深入探秘Pentium4 Hardsky 2001年 16期 编者按：关注处理器市场的朋友可能察觉到了英特尔和AMD之间的价格大战已经进入了白热化的阶段，与此同时，这两位业界巨人公布了它们2001年第一季度的盈利报告。一时间，Pentium4和Athlon的竞争让我们目不暇接。近来，还有非官方的消息说，支持SDRAM（i845A）和DDR SDRAM（i845B）的Pentium4芯片组i845将在今年第三季度出现。看来英特尔想要用Pentium4来回击AMD的强大攻势，为了更好地认识Pentium4，我们特地刊发了一些关于Pentium4的基准测试报道。 　　前一段时间Pentium4在光线跟踪（ray-tracing）、渲染（rendering）、指令编译（compiling）和几款DirectX游戏测试方面遭受到了Athlon 1.1GHz和1.2GHz的打击。另一方面，Pentium4在Quake3和视频编码方面的性能却表现得相当出色。如果只是简单地认为Pentium4仅仅是为了极高的时钟频率而设计的，这种认识未免也太简单了。当我们进行了关于AMD和英特尔处理器的一些深度基准检测后，我们相信你也会和我们一样为我们的发现感到震惊。 　　为了更好地理解Pentium4的系统架构，我们会对每一种CPU的四种重要子系统作检验和基准检测：高速缓存子系统、算术逻辑单元、分支预测子系统和浮点单元。 　　#1缓存带宽（Cache Bandwidth） 　　英特尔为了使处理器获得出色的性能，设计了更短的延迟时间和最大的带宽。Pentium4的L1-Cache（一级缓存）的延迟时间为2个时钟周期，L2-Cache（二级缓存）的延迟时间为7个时钟周期，容量为256KB。后者所能提供的带宽让人难以置信：核心频率为1.5GHz时，不少于48GB/s。我们用Cachemem（一款专门针对缓存的基准测试软件）做出的测试结果是：Pentium4 1.5GHz的L1-Cache所提供的带宽仅比Athlon 1.2GHz的L1-Cache高出1个百分点。Cachemem证实了双通道的L1-Cache在某些情况下一个时钟周期内可以传输两块数据，从而使Athlon的L1-Cache平均性能表现得更好。所以，英特尔虽然能够增加整个L1-Cache传输数据的带宽，却不能获得Athlon的双通道L1-Cache的数据传输率。 　　注意，英特尔256位的L2-Cache相对于Athlon的L2-Cache是相当出众的。相同主频的PentiumⅢ和Athlon的L2-Cache比较，前者所提供的带宽高出32%，但同时，在同一时钟频率标准下，Pentium4并没有使PentiumⅢ相形见绌。英特尔声称PentiumⅢ每2个时钟周期将数据传输到内核，而Pentium4只需要1个周期。这显然和上面的结果相矛盾。 　　英特尔有关人士的解释是这样的：“从数学的角度上讲很简单，Cachemem用MMX指令集中的MOVQ指令能够使每个指令读取或写入8个字节的数据（64位MMX寄存器），对于Pentium4 1.5GHz的情况，1500MB×8即12000MB。而用SSE指令集（XMM寄存器），每个指令能读取或写入16个字节的数据，当Pentium4能达到每个时钟周期执行128位指令，即充满整个通道，那么这时的带宽将达到24GB/s！从理论上讲，对于更广的256位数据线，L1-Cache和L2-Cache之间将达到48GB/s的数据传输带宽，但前提是必须使用SSE-2指令集来完成数据的传输，否则不会得到理论上的峰值。首先，目前绝大多数应用程序调用的指令是通过32位和64位的数据块来传输数据的，即使大多数重要的循环或多或少需要巨大的L1-Cache时，Athlon也可以通过双通道L1-Cache提供和Pentium4相差无几的带宽。然而，Pentium4通过SSE-2的优化后，至少能提供2倍的带宽，这也说明了SSE-2对于Pentium4的重要性。 　　