安腾处理器研究报告

安腾处理器研究报告1摘要安腾处理器对于我们来说既是熟悉的又是陌生的，它是第一个64位处理器，是我们一心想追求的64位体系结构的成果，但又因为面对的是高端用户以及其昂贵的价格而所让我们陌生。那安腾到底好在哪问题又出在哪采用的技术是什么在众多处理器的竞争之下，安腾的能否笑傲天下这篇研究报告将揭开安腾的神秘面纱，深入剖析安腾的现在，未来。2引言2001年，INTEL创新地推出了64位的安腾处理器，获得了业界的广泛支持，开始了安腾家族的发展史。全球多家领先厂商针对安腾处理器进行了相关软件的开发，如操作系统、数据库、应用软件等等。同时很多服务器厂商很快推出了基于安腾的产品，如浪潮的超能2000。据统计，截止到目前，已经有许多的企业用户都采用64位的产品。于是乎，IA64变成了IT界一个大家耳熟能详的名词。2002年，英特尔公司又将推出安腾家族的第二代产品安腾2处理器，并宣称，服务器的安腾盛世已经到来。2002年6月25日，浪潮率先在全球推出采用INTEL最新的64位处理器安腾2的服务器超能3000。INTEL对安腾产品的大力推进，浪潮等服务器厂商的紧密跟进，都向我们展示了一个全新的IA64时代的到来。许多在全球业界领先的公司都选择了基于英特尔安腾2处理器的平台来满足其关键任务的计算需求。这些公司需要出色的性价比，以及卓越的可靠性和可用性的处理器。基于英特尔安腾2处理器的平台可帮助这些企业更快、更高效的运行业务，从而创造出更辉煌的业绩。可是安腾盛世真的到来了吗安腾处理器真的能如INTEL所宣称的可以独领风骚吗本文从不同的角度深入研究安腾处理器。第一部分介绍安腾处理器，从它的优缺点以及它的未来发展深入剖析。第二部分描述安腾处理器所采用的相关技术。3安腾处理器介绍31安腾处理器简介安腾是英特尔公司面向企业级应用处理器的名字，它将英特尔架构的卓越性能和规模经济的优势带到了数据密集型、企业关键的技术计算应用之中。安腾处理器家族是专为高端企业和高性能应用设计的，能为业务智能、数据库、企业资源规划、供应链管理、高性能计算、计算机辅助工程和安全交易提供领先的性能。不过应该说是安腾是大多数人不是很了解的处理器之一。因为它是专为要求苛刻的企业和技术应用而设计，是瞄准高端企业市场的，并且相对INTEL其他系列的处理器来说，其价格昂贵，即使最便宜的型号价值仍然超过1000美元图1安腾处理器32安腾处理器的主要优势安腾处理器作为INTEL处理器的旗舰系列，拥有着最纯正的64位血统，安腾处理器是构建在IA64INTELARCHITECTURE64上，IA64在很多方面来说，都比X86有了长足的进步。突破了传统IA32架构的许多限制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性、可观理性等方面获得了突破性的提高。而安腾处理器的主要优势也显而易见一、安腾处理器的清晰并行指令计算（EPIC）设计，在万亿字节TERABYTESOFDATA数据处理、高速安全在线购物和交易及复杂计算处理方面取得了突破性成果。这些特性能够满足数据通信、存储、分析和安全等日益增长的需求，同时与专有的产品相比，它具有更高的性价比、可扩充性和可靠性。应用的领域包括大型数据库、数据挖掘、电子商务安全处理、计算机辅助机械工程及高性能科学计算。安腾处理器表现出世界级的浮点性能（每秒最高可执行64亿次操作），尤其适合业务数据挖掘应用中的快速分析和高性能计算。二、四种操作系统将对基于安腾处理器的系统提供支持，它们包括MICROSOFTWINDOWS平台64BITEDITIONFORWORKSTATIONS和64BITWINDOWSADVANCEDSERVERLIMITEDEDITION2002FORSERVERS、惠普公司的HPUX11IV15、IBM公司的AIX5L和LINUXCALDERAINTERNATIONAL，REDHAT,SUSELINUX和TURBOLINUX准备提供LINUX操作系统的64位版本。获得了多种操作系统的支持，同时数百家公司正在开发适用于安腾处理器家族的应用软件，更多的企业正在开发适用于安腾处理器家族的技术和产品（数量远远超过针对任何其他64位架构开发技术和产品的企业）。三、基于安腾处理器的系统通过诸多产品和体系结构的创新，能够为客户提供世界一流的性能和可靠性。