AMD的新宠──Athlon4浮出水面

夏维 
2001年 20期

#1　　前言
　　　　虽然AMD目前仍然只占有处理器市场的一小部分，但是它的发展势头却非常喜人。近两年来，AMD凭借Athlon处理器迅速占领了桌面电脑市场，将夕日的霸主英特尔打得落花流水。英特尔也不甘示弱，推出了Pentium4，而且在价格上采取了极具竞争性的战术。虽然今天的Pentium4性能不尽如人意，不过这毕竟只是目前的情况。一旦今后大量针对Pentium4优化的软件和游戏上市，AMD Athlon也将陷入一场艰苦的争斗，毕竟基于Pentium4的系统能比雷鸟（Thunderbird）核心的Athlon提供更多的内存带宽和更高的时钟频率。
　　　　AMD面对这样的情况，显然也不会裹足不前，实际上AMD已经准备了3个新的内核用来接替相对较旧的雷鸟核心。5月15日AMD发布了Athlon新的处理器核心就是曾经被人们大量谈论，在雷鸟核心基础上改进而来的Palomino核心，也就是现在本文要讨论的Athlon4。
　　#1　　Athlon4市场篇
　　　　首先，从Athlon4的名字上我们都能看出，AMD希望用Athlon4与Pentium4竞争，来巩固自己在桌面电脑市场战果，不过桌面型Athlon4的发布还要等到今年8月左右，届时桌面型Athlon4的起始频率就能达到1.5GHz。其次，用Mobile Athlon4来抢占笔记本电脑市场。现在AMD在笔记本电脑市场仅仅只有两位元老级的处理器：K6-Ⅱ+和K6-Ⅲ+，它们完全不能抵抗来自英特尔的移动PentiumⅢ和移动Celeron的猛烈攻击，因此，AMD迫切需要Mobile Athlon4在笔记本市场电脑的胜利来巩固桌面市场的胜利。第三个目的：进军多处理器（MP）市场，这对于AMD来说还完全是一块空白，这里不仅有高性能工作站市场，还有多处理器的服务器市场，不仅市场潜力巨大，而且利润丰厚。配合下个月就将发布的AMD 760MP芯片组，AMD就能携Athlon4进入这个利润丰厚的市场。不过现在看来，Athlon4仅仅只是AMD的先遣队，而真正主力军则是未来的AMD x86-64处理器。
　　#1　　Athlon4技术篇
　　#2　　处理器核心
　　　　关于核心，我们都知道处理器的核心是由无数个晶体管构成的，其中旧的雷鸟核心拥有3700万个各种各样的晶体管，不同的晶体管负责不同的任务。虽然Athlon4的Palomino核心和雷鸟核心类似，晶体管数量也只增加了50万个，核心面积也仅从120平方毫米增加到128平方毫米，但是AMD对Palomino核心内部的晶体管种类进行了大量的优化。而优化的结果就使同样时钟频率下，Athlon4核心的能耗和产生热量至少比雷鸟核心减少了20%。
　　　　对核心的优化还不仅仅针对晶体管种类，也对核心内部晶体管的布局也进行了改进，这也导致了Athlon4外观上的变化。
　　#2　　TLB（Translation Lookaside Buffer）
　　　　另一个改进是Athlon4增加了一级缓存中翻译后备缓存（Translation Lookaside Buffer，TLB）入口的数目。我们先来介绍一下处理器缓存的工作原理：当处理器需要从内存中读取数据的时候，它不会直接从内存的物理地址上去寻找，因为在处理器缓存中会有映射内存物理地址的虚拟地址，处理器就是通过这些虚拟地址来访问内存里的数据，而物理地址和虚拟地址之间的翻译就由TLB来完成。
　　　　既然TLB在处理器读取内存的时候占有重要作用，那么处理器的TLB命中率的高低，就会影响处理器的性能。举例来说，如果处理器需要某个数据的时候，它会通过TLB来寻找相应的地址，一旦在TLB中不能找到需要的地址，处理器就要花费3个时钟周期才能解决这个问题。相反的，如果在TLB中能找到需要的地址，就仅仅只需要花费一个时钟周期，比前者节省了200%的时间，因此TLB的命中率对于处理器性能非常关键。那么如何提高TLB命中率呢？AMD采用增加TLB入口数量就是一种简单而有效的方法。不过，告诉大家一个不幸的消息，虽然我们已经知道Athlon4增加了一级缓存TLB入口数目，可是目前我们还并不知道它的确切数目。当然，读者也不用对此太过在意，因为毕竟上面所说的还只是纯理论，实际Athlon4的性能和雷鸟比起来，不会有很大的飞跃。