从对Pentium4的高速缓存子系统做的测试来看，我们发现SSE-2指令集的优化作用很重要，没有了它，Pentium4与Pentium Ⅲ的性能相比除了主频更高之外，不能发挥出优异的功能。 　　#1缓存延迟（Cache Latency） 　　当然，带宽只是影响整体性能的一个因素。更高的带宽允许CPU获得更高的执行效率，但为了使得整体性能平衡，数据选通延迟（access latency）必须尽可能短，以确保CPU不会“等”得太久。 　　在很多情况下，缓存延迟都较长。如Thunderbird（雷鸟）的独占L2-Cache延迟就是20个时钟周期。众所周知，独占的含义就是在L2-Cache中没有L1-Cache中的数据或指令。而当L1-Cache有数据溢出时，最早占用L1-Cache的数据会被新的数据替代，而这时由L1-Cache“驱逐”或被替换的缓存数据将写入L2-Cache。 　　为了确保整个过程能够平稳地进行，新的AMD Athlon处理器设计了一种牺牲性缓冲器（Victim Buffer）的方法来接纳从L1-Cache被“驱逐”出来的数据。这种缓冲器总共拥有8个64字节宽度的入口，即可以接收8个被“驱逐”的64字节L1-Cache数据。通常，牺牲性缓冲器并没有充满数据，所有从L1到L2的数据复制工作是以并行的方式进行着。这样便只会消耗带宽，而不会增加L2通道的延迟时间。Thunderbird的L2-Cache的延迟时间在大多情况下为11个时钟周期。只有当L1-Cache出现大量地连续地溢出情况，才会使延迟时间达到20个时钟周期。这时，牺牲性缓冲器会充满数据，而且在L2-Cache开始向L1-Cache和执行单元传输数据之前，必须从牺牲性缓冲器释放的信息应当首先被复制到L2-Cache。 　　在Cachemem的测试中，当数据阵列大小为4KB和8KB时的结果，符合英特尔Pentium4的技术规范。然而，依照Cachemem的结果，L2-Cache的延迟时间不少于18个时钟周期！如果你看过英特尔的Pentium4开发指南，在第18页上，你会发现L2-Cache的延迟为7个时钟周期……究竟哪个是对的？Cachemem还是英特尔？ 　　两者都是对的，L2-Cache数据线带宽为128个字节，Cachemem报告中的延迟时间是指充满整个数据线时的结果。然而L2-Cache数据线有两个64字节的扇区（Sector），所以Cachemem报告中以填充两个扇区的延迟时间为准，而不是一个扇区。另一方面，英特尔是以“纯”L2-Cache延迟为准。因为L2-Cache处理的数据正好是由L1-Cache所溢出的部分，所以应该在7个周期上再加上L1-Cache的延迟时间2个周期，即9个周期，正好是Cachemem报告中的一半。不过，这意味着在Pentium4中L2-Cache的延迟时间和Pentium Ⅲ的严格的7个周期相比显得逊色了。 　　然而，在IDF上，英特尔的发言人指出，在桌面应用程序中，Pentium4缓存的平均速度是PentiumⅢ的1.8倍。通过Cachemem测试，很难相信Pentium4的高速缓存要比PentiumⅢ的好。英特尔用的不是时钟周期来作单位，而是纳秒。如Pentium4 1.5GHz的L2-Cache的延迟时间，即9个时钟周期等于6纳秒，而PentiumⅢ 1GHz的L2-Cache的延迟时间为7个时钟周期，即7纳秒。我们从表1（^16030101a^）计算出英特尔所明确指出的“高速缓存平均速度（average cache speed）”，3.13/1.8正好是1.8倍，正好与英特尔的说法相吻合。 　　另一方面，为了获得单位时钟周期的良好性能，从CPU核心计算的延迟时间的平均值应该尽可能的短。但是，从表2（^16030101b^）中可以看出，按时钟周期来计算的平均延迟仅有18%的提高。 　　为了更好地利用CPU，提高其工作效率，减少空闲时间，就必须缩减缓存延迟，才能提高CPU的整体性能。按时钟周期来计算缓存延迟的话，Pentium4对于Athlon并没有明显的优势。