例如，对于大型企业和在线商店所使用的数据库和数据挖掘的应用，可以充分利用它的大容量高速缓存、64位的寻址能力和先进的EPIC技术，来同时执行更多的并行操作，以加速数据查询和处理，使数据的处理量最多可达16万亿16TERABYTES字节。安腾处理器的浮点引擎功能使数据挖掘、科研运算等复杂计算达到业界领先性能。四、独立测试结果显示，在进行在线安全交易时，与专用RISC系统相比，基于安腾处理器系统的性能提升可达12倍。安腾处理器的体系结构还包括独特的可靠性设计，它是通过增强机器校验架构（ENHANCEDMACHINECHECKARCHITECTURE）来实现的，该功能可以进行错误的检测、修改和记录，还具有错误修改指令（ECCERRORCORRECTINGCODE）和奇偶校验的特性。安腾处理器具有2MB和4MB的L3高速缓存，主频为800MHZ和733MHZ，价格为1177美元到4227美元。在高端服务器市场，基于安腾处理器的服务器的优势也是有目共睹的1针对关键任务应用，提供经实践检验的良好性能和大型机级的可靠性包括前十强中的九家公司在内，全球100强公司中，有50的企业都采用英特尔安腾2结构服务器。2以比专有平台更低的成本提供更大范围的优化解决方案支持10款操作系统和5,900多种应用及工具。3采用英特尔安腾2处理器的并行指令架构（2至512个处理器），可提高工作效率，缩短完成任务所需时间。4动态管理电源，无需考虑计算环境密度。图2NEC的ITANIUM2服务器当然，没有东西是十全十美的，安腾具有这么多的优势，却为什么迟迟没法占领处理器市场，原因就在于安腾面临的问题同样非常的多。33安腾面临的问题安腾拥有最纯正的64位血统，但现在却成了它发展的软肋，IA64微处理器最大的缺陷是它们缺乏与X86的兼容，所以安腾处理器面临的重大问题是移植问题。因其非兼容性，只能让现有基于32位系统的程序和软件“另起炉灶”，必须完全重新编写专门的软件才能运行，这就意味着大量的企业软件和数据资产都必须被淘汰掉，企业向64位迁移的成本几乎要用“天文数字”来形容。虽然INTEL为了IA64处理器能够更好地运行两个朝代的软件，它在IA64处理器上（ITANIUM、ITANIUM2）引入了X86TOIA64的解码器，这样就能够把X86指令翻译为IA64指令。这个解码器并不是最有效率的解码器，也不是运行X86代码的最好途径（最好的途径是直接在X86处理器上运行X86代码），因此ITANIUM和ITANIUM2在运行X86应用程序时候的性能非常糟糕。在这一点上，国内、外服务器厂商观点是一致的。浪潮彭震说“对用户来讲，最关键的不是是使用什么样的硬件和软件，而是当应用从32位平台向64位平台的业务平滑过渡时，保护其原有的投资，这样用户接受的心态才能平和。”他认为，由于安腾是一种新的架构，因此基于这种架构的操作系统和应用软件都面临“移植”，甚至有些是从零开始。成功的样板案例和长时间的稳定运行、更广泛的应用开发和移植将是IA64通向用户认可的必要手段。英特尔罗斌也承认，“从IA32向IA64的移植是块难啃的骨头。”另外一个问题就是关于缺乏应用开发，IA64架构的先进性毋庸置疑，但它仍然面临着缺乏应用开发，难以在短时间内大规模普及的尴尬境地。IDC副总裁JEANBOZMAN说“要想发展安腾处理器，目前开发相应的软件应用是至关重要的。”IBMX系列服务器部产品经理尹冰对此持认同态度“在RISC平台上有上万种应用是成熟的，而IA64只有上千种应用，这是远远不够的；IA32的应用相对来说比较成熟，但这些应用向IA64移植是需要时间的。”对于安腾的应用开发和移植问题，联想认为还存在一些瓶颈，联想服务器网络事业部产品经理徐颢说“阻止安腾快速发展的瓶颈，是没有建立一个完善的应用生态环境，从上游的操作系统到中间件、数据库这些应用的准备，到末端厂商是否能够用一个较低的成本为用户提供相关的硬件和服务。其次是用户的IT应用水平，以及能够提供这种服务的厂商或SI的价码。对用户来说，他们关心的是从硬件、操作系统、应用软件、移植优化服务的投入产出比是否有价值。”惠普坦承，基于安腾1处理器的服务器真正投入使用的数量不多，实际上大部分安腾1服务器都是在做测试，机器本身要测试，而在上面开发的应用同样必须经受测试在测试中发现问题，去掉BUG。惠普陈志红认为，任何新技术问世都要经过这个过程，才能被人们逐渐认可，安腾也不例外。而业内人士认为，制约安腾快速发展的另一个难点，是用户选择服务器的惯性购买心理和对安腾所持有的怀疑心理。