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漫谈双核处理器摘要：面对计算能力不断提高的需求，双核成为cpu厂商显著提升cpu性能共同的解决方案。双核处理器双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。双核处理器能有效提升cpu的功能与性能。intel与amd展开双核大战，将x86平台带入了双核时代。amd的双核与intel的双核有很大差别，amd的双核是把两颗内核core(s)集成在一块晶片硅上，而intel的双核其实是用电路将两个独立的packet(s)缝合在一起。双核、多核是未来cpu的发展趋势。引 言“双核”无疑是2006 年pc市场最热门的词汇，看着满大街由intel、amd公司打出来的双核处理器广告，我们不仅充满疑问，什么是双核？双核pc与单核pc有什么不同？现今双核产品是怎样一个趋势？双核pc又能够给我们带来什么呢？一系列的疑问考验着每一个专业非专业人士的心智. 本文将对双核处理器做一个简单基础的介绍，包括四部分。第一部分介绍双核处理技术的基本概念、第二部分论述具体的双核处理结构、第三部分对市场上出现的intel、amd双核处理技术做一个分析比较。第四部分概述了双核处理器的意义。第五部分对双核处理器做一个总结。 一、对双核处理技术的介绍1.1 双核处理器基本概念1.1.1什么是双核处理器？什么是双核处理器呢?双核处理器背后的概念蕴涵着什么意义呢?简而言之，双核处理器即是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心。换句话说，将两个物理处理器核心整合入一个核中。处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理器指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。在这里我们必须强调一点的是，如果你想让系统达到最大性能，你必须充分利用两个内核中的所有可执行单元:即让所有执行单元都有活可干!企业it管理者们也一直坚持寻求增进性能而不用提高实际硬件覆盖区的方法。多核处理器解决方案针对这些需求，提供更强的性能而不需要增大能量或实际空间。双核处理器是主要面向高端用户或家庭多媒体用户的新一代电脑中央处理器，由于带有两个“内核”而能够在多媒体应用、多任务应用方面发挥优势，大幅提高电脑运行速度。1.1.2超线程和双核技术有什么不同?利用超线程(hyper-threading)技术可以让单物理内核的处理器通过模拟方式实现在对称处理模式下双处理器运行的效果。但是使用超线程技术的两个逻辑处理器并没有独立的执行单元、整数单元、寄存器甚至缓存等资源。它们的运行过程中仍需要共用执行单元、缓存和系统总线接口，在执行多线程时两个逻辑处理器均是交替的工作，如果两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂停并要让出资源，要待该资源闲置才能继续。而双核处理器中每个核心拥有独立的指令集、执行单元，可以同时执行多项任务，能让处理器资源真正实现并行处理模式，其效率和性能提升要比超线程技术高得多。例如:在执行某一运算任务时，在单线程情况下需要6个时钟周期，但双线程下就能在3个时钟周期内完成。如果使用超线程技术的单核处理器在某周期中出现重叠的情况就会导致某个线程出现延迟，那么整个运算周期可能会增加到4个。1.2双核的优点：性能与功能比翼双飞双核解决方案的两大优点是提高处理器性能和增强处理器功能。首先，双核心技术的引入是提高处理器性能另一个行之有效的方法。因为处理器实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量，因此增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。但只有充分利用两个内核中的所有可执行单元，才能使系统达到最大性能。而这就要靠软件开发者的努力，而不是依靠处理器开发者们。另外，由于受生产技术限制，传统的通过提升工作频率来提升处理器性能的做法在双核处理器上也将面临严重阻碍。其次，引入双核心的架构也将可以全面增加处理器的功能性。双处理器架构的引入和微软下一代longhorn操作系统将在很大程度上促进虚拟技术的发展。这些技术在20006-2007年将成为下一代计算机系统的主要特征。