心處理器是實(shí)實(shí)在在的雙處理器，可以同時執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)。理論上說，雙內(nèi)核處理器的性能幾乎比單內(nèi)核處理器高50%70%。 “相對AMD雙核復(fù)雜而相對高效的結(jié)構(gòu)，Intel的奔騰D雙核幾乎就是把兩個單核奔騰D簡單的封裝在一個基板上”- Intel工程師如是說。那么,究竟雙核心處理器是否能夠達(dá)到“1+1=2”呢？讓評測說話吧.測試平臺CPUIntel 奔騰D 820主板Intel原廠 945G顯卡945G顯卡硬盤WD 800JB內(nèi)存 Kingston 1G DDRII533 x2操作系統(tǒng) Windows XP Professinal with SP2測試軟件 Sisoft sandra 2005 sr3 Everest 3Dmark06 TMPGEnc CPUmark99 Super Pi 1.首先使用CPUmark99來進(jìn)行評測. 來看看I820運(yùn)行在雙核以及關(guān)閉雙核后的成績：開啟雙核心:164關(guān)閉雙核心:164不要懷疑你看錯了！沒錯，對于CPUmark99這樣不會利用雙CPU或者多CPU的程序來說，雙核心處理器同樣無法沾光，畢竟，雙核心處理器簡單的說，就是2塊CPU。同樣的情況出現(xiàn)在Pcmark和Super Pi中.通過觀察WindowsXP的任務(wù)管理器可以發(fā)現(xiàn)一個問題：左邊右邊兩個CPU使用記錄的波形是互補(bǔ)的，也就是說，CPU1使用的時候CPU2是休息的，或者說CPU1繁忙的時候CPU2相對空閑，反之亦然，也就是說，測試中是沒有完好利用雙核的功能的。而測試軟件全速運(yùn)行時CPU占用率也一直保持在50%左右,也就是說和使用一塊單核CPU并沒有很大區(qū)別.2.接下來使用Sisoft sandra軟件來進(jìn)行測試,需要說明的是該軟件對雙核支持較好. 從CPU算術(shù)運(yùn)算結(jié)果看來，Sisoft Sandra對雙CPU有過專門的設(shè)計(jì)，所以我們看到雙核狀態(tài)下ALU成績有15054分，ISSE有7102分；而單核情況下就分別只有7615分和3561分，基本上，雙核的成績正好是單核的一倍。而通過參考對比也可以看到，Intel奔騰D820的CPU算術(shù)效能不錯，分別有AMD Athlon64 x2 3800+的97.3和95.0。而內(nèi)存測試成績基本一樣，通過這點(diǎn)可以看出，內(nèi)存性能和單核雙核無關(guān)。3.TMPGEnc Plus是一個視頻音頻壓縮、轉(zhuǎn)換軟件，這類軟件往往由于專業(yè)性較強(qiáng)而較早的提供了對多處理器的支持，那么事實(shí)是否如此，請看實(shí)際測試結(jié)果從任務(wù)管理器的CPU使用記錄可以看到，TMPGEnc Plus基本上充分利用了雙核心處理器的能力，無論是CPU1還是CPU2的占用率都比較高，而且從實(shí)際花費(fèi)3分37秒的時間來看，雙核也確實(shí)帶來了相當(dāng)大的性能提升。同時開啟兩個TMPGEnc Plus測試把所有的CPU資源都給占了，無論是CPU1還是CPU2，都運(yùn)行在100的滿負(fù)荷狀態(tài)下。關(guān)閉雙核后，使用單核運(yùn)行同樣的TMPGEnc Plus測試，花費(fèi)了5分23秒的時間，是開啟雙核花費(fèi)時間的1.49倍！到了這里，我們也可以看到了，如果程序本身支持多CPU，那么使用雙核心處理器性能提升那是相當(dāng)相當(dāng)?shù)拿黠@的，超線程跟雙核，根本就不是一個級別的，沒可比性了。4.接下來是大家非常關(guān)心的游戲性能測試.在這里使用了3Dmark06這個軟件,雖然一度爆出該軟件對某品牌的顯示芯片作了優(yōu)化,不過應(yīng)該不會影響對CPU性能的評測.測試中使用的是相對性能較差的顯卡,更能體現(xiàn)出CPU的性能對整機(jī)的影響:測試結(jié)果肯定讓玩家失望了, 在3DMark06測試中，單/雙核心處理器的成績基本一致，差距基本可以忽略。頻率接近的I820和P4 670的成績基本相當(dāng)，雙核沒有優(yōu)勢，在低分辨率下，反而P4 670的成績有領(lǐng)先的情況出現(xiàn)。五、 小 結(jié)從測試結(jié)果可以看出，如果你問我雙核比單核來說是不是性能有提高，那么我回答你是有提高的；如果你問我雙核處理器對你