曙光王成江与IA服务器打交道多年。他认为对从来没接触过RISC服务器的IA32服务器用户而言，高端IA服务器对他们是有吸引力的,但对一部分传统RISC服务器用户而言，应用软件的可靠性、可移植性比技术的先进性本身更为重要。如果说RISC架构是一种开放性与兼容性都略显不足的体系的话，那么用户出于惯性仍然不会选择IA64。况且买高端服务器毕竟是一个不小的投资，所以原有的RISC用户不会轻易放弃原有的系统而转用IA64服务器，毕竟应用移植不是一件轻而易举的事情。联想徐颢则认为，“由于安腾64位应用的特殊性，短期之内，在硬件层面上的OS、中间件、各种应用尚未完全齐备之前，企业级用户对它的信心还不会太强。”因此用户对传统大型机和RISC服务器稳定性的根深蒂固的认同成为安腾应用的一大阻碍。所以，安腾面临的问题是复杂也是严峻的，对这些问题的解决方案决定着安腾的兴衰。安腾能否自我完善，从安腾的未来里也许可以看得到希望。图334安腾的未来虽然一路跌跌撞撞，但安腾的未来还是被看好的。这里有一份来自业内分析公司IDC的最新报告表明，基于INTEL安腾2处理器的服务器市场正在进入迅猛发展阶段。根据对IDC企业服务器客户小组（ENTERPRISESERVERCUSTOMERPANEL）501名成员的调查，该报告指出客户对基于安腾的服务器非常满意，而且有很强的购买意向。此外，接受调查的超过三分之二的PARISC服务器客户计划向安腾服务器迁移。IDC调查报告显示，到2009年，安腾服务器市场将增至66亿美元左右。在今后的5年中，安腾服务器的复合年增长率有望达到35，而整个服务器市场的复合年增长率为34。该报告指出，安腾被更明确地定位为一种针对关键任务应用（如企业资源规划、客户关系管理和业务智能）的解决方案。据消息透露，INTEL公司代号为“MONTECITO”的双核安腾2处理器将在6月上旬举行的台北电脑展上向公众展示。双核安腾2处理将在今年七月份量产，到今年第三季度结束，英特尔预计双核安腾二处理器将占据安腾服务器一半的市场。图4安腾2处理器（左下）与双核安腾（MONTECITO）样品（右下），两个处理器上方为它们的核心硅片MONTECITO是INTEL的首款拥有双核心设计以及多达24MB的三级缓存安腾2处理器，早在2003年INTEL就透露在MONTECITO中使用到了名为“ARBITER”的创新总线结构，但业界一直都没有得到更详细的官方说明，但我们预测ARBITER总线结构将在未来INTEL所有的双核心处理器产品中得到广泛应用。据消息还透露了代号为MILLINGTON的产品，MILLINGTON是MONTECITO的简化版，和MONTECITO相比较拥有更少的缓存，估计MILLINGTON是为低端双路服务器系统量身定做的。而LVMILLINGTON则是MILLINGTON的低电压版本。MONTECITO的性能提升主要来自于双核架构、超线程技术和大容量缓存。由于它集成了两个安腾2处理器的核心，它每时钟周期可并行处理的指令数就从安腾2的6条增加到了12条，超线程技术则提升了它的工作效率。它容量高达265MB的二级和三级缓存（每核心独享12MB三级缓存和125MB二级缓存）与二三级缓存总容量最高达925MB的安腾2相比，提高了近两倍。MONTECITO以及MILLINGTON芯片都拥有包括动态电源管理（FOXTON）和缓存纠错功能等一系列新近开发出来的技术。INTEL总裁兼COOPAULOTELLINI指出通过FOXTON技术能够动态的调整安腾2的速度，不论动作是超频还是降频。通常超频在服务器领域是不受推荐的，而动态降频则能帮助降低芯片功耗及运行成本图5MONTECITO的双核心安腾2芯片晶圆另据消息，INTEL将推出4个内核的安腾处理器，代号为“TUKWILA”，计划在2008年上市。INTEL采用4个内核的芯片设计方案将为用户提供更好的单线程功能，使INTEL的安腾处理器性能介于IBM速度更快的POWER6处理器和SUN微系统公司的16个内核的ROCK处理器之间。TUKWILA还将带有英特尔最新的CSI通用系统互连总线，降低系统延迟，提供串行连接方式，使用微分信号。这种处理器采用了一个在芯片上的FBDIMM内存控制器。这种内存控制器可以减少延迟。FBDIMM内存控制器可能支持4个频道的内存，也可能支持更多频道的内存。由于减少了内存的延迟，TUKWILA处理器需要的缓存容量比以前的安腾芯片要少一些。