目前厂商们已经推出了异曲同工的虚拟化技术，如英特尔的vanderpool（面向个人电脑）、silvervale（面向服务器）技术和amd pacifica技术。虚拟化技术可以让一台物理计算机虚拟出若干个虚拟的系统，这些虚拟系统能使用同样的pc资源独立工作。换句话说，这些技术应该允许用户在他们的pc上使用超过一个操作系统，以便每个操作系统解决特定的运算任务。比如，一个虚拟系统能够扫描病毒，另外的虚拟系统则可以执行应用程序，文字处理或者玩游戏。1.3 双核处理技术的发展史1.3.1双核的由来在处理器的技术发展中，处理器制造商无不把频率的提升放在首位，而且这似乎已成为一种标准，由此展开了竞相追逐的频率竞赛。目前处理器的发展就处于这样一种状态，越来越高的处理器率频带来惊人的高功耗。因此，处理器技术的发展再次成为人们关注的焦点，也成为cpu大厂角逐市场主导地位的筹码。中科院计算所国家智能研究中心的孙凝辉博士在一次演讲中指出了单核处理器的局限和双核处理器的优势，如下图所示。 所以在发展的处理器技术中，双核心处理器技术就初露端倪，成为技术开发热点。在这种技术中，通过新的封装技术，将两颗处理器芯片，整合成为一颗处理器，一颗处理器中有两个核心，在操作系统看来，它是实实在在的双处理器，可以同时执行多项任务，理论上说，这可以将系统性能提高50%至70%的幅度。实际上，在服务器领域里，我们已看到了双核心处理器，甚至多核心处理器;在多核心处理器的发展中，也经历了几个发展阶段。最初采用smp(simultaneous multi-processor，同步多处理器)方式，将多个处理器置于一个系统之下协同工作，以此来提升性能。 后来为了降低成本开发人员逐渐考虑是否能够将两个处理器或是处理核心集成到一个芯片上面来，为此而出现了smt(simultaneous multi-threading，同步多线程)技术和cmp(chip multi-processor，单芯片多处理器)架构。因而，技术人员将开发重点更多地投入在cmp架构上面，相应地在服务器市场也推出了一些双核心和多核心处理器的身影。1.3.2 双核处理器的发展早在上个世纪末，hp和ibm就已经提出双核处理器的可行性设计，并成功推出了拥有双内核的hp pa8800和ibm power4处理器。如ibm eserver pseries 690或hp 9000服务器上都采用了此类技术。以solaris操作系统与ultrasparc服务器处理器闻名的sun也在2003年10月微处理器论坛中，发表双核心ultrasparc处理器。但昂贵的价格使得上述产品从来没有得到广泛应用。如拥有128mb l3缓存的双核心ibm power4处理器的尺寸为115x115mm，生产成本相当高。双核只在高端的risc处理器中实现。在移动领域，ibm第一个向市场推出双核芯片，它的powerpc 970fx低功耗版本在2005年发布。但是，这基本是一款oem产品，不向普通买家供应。它的x86也是如此。amd和intel在2004年公布了各自的双核计划，amd率先在服务器和工作站领域引入双核架构，而intel则是率先在台式机领域引入双核技术！并在2005年才开始首次供应双核产品，将x86平台带入了双核时代一个全新的处理器时代。随着intel、amd不断推出各种双核cpu新品，令人目不暇接，掀起了一股轰轰烈烈的“双核”热潮，眼下“双核”甚至“多核”技术已成为电脑发展的方向。1.3.3 双核的挑战功耗虽然双核甚至多核芯片有机会成为处理器发展史上最重要的改进之一。需要指出的是，双核处理器面临的最大挑战之一就是处理器能耗的极限！性能增强了，能量消耗却不能增加。根据著名的汤氏硬件网站得到的文件显示，代号smithfield的cpu热设计功耗高达130瓦，比现在的prescott处理器再提升13%。由于今天的能耗已经处于一个相当高的水平，我们需要避免将cpu作成一个“小型核电厂”， 所以双核甚至多核处理器的能耗问题将是对厂商的最大的考验。1.3.4 双核的未来多核双核并不是最先进计算领域中的最新成就。几年以后，双核可能成为过时产品。英特尔已在准备四核服务器处理器，计划在2007年推出。amd也在开发四核芯片。再远一些，英特尔正在准备一款代号为“yorkfield”的八核芯片，计划在2008年推出。amd的情况不太明确，它只是说将在2007年使内核数量增至两个以上。在非x86领域，sun已在供应一款八核服务器处理器，即ultrasparc t1 (以前的“niagara”)。确实，多核处理器看来将成为未来的发展方向。co-design automation inc.