“芯”光灿烂——CPU技术回顾与展望

李庆丰
1999年 第31期 20版

    近一年来，CPU的发展达到了一个前所未有的速度，在主频上实现了从350MHz到600MHz的飞跃，CPU指令集也得到极大的丰富，以往看来有些夸张的摩尔定律现在看来反而有点保守了。在这世纪交替之际，让我们一起来看一看CPU技术的过去、现在和未来。 
#1    回顾篇
    去年4月，Intel为了占领低端市场，推出了一种廉价CPU——Celeron（中文名赛扬）。赛扬采用与PentiumⅡ相同的SEC（单边接触盒）封装方式，但是去掉了电路板上的L2 Cache，大大降低了生产成本。由于赛扬没有L2 Cache，性能大打折扣，整数性能甚至赶不上PentiumMMX。
    去年5月28日，AMD发布了K6－2（如^312001a^），依靠其3DNow！技术来挑战Intel的PentiumⅡ。3DNow！技术的最大突破在于它开创了CPU 3D指令集的先河，通过21组新增指令来支持SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据）浮点运算和整数运算，并通过一条新的“Prefetch”指令解决了MMX指令与FPU指令切换过于频繁的问题，从而大大提高了指令的执行效率，每个时钟周期最多可执行四条浮点运算指令。在制造工艺上K6－2由0.35μm提高到了0.25μm，并且采用了全新的半导体封装技术，使得CPU的芯片尺寸由K6的168mm2缩小到了68mm2，而晶体管数量却没有减少，反而增加了50万个。制造工艺的提高使得K6－2 CPU的核心电压由原来的2.9V降到了2.2V，工作频率也迅速提高到了350MHz以上。
    面对AMD K6－2的冲击，Intel于去年夏天推出了一种代号为Mendocino的新型赛扬CPU，通过在CPU芯片内集成128K与CPU同步运行的L2 Cache，使得CPU的性能较老赛扬提高了30％，整体性能不输给同频率的PentiumⅡ多少。新赛扬的性能之所以能有这样翻天覆地的变化，集成于片内（On－Die）的128K Cache起到了至关重要的作用，这种技术在此后的K6－Ⅲ中也被采用。
　　进入1999年，为了进一步占领低端市场，降低CPU的生产成本，Intel放弃了Slot1，将赛扬CPU迁移到了Socket平台上，从而诞生了Socket370的赛扬（如^312001b^）。在性能上Socket370的赛扬与Slot1的赛扬没有差别，仅仅是接口不同。 
#1    现状篇
    目前市场上能够见到的高性能CPU的代表，无疑是Intel PentiumⅢ和AMD K6－Ⅲ。是什么原因使得这两种CPU如此出色？无疑，是先进的技术在发挥作用。
    我们先来看看PentiumⅢ的过人之处。PentiumⅢ（如^312001c^）支持包含70条新指令的SSE（Streaming SIMD Extensions，数据流单指令多数据扩展）指令集（原来称作MMX2或KNI），以更高的核心频率运行（目前已达到600MHz以上）。SSE指令集包括浮点数据类型的SIMD指令，而浮点运算能力的强弱决定了3D处理能力，所以利用SIMD浮点指令能够大幅提高3D的性能。SSE可以说是将Intel的MMX及AMD的3DNow！技术相结合的产物，当初MMX的诞生是为了加快多媒体应用程序的运行速度，但事实上，MMX只有整数运算指令，在常见的整数运算密集的多媒体应用中，MMX技术确实可以提高这些应用的性能，而对于浮点运算密集的3D图形处理、语音识别、数字信号处理、3D环绕音效等应用，MMX就有些力不从心，难以胜任了。AMD的3DNow！技术便是针对MMX指令集的不足，添加了SIMD单精度浮点运算指令，重点突出了3D的概念，终于一炮打响，取得了成功。SSE指令集与K6－2的3DNow！指令集类似，这些新指令将大大提升CPU芯片对3D应用程序的处理能力。与3DNow！相比，SSE推出晚了大半年，所以面对拥有了大量用户的3DNow！，SSE能不能得到市场的承认还有待观察。但是SSE比3DNow！更强大，所以今后的软件可能会同时支持这两组3D指令集。
