INTEL CPU全系列架构发展史及深度测试!

INTELCPU全系列架构发展史及深度测试!壮士断腕，Conroe临危受命在很久很久以前的286时代，英特尔还只是一个小公司，它负责给IBM提供IBMPC中的微处理器。那会儿，IBMPC销量很大，兼容机还没出现。为了能保证微处理器供货充足，上帝般的IBM强迫英特尔将微处理器技术无偿授权给另一家公司。看IBM脸色吃饭的英特尔虽然老大不愿意但也没办法，最后选择了AMD作为微处理器技术无偿提供对象(一不小心养虎成患，现在英特尔估计后悔到死)。为了制约AMD，英特尔又将微处理器技术无偿授权给了Cyrix。1982年2月1日，英特尔推出80286微处理器在当时来说，英特尔除了产能占优外，在技术上是没有任何优势的，三家公司的微处理器架构基本一致。但是这时候，IBM公司内部倒产生了巨大的分歧：许多人反对快速转换到286计算机的生产和销售，因为这会对IBM的小型机与之前的PCXT销售造成影响，他们希望过渡的步伐能慢一些。但英特尔并不能等，80286处理器已经批量生产了，不可能堆在仓库里等IBM慢慢消化。此时康柏公司就钻了空子——快速推出286的IBMPC兼容机，并一举打败IBM成为PC市场的新霸主。随着IBMPC兼容机的大量涌现，英特尔处理器也卖得越来越多，名气越来越大，实力与日俱增，也就不用再唯IBM马首是瞻了。1993年3月22日，英特尔发布新一代P5架构586微处理器，这款历史性的产品被英特尔命名为Pentium(奔腾)，并不再对AMD和Cyrix授权。1993.3.22英特尔推出里程碑式的Pentium处理器而AMD也非昔日可比了，它具有很强的研发能力，并很快发布了K6处理器迎战，更逐渐衍生出K6-2和K6-3处理器。K6-2处理器凭借架构上的优势令英特尔感到了巨大的压力。为此1995年英特尔又推出新的P6架构取代奔腾/奔腾MMX的P5架构，以求在性能上保持领先地位。1995.11.1英特尔推出采用P6架构的PentiumPro最早采用P6架构的微处理器是高能奔腾(PentiumPro)。P6架构与奔腾的P5架构最大的不同在于，过去集成在主板上的二级缓存被整合到处理器内，从而大大地加快了数据读取时间和提高命中率。另外，P6架构是一个纯32位的微处理器架构。1997.4.7英特尔推出PentiumII为了将P6架构平价化，以对抗AMD等竞争对手，英特尔采用了将二级缓存从CPU核心移出，改用外置于集成CPU核心的PCB板上的做法，这“萌生”了1997年推出的奔腾II处理器。奔腾II处理器的二级缓存外置于CPU核心以外，只能以处理器工作主频一半的速度运行，而不像奔腾Pro的二级缓存那样以全速运行。随着0.25微米工艺的成熟，英特尔才尝试重新将二级缓存集成在核心内。为了进一步巩固自己的领导地位，英特尔1999年1月推出了PentiumIII。1999.1英特尔推出PentiumIII在PentiumIII时代之前，AMD和Cyrix一直是英特尔的追随者，但是AMDAthlon推出之后，历史发生了微妙的变化：在AMD推出Athlon650MHz的时候，英特尔处理器的最高主频才550MHz，这也是英特尔第一次被竞争对手超过！为了保住自己颜面，英特尔匆匆推出了采用0.18微米工艺，代号Coppermine的奔腾III处理器，主频有500MHz至700MHz几个型号。这时候英特尔与AMD主频之争的激烈程度前所未有，我们熟悉的频率“攀比”战开始了。最先达到1GHz主频的是AMD的Athlon处理器，同频的奔腾III处理器在落后不到一个月面世，但这足以让AMD自豪了。由于1GHz的Athlon性能不敌1GHz奔腾III，AMD决定开发核心整合二级缓存的AthlonXP。随后英特尔霸王硬上弓，抢先推出1.13GHz的奔腾III，在性能上领先倒是领先了，但当时的0.18微米工艺生产1.13GHz的奔腾III实在是勉为其难。后果就是全面回收几乎不能正常运行的奔腾III1.13GHz处理器。