变革进行时全面解析英特尔新架构

01-18

“峰回路转疑无路，柳暗花明又一村”。当在频率上遇到瓶颈时，英特尔选择了用双核的方式来继续维持处理器性能上的增长，尽管仓促上阵的Pentium D备受争议，但是英特尔还是抢到了“双核”的先机；当然事后英特尔并没有闲着，这位半导体业的大佬其实很明白，如果拿不出更先进的性能增长方案，自己在市场上将更加被动。
冰冻三尺非一日之寒，凭借着在半导体领域多年的积累，英特尔在今年三月份的IDF上宣布在下一代处理器中将放弃现在的“NetBurst”架构而转向新的“Core”架构，如果说上次变革英特尔是被动接受的话，那么这次很显然是“未雨绸缪”。本文的主角也正是将在今年下半年登场的“Core”……
一、精简流水线长度，增加解码器单元
与NetBurst架构相比，Core架构最明显的变化就是处理器中流水线级数(长度)大大减少。长期以来，英特尔处理器一直备受“高频低能”的困挠—长流水线可以很容易达到更高的工作频率，但是性能增长却远没有跟频率成正比；而且，提高频率的同时还有一个非常头痛的副产品—功耗(TDP)。
此次英特尔在Core架构中大胆放弃了NetBurst架构的思路，只使用了14级流水线。这种改进使以后频率的提升变得相对困难了一些，但对实际性能来说却有莫大的帮助—流水线长度降低以后，低频率、低功耗和高性能可以兼得。
多年以前，AMD曾经在K5处理器上尝试过使用四组指令解码器，但是没有成功；以后很长的一段时间里，Intel和 AMD都沿用了三组指令解码器的设计。
英特尔在NetBurst架构中试图通过导入Trace Cache存放编码后的微指令，并替代高性能复数指令编码器，但是收效甚微。此次在Core架构中重新回归四组指令编码器的设计，更多的指令解码器理论上意味着更高的性能；但是要把这种优势变成实际的效果并不容易，不过从目前已经公布的测试结果来看英特尔做得不错。
二、对双核心的优化设计 英特尔现在的桌面级双核心处理器是Pentium D，但是这款产品及其衍生的服务器版本（Dempsey）都是仓促之作。具体表现为它们没有L2缓存的共享机制，两个核心之间的通讯甚至还需要通过前端总线(FSB)中转，这样会严重限制双核处理器之间的协作应用。
Yonah是英特尔第一个真正意义上从头开始的双核心处理器，两个核心可以共享L2缓存；但作为一款针对移动平台的产品，新特性带来的好处并没有完全体现出来*。
*注释：共享L2缓存的真正好处是能够大大减少缓存一致性监听所带来的性能下降—但是这种性能下降对于工作站和服务器平台来说是非常严重的问题，而对于桌面和移动平台来说就不那么明显了。

Yonah、Woodcrest（Core）与Dempsey处理器的结构对比。Core继承了Yonah的双核心设计方式—共享L2缓存和系统总线接口，同时增加了L1缓存之间的通讯；不过Core的内部带宽更接近Dempsey，片上缓存的带宽远远超过Yonah，同时系统总线的带宽也有大幅提升 Core架构延续了Yonah的这一特性，因此服务器版本(Woodcrest)将比前代产品（Dempsey）提供更好的性能。此外，英特尔方面多次提到Core架构还可能实现在L1缓存之间直接传输数据，不过到目前为止英特尔对此并没有透露更多的细节，但我们可以相信如果这是真的话，Core的性能无疑会再提升一个档次。

三、指令融合和分支预测体系 此次英特尔从NetBurst架构到Core架构的转型，还有一项非常明显的改进。那就是x86指令的融合，它可以说是Core架构独有的特性之一(图3)。
在处理器内部，x86指令被称为Macro-ops，而内部指令被称为uops，而Macro-ops融合可以将两个Macro-ops融合成一个uops。举个例子来说，我们可以把x86 Compare(比较)指令与x86 Jump(跳转)指令融合在一起，生成一条单独的uops(比较并跳转指令)。在Core中每个解码器都可以完成这样的优化工作，但是每周期内最多只能有一个解码器完成这样的融合，所以最大指令解码带宽是每周期4 1个x86指令。

对比英特尔不同架构中的提取指令/译码单元，可以看到Core要比Yonah和Pentium 4更加复杂这种融合的好处是显而易见的：首先，融合之后需要执行的指令变少了，这等于直接提高了处理器的执行性能；其次，乱序执行可以因此变得更有效率，因为融合的过程实际上就是让指令窗口检查更多的程序代码，更大限度地发现指令之间的并行性，从而提高处理器的执行效率。不过颇具讽刺意味的是，从某种程度上来看这种x86指令的融合机制使得x86处理器更加RISC(简单指令集)化而不是CISC(复杂指令集)化。
为了降低长流水线带来的负面影响，英特尔曾经在NetBurst架构的分支预测上花费了相当大的精力，其分支预测的错误率号称比上一代架构下降了33%以上，而Core架构的分支预测能力在NetBurst的基础上又有进步。
在新架构中，英特尔不仅保留了上一代架构的跳转目标缓冲区、跳转地址计算器以及返回地址堆栈，而且还采用两种新的预测算法—“循环探测”能够正确探测(程序的)循环退出，而“间接分支预测”可以基于全局的历史信息获取(预测)正确的目标地址。除此之外，Core架构还引入了其它的一些新特性，例如在原先的架构中，跳转命令总会引入一个周期的流水线空置，但是在Core架构中引入了一个用于存储跳转发生位置的队列，大部分的流水线空置都将被消除。诸多新特性的引入，使得Core的分支预测能力空前强大，从性能上来说无异于如虎添翼。