　　#2　　数据预读（Data Prefetch）技术
　　　　Athlon4和雷鸟的缓存几乎一样，都是拥有两路64KB一级指令缓存和64KB数据缓存，16路独占式256KB二级缓存。既然Athlon4采用独占式二级缓存结构，那么它不会将一级缓存中的数据复制到二级缓存中，因此Athlon4实际上能够利用的缓存数量为384KB（64KB + 64KB + 256KB）。究竟Athlon4对缓存的改进表现在什么地方呢？那就是改进了缓存的自动数据预读取机制。
　　　　缓存数据预读功能和Pentium4拥有的硬件预读功能相似，它们都可以智能地判断哪些数据需要被处理器利用，从而提前将这些数据从内存中读取到缓存中，这样的功能明显增加了处理器和内存之间带宽的利用率，进而提高系统的整体性能。而且相对于普通的PC133 SDRAM而言，数据预读功能在DDR SDRAM或者RDRAM这些“宽带”内存上更有优势。
　　#2　　SSE
　　　　当年，AMD为了抵抗英特尔的SSE多媒体指令集，也推出了自己的3DNow!技术。3DNow!技术增加了19条指令，它和SSE一样都是采用单指令多数据（Single Instruction Multiple Data，SIMD）指令，也就是说每一条指令可以应用多条数据，这样的特性让各种3D软件的速度得到飞跃。但是，3DNow!的19指令不过是SSE的一部分，因此Athlon4在3DNow!的基础上又增加了52条新的指令，此时虽然被称为3DNow! Professional，但实际上已经和PentiumⅢ两年前就已经采用的SSE指令集完全相同。
　　　　增加SSE显然不能使Athlon4的性能突飞猛进，不过在针对SSE专门优化的环境下，Athlon4就不会明显落后于PentiumⅢ系列了。据悉，AMD的64位处理器x86-64还将会支持完整的SSE2指令集。
　　#2　　低电压及PowerNow!技术
　　　　由于首先发布的Athlon4系列是专为笔记本电脑市场的，因此它也针对移动市场的特点进行了相应的优化，比如，1GHz的移动Athlon4仅仅只需要1.4V电压就能稳定运行，而目前的雷鸟1GHz则需要1.75V。
　　　　Athlon4还采用了PowerNow!技术，该技术能根据工作状态自动调节处理器频率和电压。如果用户仅仅使用Word处理文档，那么显然不需要很高的频率，此时1GHz的移动Athlon4会自动降低频率和电压为500MHz/1.2V，一旦用户开始播放DVD，处理器的频率又会自动提高到750MHz甚至1GHz。
　　　　不过，Athlon4采用的PowerNow!技术并不是全新的技术，早在K6-Ⅱ+时代，AMD就已经研制出了该技术。可是由于当时的处理器性能低，所以，大部分时间里处理器都必须工作在较高频率上，PowerNow技术在当时不能起到明显的作用，而在Mobile Athlon4身上却大有用武之地。
　　　　正是由于有了这样的技术，大部分采用Athlon4的笔记本电脑在Ziff Davis Battery Mark测试中的电池寿命都达到了3～3.5小时。
　　#1　　总  结
　　　　虽然我们的重点不在谈论性能上，但是大家一定希望对Athlon4的性能有一定了解。根据我们的不完全测试，Athlon4的性能比同频的雷鸟提高了2%～15%，在Quake Ⅲ Arena中有6%的性能提高，在Business Winstone 2001中提高了5%，在SysMark 2000中性能提高了10%，性能提高的主要原因是由于数据预读功能。在移动处理器市场上，Athlon4的性能和移动PentiumⅢ相比有相当大的提高，但是缺点是封装形式要比后者大许多，不能应用在日益流行的超薄超轻笔记本电脑上。 
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