的创始人simon davidmann去年秋天对ee times表示:“所有的芯片都将成为多处理器，我们必须学习如何给它们编程。” 二、对具体双核处理结构的介绍2.1 amd和intel不同的体系结构目前逐渐火热起来的“双核”概念，主要是指基于x86开放架构的双核技术。在这方面，起领导地位的厂商主要有amd和intel两家。其中，两家的思路又有不同。amd从一开始设计时就考虑到了对多核心的支持。所有组件都直接连接到cpu，消除系统架构方面的挑战和瓶颈。两个处理器核心直接连接到同一个内核上，核心之间以芯片速度通信，进一步降低了处理器之间的延迟。而intel采用多个核心共享前端总线的方式。专家认为，amd的架构对于更容易实现双核以至多核，intel的架构会遇到多个内核争用总线资源的瓶颈问题。amd和intel的双核技术在物理结构上也有很大不同之处。amd将两个内核做在一个die(内核)上，通过直连架构连接起来，集成度更高。 intel则是采用两个独立的内核封装在一起，因此有人将intel的方案称为“双芯”，认为amd的方案才是真正的“双核”。2.2 intel双核心处理器的简介intel目前的桌面平台双核心处理器代号为smithfield，基本上可以简单看作是把两个pentium 4所采用的prescott核心整合在同一个处理器内部，两个核心共享前端总线，每个核心都拥有独立的1mb二级缓存，两个核心加起来一共拥有2mb，但这显然与pentium 4 6xx系列处理器的2mb缓存不同。但由于处理器中的两个内核都拥有独立的缓存，因此必须保证每个物理内核的缓存信息必须保持一致，否则就会出现运算错误。例如在系统的内存数据区记录着a1；如果第一个处理器内核对此数据区进行读写操作，并且改写为a0，那么第二个处理器内核的缓存也必须进行更新，把a更新为0，否则的话，在以后的操作中数据就会出错。这样一个过程就是缓存数据的一致性，也就是说双核心处理器需要仲裁器来作协调。针对这个问题，intel将这个协调工作交给了北桥芯片(mch或gmch)：两个核心需要同步更新处理器内缓存的数据时，需要通过前端总线再通过北桥作更新。虽然缓存的数据并不巨大，但由于需要通过北桥作出处理，无疑会带来一定的延迟，核心之间的通信就会变得缓慢，这将大大影响处理器性能的发挥。 intel目前的桌面平台双核心处理器产品分为pentium d和pentium extreme edition(pentium ee)两大系列，其中，pentium d包括820(2.8ghz)、830(3.0ghz)、840(3.2ghz)三个型号，采用800mhz fsb，面向主流市场；而pentium ee目前只有840(3.2ghz)一个型号，同样采用800mhz fsb，面向高端应用。pentium d与pentium ee都采用0.09微米制程，lga775接口；它们最主要的区别就是pentium ee支持超线程技术，而pentium d则不支持超线程技术，也就是说在打开超线程技术的情况下pentium ee将被操作系统识别为四颗处理器。 在主板芯片组方面，由于北桥芯片担负着处理和交换不同核心缓存数据的重要作用，所以目前能够支持pentium d和pentium ee的是945/955系列，而915/925是不能支持的，在915/925主板上就算是能够开机，也只能使用双核心其中的一个核心！2.3 amd双核心处理器的简介amd目前的桌面平台双核心处理器代号为toledo和manchester，基本上可以简单看作是把两个athlon 64所采用的venice核心整合在同一个处理器内部，每个核心都拥有独立的512kb或1mb二级缓存，两个核心共享hyper transport，从架构上来说相对于目前的athlon 64架构并没有任何改变。但与intel的双核心处理器不同的是，由于amd的athlon 64处理器内部整和了内存控制器，而且在当初athlon 64设计时就为双核心做了考虑，但是仍然需要仲裁器来保证其缓存数据的一致性。amd在此采用了srq(system request queue，系统请求队列)技术，在工作的时候每一个核心都将其请求放在srq中，当获得资源之后请求将会被送往相应的执行核心，所以其缓存数据的一致性不需要通过北桥芯片，直接在处理器内部就可以完成。与intel的双核心处理器相比，其优点是缓存数据延迟得以大大降低。