图6FBDIMM内存模块代号为“MONTECITO”的双内核安腾处理器配置了27MB缓存，而TUKWILA处理器每个内核只有6MB三级缓存，或者是整个处理器芯片有24MB缓存。最初的图表显示，这种芯片上的4个内核和和每个缓存之间都有一个控制通信的开关。TUKWILA处理器的第一个代号叫“TANGLEWOOD”，原计划在2007年推出。TUKWILA处理器最终应该使英特尔在芯片设计的许多方面赶上竞争对手，如芯片上的内存控制器和使用更多的内核同时处理多个软件线程等。图7TUKWILA处理器技术细节4技术介绍41EPIC微处理器INTEL的INTANIUM（安腾）处理器属于64位的EPIC微处理器，采用018微米的CMOS制造工艺。IA64的奔腾处理器与IA32应用程序不能完全兼容，众所周知，64位CPU可以快速而精确地执行应用程序，允许程序人员在设计程序时可以使用比以往更大的数据库和存储空间，可以处理很复杂的计算模型。作为64位微处理器架构，IA64代表了一种新的微处理器的发展方向。IA64微处理器采用显示并行指令计算（简称EPIC）技术和分支预测、动态执行等技术，以提高指令执行的并行性。EPIC技术突破了传统RISC处理器暗示并行的排序代码并传递给处理器执行的限制，利用编译优化技术获得最大限度的并行能力，并以明显的方式传递给处理器，使处理器可以更有效地并行执行指令。简单地说，EPIC处理器首先由编译程序分析指令之间的依赖关系；然后将没有依赖关系的指令组合成群；最后由内置的执行单元读入指令群并分头并行执行。由于各条指令究竟分配给哪个单元是由编译器来决定的，而不是由硬件进行调度，因此降低了处理器的制造成本。EPIC处理器中除了采用EPIC技术外，还采用分支预测和动态执行技术来提高处理速度。所谓分支预测就是采用分支判断语句，进而确定选取哪一个分支和舍弃哪一个分支。换句话说，利用分支预测功能可以提高分支预测的命中率。所谓动态执行技术，就是在程序运行过程中，当发现某个数据需要用到时，就将该数据提前从存储器中取出，并放入寄存器中备用，这样可以减少等待从存储器中取出数据的时间，提高了CPU的运行效率。分支预测和动态执行都会打乱程序原来的执行程序，并需要动态地重新进行排序执行，这要通过优化编译程序来实现。当前EPIC处理器工作的时钟频率达到了1GHZ的数量级，所以运算速度也得到提高。42FBDIMM技术INTEL即将推出的安腾TUKWILA处理器采用了FBDIMM内存控制器。FBDIMM英文全称为“FULLYBUFFEREDDIMM”，又称为全缓冲双列内存模组。FBDIMM是在普通DDR2内存的基础之上改进而来的，但其与普通DDR内存却有了很大的变化。FBDIMM最大的特点是以串行的方式进行数据传输首先，与目前的DIMM采用的是一种“短线连接”STUBBUS的拓扑结构不同，FBDIMM与内存控制器之间的数据与命令传输不再是传统的并行线路，而采用了类似于PCIEXPRESS的串行接口多路并联的设计，以串行的方式进行数据传输。图7“点对点连接”右与“短线连接左”在FBDIMM架构中，每个DIMM上的缓冲区是相互串联的，之间为点对点的连接方式，数据会在经过第一个缓冲区后传向下一个缓冲区，这样，第一个缓冲区与内存控制器之间的连接阻抗就能始终保持稳定，从而有助于容量与频率的提升。图8FBDIMM系统架构6结束语安腾自问世之日起，就牵动着业界的许多目光，一路风雨飘摇走来已经5年了，尽管INTEL宣称安腾盛世即将来临，但从上面的报告分析表明，安腾要想进入安腾盛世还需要一定的时间与投入。INTEL要实现“三到五年内让安腾成为高端服务器市场主流”的目标，还有很长的路要走。在和RISC阵营激战的过程中，将“赌注”押在安腾上的众多商家能否笑到最后，尚且需要经受市场的考验。INTEL要实现它的安腾王朝，还需要在安腾的诸多方面作提高，在移植与应用方面要作相应改善，同时在来自业界其他竞争对手的压力下，INTEL必须在提高安腾性能的同时，还要相应降低成本价格。也许，安腾盛世会在不久的将来实现。7附录安腾处理器大事记1994年6月，英特尔公司与惠普公司签署合作协议，为服务器和工作站市场共同开发全新的64位架构。1997年11月，英特尔公司与惠普公司宣布推出基于清晰并行指令计算EPICEXPLICITLYPARALLELINSTRUCTIONCOMPUTING）的安腾架构，并就推出产品代号为“MERCE