而此时，AMD推出了1.1GHzAthlonXP处理器。◆饱受责难的NetBurst架构奔腾42000.11.20英特尔推出Pentium4英特尔在AMD强大的压力下，开始鼓吹“唯主频论”。在奔腾III及以前的微处理器时代，是一个处理器性能与主频紧密结合的时代。那个时候无论是英特尔还是AMD，他们的处理器产品在主频提升的同时，同样也会带来相应的性能提升。到了奔腾4，英特尔的“唯主频论”颠覆了“性能等于主频”的传统观念。2000年11月20日，英特尔正式发布了NetBurst架构的奔腾4。这不仅仅是一款新产品的发布，它还标志着一个处理器新时代的开始。奔腾41.4GHz/1.5GHz的出现，吸引了全世界的眼光。然而有专业媒体质疑：为何奔腾4的主频这么高，但是实际测试项目很多都不如P6架构的1GHz奔腾III呢？英特尔回答：奔腾4是一种全新的架构，它的性能不能再用传统的观点去评判。奔腾4能够在同样的0.18微米工艺下轻松达到2GHz，而奔腾III去到1.13GHz就已经到了极限，这是因为奔腾4的运算流水管线多达20级甚至31级，而奔腾III只有11级。运算流水管线越长，就越容易在同样制造工艺下达到更高的工作主频。Athlon在同样制造工艺下可以达到奔腾III难以达到的高主频，就是因为Athlon的运算流水管线比奔腾III略长。但是运算流水管线过长也会带来负面影响，管线越长，单位主频下的处理器执行效率就越低，性能的发挥就会受到影响。第二代Northwood核心的奔腾4采用了0.13微米工艺制造，较好地解决了发热与功耗的问题，迅速成为市场主流。此后随着800MHzFSB、超线程等新技术的引入，Pentium4NetBurst架构的威力的以充分发挥，所以从性能/功耗上来讲，这个时候的奔腾4达到了巅峰。随着主频的不断攀升，NetBurst架构的弊端越来越明显。第三代Prescott奔腾4流水线达到31级，晶体管达到了125百万个（Northwood只有55百万个），以至于它每个时钟周期比Northwood多产生大约60%的热量，同时功率消耗也增加大约10%！3.2GHz的PrescottTDP达到了触目惊心的103W！人们开始戏称Pentium4为烤炉，高主频带来的高功耗使得英特尔的忠实支持者要为奔腾的芯付出更多的电费，同时更要忍受高性能处理器风扇所带来的巨大噪音……64岁的英特尔总裁贝瑞特面对着6500人惊天一跪：“请原谅我们”（2004.10）奔腾4最终止步于3.8GHz，原计划推出的4GHz奔腾4处理器也被胎死腹中。英特尔意识到处理器研发道路上走入了“唯主频论”的误区，2004年10月，英特尔总裁贝瑞特惊天一跪，面对着6500人说道：“请原谅我们”，真心地对公司的失误表示忏悔。英特尔终于承认自己错了。不要忘记当初英特尔发布奔腾4时吹嘘说奔腾4是为10GHz的运算速度设计的，这是到目前为止英特尔历史上最重要的或许也是最广为人知的工程失败事件。◆临危受命的Core微架构实际上，英特尔除了拥有NetBurst研发小组外，还有一支位于以色列海法的研发团队。该以色列团队早在2003年就因为设计出兼具高性能与低功耗的Banias移动处理器而闻名天下，Core微架构是他们最新的杰作，由于NetBurst架构的失败，Core微架构一下就成了英特尔的救命符。2006年3月英特尔在春季IDF大会宣布下一代处理器将采用的Core微架构。英特尔指出未来处理器的技术发展重点将是“每瓦特性能”（PerformanceperWatt）。而这届IDF的主题更加明确：功耗最优化平台（Power-OptimizedPlatforms）。根据英特尔的说法，采用Core微架构的处理器将在性能方面得到极大的飞跃，肯定将超过竞争对手AMD的产品。更好的消息Core在功耗方面将比前任大幅下降。Core微架构将一统江湖Core微架构被英特尔推上前台，被赋予了取代NetBurst微架构、一统桌面、移动与服务器平台的历史使命。