    SSE之所以被认为会比3DNow！强大，并不仅仅是因为它的开发者是Intel，也不是因为它的指令数目多于3DNow！。首先，由于3DNow！使用的是浮点寄存器方式，从而无法较好地同步进行正常的浮点运算；而SSE使用了分离的寄存器方式，从而可以全速同步运行，保证了与浮点运算的并行性。其次，二者所使用的寄存器也不是一个等级：3DNow！是64位，而SSE是128位，比3DNow！宽了一倍。此外SSE还有一个新的特性——“内存流”，它和3DNow！的Prefetch指令十分相似，作用是在数据被使用之前把它们装载到L1 Cache。它们的不同之处在于PentiumⅢ芯片有数个Prefetch指令，不只是从L1 Cache中取得缓存数据，还可以从所有Cache中选择缓存数据，因此SSE将比3DNow！快。
    面对Intel新产品的威胁，AMD在PentiumⅢ面世之前抢先发布了K6－Ⅲ处理器（如^312001d^）。在此前的各种测试中，K6－Ⅲ的样品表现出了非凡的整数性能，在权威测试软件Winstone99中，K6－Ⅲ的得分超过了同频的PentiumⅡ甚至PentiumⅢ，令人刮目相看。是什么原因让K6－Ⅲ如此强大？秘密就在于K6－Ⅲ芯片内集成的256K全速L2 Cache。K6－Ⅲ依然基于K6－2的CXT核心（即K6－2 380和400的较新核心，支持6倍频），但与K6－2的最大不同之处在于K6－Ⅲ内部集成了256K的L2 Cache！虽然这对于Intel的CPU来说已经不是什么新东西，从Pentium Pro开始已经采用过了，但AMD家族的CPU却是首次在内部加入L2 Cache，可谓意义重大。因为在过去很长一段时间里，AMD系列CPU的L2 Cache都放在主板上，其运行速度只能同步于主板的外部总线频率，一般在66MHz到100MHz之间，而目前的CPU的核心频率早已经高达400MHz以上，这就造成了严重的性能瓶颈，使得提高CPU内频的作用变得越来越小。K6－Ⅲ芯片中的L2 Cache虽是首次加入，但优势很明显：K6－Ⅲ中的L2 Cache是与CPU同步运行的，即对于K6－Ⅲ 400MHz来说，其L2 Cache同样运行在400MHz上，而L2 Cache的速度还将会随CPU核心频率的提高而提高。大家一定清楚新赛扬的性能，虽然它的L2 Cache的容量只有PentiumⅡ的1/4，但由于PentiumⅡ的L2 Cache运行频率为CPU核心频率的一半，实际表现并不比新赛扬强多少，这就是全速L2 Cache的功劳。同样刚发布的Pentium Ⅲ也有512K的L2 Cache，比K6－Ⅲ多一倍，但由于它的L2 Cache速度较慢，所以其整数性能反而不如K6－Ⅲ。
    既然K6－Ⅲ内部加入了L2 Cache，那么原来主板上集成的L2 Cache如何处理？K6－Ⅲ的解决办法是使用TriLevel Cache（三级高速缓存）技术，可以自动把主板上的L2 Cache当作L3 Cache来使用。这一技术使K6－Ⅲ可以在某一个确定的Cache层次（如L1或L2）中同时读和写，而且可以同一时间访问所有层次（L1、L2和L3）的Cache。这将使得K6－Ⅲ拥有总容量高达2368K的三个不同速度层次的Cache，应用程序重复使用的数据越多，从Cache中的得到的性能提升就越明显，K6－Ⅲ与其它CPU之间的性能差别就越大。
    今年7月底，AMD正式发布了其最新的CPU产品Athlon（旧称K7）。Athlon（如^312001e^）不使用现有的Slot1、Socket7或Socket370接口，而是采用了类似Slot1结构的SlotA架构，但是与Slot1的电气特性、线路构造完全不同。这种架构对我们来说是完全陌生的，它又具有什么优势呢？首先，也是最惊人的，是这种总线可以运行在400MHz的频率上（Athlon目前仅使用200MHz的总线频率）！目前Intel连133MHz的外部总线频率都尚未正式支持。其次，这种架构可以使用高速度的RDRAM或DDR SDRAM（速度可达到同频SDRAM的两倍）。最后，这种架构可以支持SMP（对称多处理器），支持多CPU。