amd目前的桌面平台双核心处理器是athlon 64 x2，其型号按照pr值分为3800+至4800+等几种，同样采用0.09微米制程，socket 939接口，支持1ghz的hyper transport，当然也都支持双通道ddr内存技术。由于amd双核心处理器的仲裁器是在cpu内部而不是在北桥芯片上，所以在主板芯片组的选择上要比intel双核心处理器要宽松得多，甚至可以说与主板芯片组无关。理论上来说，任何socket 939的主板通过更新bios都可以支持athlon 64 x2。对普通消费者而言，这样可以保护已有的投资，而不必象intel双核心处理器那样需要同时升级主板。三、对intel和amd双核处理器技术分析及比较intel数位企业部首席工程师jonathan douglas表示，在意识到单核心处理器正面临发展困境之后，intel在2004年匆忙地设计了双核心smithfield处理器。douglas承认，设计团队的精力在从高端单核心处理器转移到双核处理器的过程中遇到了许多挑战。intel无法在很短的时间内为双核心处理器设计出全新的内存总线，因此只好沿用了原先pentium 4的总线架构。这种架构可以应付两个独立的单核心处理器，但其执行效率远远不如paxville处理器的两条独立总线，也不如amd处理器中集成的内存控制器。同时，intel的测试工具和工艺一直都是针对单核心处理器而设计的，因此公司不得不仓促间准备了一套新的双核心处理器测试工艺。此外，工程师们还不得不重新设计pentium d的封装，把两块芯片放在单独的一个封装内，就像未来的presler那样，但设计团队根本没有足够的时间进行这项工作，因此便把两个pentium 4核心紧密地集成在了一块硅片上从而构成了pentium d，由此也引发了一些问题，比如两个核心间的逻辑协调无法保持平衡，信号传输也无法达到理想状态。同时，intel不得不在处理器内设计了一种热敏二极管，以便监控两个高速处理器核心的温度。 英特尔的内存总线，或者称为前端总线，是处理器和内存之间互相通信的线路系统。因为时间紧迫，英特尔没有为双核处理器设计新的内存总线，于是就将过去奔腾4处理器的总线设计搬过来。虽然旧的总线可以支持双核处理器，但是它的效能无法与英特尔即将发布的拥有两条独立总线通道的paxville服务器处理器相提并论，也比不上amd处理器内置的内存控制器。以前英特尔都将全部的注意力都集中在单核处理器上面，结果转到双核处理器设计时，为了使两个核心可以互相通信，只能仓促设计出一个架构来解决问题。 英特尔双核心与amd双核心系统最大的差异就是功率消耗的使用，连最简单的窗口使用者的操作，英特尔会比amd多花13的功率消耗，而在满载之下英特尔甚至会多花掉30的功率消耗，这也再一次证实英特尔处理器是比较耗电的。amd曾经说过他们的k8架构从一开始已经为多核心运作而设计，现在看来他们没有说大话。每个socket-939或者socket-940的k8芯片，无论是athlon 64, athlon 64 fx还是opteron，都具备三条hyper transport通道（至于是否都打开就是另外一个问题了），amd只需关闭其中一条的物理层，让剩下两条通道在双芯之间连通，这样的数据传输率是8gb/s（不过关于amd的k8架构如何实现双核之间的连通最近又有了新说法，说是通过srq层连接，现在我们还在等amd方面的官方解释）。在这里，限制amd性能的因素是内存带宽，两个k8核心必须共享128位的ddr内存总线。虽然从单通道的64位内存接口提升到128位并没有很大的性能提升，但可以肯定的是双内核将会更好地利用内存带宽。 值得一提的是，和最开始intel公布带有hyper-threading技术的演示双核处理器不同的是，现在正式开卖的smithfield处理器将不会支持hyper-threading技术。原因很明显：在多个物理处理器及多个逻辑处理器之间正确分配数据流、平衡运算任务并非易事。比如，如果应用程序创造两个运算线程，很明显每个线程对应一个物理内核，但如果有3个运算线程呢？怎么分配？因此为了减少双核心smithfield架构复杂性，避免出现计划延期的情况出现，英特尔果断决定在即将发布的smithfield中取消对hyper-threading技术的支持。可以说，smithfield处理器的2个prescott核心其实支持hyper-threading，只不过在双核心smithfield处理器中被停用了。相当可惜，本来我们可以看到包含“4cpu”的intel处理器。从上面看起来，intel的双核心处理器在技术规格上落后于amd双核心处理器，这也是amd从去年开始一直叫嚣intel是