针对笔记本、桌面级用户和服务器，Core均有不同的产品。Conroe是基于Core微架构的桌面平台级产品（我们常说的“扣肉”），由于“Core”和“Conroe”两个单词在结构上颇为类似，因此有不少消费者往往便认为“Core”和“Conroe”指得是同样一种产品。实际上，我们通常把“Core”直接音译为“酷睿”，它是Intel新一代处理器产品统一采用的微架构，而Conroe(扣肉)只是对基于Core(酷睿)微架构的桌面平台级产品。除桌面的Conroe处理器之外，Core微架构还包括代号为“Merom”的移动平台处理器和代号为“Woodcrest”的服务器平台处理器。由于上一代采用Yonah微架构的处理器产品被命名为IntelCoreDuo，因此为了便于与前代双核处理器区分，Conroe以及Merom都将采用相同的命名方式——Core2Duo。另外，Intel最高性能的桌面服务器芯片Woodcrest将命名为Core2Extreme，以区分于普通桌面/笔记本处理器产品。Conroe处理器沿用了L1Cache设计，L1数据Cache和L1指令Cache分别为32KB，两个核心共享4MB或2MB的L2Cache，它结合了PentiumM高效率和NetBurst动态执行性能优越两方面的优点。Conroe处理器的数据流水线长度从Prescott的31级大幅度缩短至目前的14级。其算术逻辑运算单元ALU数量由上代NetBurst微构架的2组提升至3组，同时在Cache构架上也经过了大幅度的改良，整体运算性能大大增加。Core微架构与Yonah微架构目前比较普遍的看法是，Core微架构是PentiumPro架构，或者说是P6微架构的延续。Core微架构中只有预取机制是从NetBurst微架构获得的灵感，所有其它的设计都是从Yonah微架构（CoreDuo处理器）演变而来，而Yonah微架构是从Banias处理器和Dothan处理器演变而来的。所有Banias、Dothan、Yonah和采用Core微架构的处理器都继承了NetBurst处理器的前端总线设计，但除此之外，它们毫无疑问都是曾经获得巨大成功的P6微架构的后代。英特尔P6微架构的总工程师之一RobertColwell在其回忆录中表示他之所以离开英特尔，主要就是因为他并不认同英特尔在NetBurst微架构中所选择的设计路线，因为他相信“Thefutureismobile”，如何在维持省电与最长电池续航能力的前提下，达到足够的运算效能，才是处理器技术发展的未来方向。NetBurst微架构的失败，与P6微架构的复兴，恰恰证明了英特尔之前策略的失败和他的远见。不过这并不意味着只是把Yonah处理器的一些功能单元和解码器重新包装一下然后换了个名字就推出来。英特尔Core开发人员称，Woodcrest、Conroe和Merom处理器都是基于Yonah处理器的，但是几乎80%的架构和电路设计需要重新进行。2006.7.27英特尔Conroe全球同步上海发布会2006年7月27日，英特尔全球同步发布基于其Core微架构的Conroe桌面平台处理器，承接6月发布的服务器处理器Woodcrest，以及8月登场的笔记本处理器Merom，英特尔处理器全面从上一代NetBurst微架构转向新的Core微架构。◆解读Core微架构英特尔对Core微架构的要求非常高，需要有很好的跨平台性，又要兼顾到功耗，最重要的是能提供更高的性能。其中特别引人注意的就是英特尔在Core设计中导入的全新的每瓦特效率的设计概念，因为这个概念的出现将真正影响未来英特尔处理器架构的发展，而这也对产业发展产生了重大的影响。Core微架构的目标就是构建一个高效的双核心架构，因此采取共享式二级缓存设计，2个核心共享二级缓存。内核采用高效的14级有效流水线设计，每个核心内建4组指令解码单元，支持微指令融合与宏指令融合技术，每个时钟周期最多可以解码5条X86指令，并拥有改进的分支预测功能。每个核心内建5个执行单元，