    抛开总线上的优势不谈，AMD Athlon本身的优秀设计同样令人心动。首先，Athlon具有128K的L1 Cache，是PentiumⅡ的4倍，K6－2的2倍。L1 Cache容纳着程序最频繁使用的一些数据，L1 Cache越大，CPU读写这些数据的速度就越快，从而获得更高的性能；其次，Athlon可以在CPU内集成512K～8M的L2 Cache，运行速度可与CPU核心频率相同，也可以为CPU频率的1/2或1/3，这要看应用程序的需要和市场的定位而定；再次，Athlon内部拥有三条并行的浮点运算通道，再配以AMD的拿手好戏3DNow！，使得Athlon的浮点运算第一次真正走在了Intel的前面；最后，Athlon还是AMD第一个具有SMP能力的桌面系统CPU，用户将能够用Athlon构造双处理器甚至四处理器系统，在高档工作站、服务器系统中将会大显身手。这一点还有一个特殊的意义：AMD从此不再仅仅扮演廉价产品供应者的角色，Athlon的诞生使AMD形成了完整的高、中、低档产品系列。
    以上出色的设计使得Athlon性能超群，在测试中Athlon的整数性能比同频率的PentiumⅢ略胜一筹，而在AMD一直头痛的浮点性能上，Athlon打了一个翻身仗：测试结果表明Athlon的浮点性能超出同频PentiumⅢ15％以上！ 
#1    展望篇
    面对AMD的挑战，Intel自然不甘落后，让我们来看看Intel手中还有哪些武器：
    代号Coppermine的改进型PentiumⅢ：采用0.18μm工艺制造，片内集成256K全速Cache，正式支持133MHz总线频率，使用Direct RDRAM。由于制造工艺的改善，Williamette的核心频率将达到800MHz以上，这种CPU将于今年底配合Intel 820芯片组面世。
    Merced：这是Intel的超级武器，预期浮点性能将是Pentium Pro的20倍，核心频率在600MHz以上， 采用0.18μm工艺制造，是第一款EPIC架构的处理器，预定2000年中期发布。谈到Merced，我们就不得不提到Intel引以自豪的EPIC：EPIC是“显式并行指令计算”的简称，它最重要的思想就是“并行处理”。目前的处理器必须动态分析代码，以判断最佳执行路径。而采用并行技术后，EPIC处理器可让编译器提前完成代码的排序，我们称之为“显式并行”——代码已明确排布好了，直接执行便可。正因如此，EPIC处理器必须能并行处理大量数据。这种处理器需要采用多个指令管道，一般还需要大量的寄存器、很宽的数据通路以及其他专门技术（如数据预装载等），确保代码能顺利执行，避免由处理器造成瓶颈。显然，EPIC最大的一个优点就是它的执行效率，尽管执行效率在很大程度上取决于编译器，但EPIC处理器无论何时都能充分发挥自己的能力，完成有意义的运算。此外，由于采用了指令断定、数据预装以及显式并行技术，显著减少了分支预测的错误，因为大多数代码都在执行前已组织好了。
    我们再来看看目前处境艰难的Cyrix：随着美国国家半导体退出微处理器行业，并出售了Cyrix，MⅡ似乎成了Cyrix CPU的绝唱，但实际上Cyrix并没有放弃，日前VIA（威盛）收购了Cyrix，使我们得以继续目睹Cyrix新产品的风采：代号为Jalapeno的MⅢ（暂定名称），运行在600MHz以上的核心频率上，采用全新设计的浮点运算单元（这一直是Cyrix的致命缺陷），内置3D图形加速功能，片内集成256K全速Cache，以0.18μm工艺制造。
    CPU的世纪大战即将在Intel、AMD、Cyrix之间展开，CPU的核心频率也将很快攀升至1GHz以上，到底谁能够笑到最后，让我们拭目以待。
    编后：CPU是一种技术含量非常高的电脑主要部件，只有不断地提高技术，才能保证CPU产品不被淘汰。在过去的一年中，Intel和AMD大打技术战，而Cyrix由于技术实力不足而几近倒闭，IDT也因创新不足而退出CPU的竞争，这正是优胜劣汰的结果。我们期待着各大CPU生产厂商推出更加优秀的处理器，期待着更多实用高效的设计思想，为下一世纪写下更多的辉煌。