处理器发展的必然趋势─多核心

　　■处理器发展的必然趋势─多核心

　　为了要达成摩尔定律新世代硅芯片在晶体管数、效能提升的期望值，半导体厂商无不藉由开发新一代制程技术，将既有的晶体管店路线距微缩，并且藉由深度管线化等设计技巧来拉升运算频率。但是伴随而来的是居高不下的处理器运算的废热，从1995年Pentium处理器推出时热功率仅10～15瓦，发展到今日3.8GHz频率的LGA775 Pentium4 580/680处理器高达115W。

 
　　▲双核心／多核心将是明日计算机运算系统的新趋势

　　为了控制处理器的热功率不要持续的攀升，并且适当的延续摩耳定律来提升芯片效能，当今业界逐渐朝向不提升效能，改增加多重平行处理的思维，直接已既有研发完成、验证过的处理器核心，以两个或多个核心的方式加以迭加，直接设计出芯片多线绪（Chip Multi-Threading, CMT）、或芯片多重处理（Chip Multi-Processing、CMP）的处理器设计思维，就成为后摩尔时代处理器研发趋势。而多核心在效能／功率比的表现上，也会远比单核心的效能／功率比还来得出色。

 
　　▲多核心与单核心的效能／功率比

　　■双／多核心的处理器发展史

　　在双／多核心处理器的发展史上，蓝色巨人IBM首度在1999年10月微处理器论坛中揭露了双核心Power4的研发计划，2000年以180奈米铜导线搭绝缘硅（SOI）制程打造Power4处理器工程样本开机成功，随即成为业界对双／多核心处理器发展的关注焦点。随即惠普（HP）、太阳(SUN）也陆续在2001年、2003年推出各自发展的PA-8800、UltraSPARCⅣ处理器，与IBM一同加入双／多核心处理器的发展行列。

 
▲引爆双／多核心处理器设计潮流的IBM Power5芯片。

　　而领导双、多核心发展技术的IBM，进而在2003年8月IEEE Hots Chips揭露Power5——集结双实体CPU核心，每颗CPU具备单核心同步超执行绪（SMT─Simultaneous Multi Threading），一颗硅芯片可以开启四颗逻辑处理器的分身；再加上Power5处理器又包入四个处理器硅芯片，一颗MCM封装的Power5处理器，就可以开启4×4＝16个逻辑处理器。IBM并且在2004年10月导入两款高阶64way的IBMp5 595服务器，以及32way的p5 590服务器产品。并且在许多像是SPEC CPU2000业界处理器效能指标上，遥遥领先英特尔Itanium2处理器。IBM Power系列已成为IBM高阶服务器处理器的主力战舰，更是英特尔要攻占高阶服务器市场必须跨越的可敬对手。

　　在x86架构横行的PC市场上，则是由英特尔的宿敌超微（AMD），率先在2004年8月31日德州奥斯汀Fab25晶圆厂建厂周年纪念会上，展示了在惠普（HP） Proliant DL585服务器上，安装四颗双核心的Opteron处理器，呈现实体八线路（8way SMP）核心运作的能力。随后在去年底的处理器发展蓝图表，将今年（2005年）上半，正式在服务器以及桌上型计算机市场，推出双核心的Opteron，以及桌上型Athlon64（随后命名为Athlon64x2）处理器的计划。

　　■2004年下半英特尔急起直追

　　由于当时英特尔许多产品推出时程屡屡延迟，特别是4GHz Pentium4 580处理器因为设计功率过热而取消，前总裁Craig Barrett在一场Garnter举办的投资会议中，还为此向投顾法人以及与会代表下跪并道歉，同时也迫使英特尔全面策略大转向，转向双核心／多核心发展。

　　在2004年九月秋季IDF时，英特尔才正式发表研发多时的双核心Itanium2处理器（代号Montecito）的一些具体规格，但频率并没有公布出来。而在桌上型x86处理器部份，虽然英特尔也展示了自己的双核心处理器平台，但由于并没有实际展示双核心的处理器芯片本体，一直被业界质疑，是临时拿两颗Pentium4处理器硅芯片，以多芯片封装（MCM）技术所造出来的技术宣示性展示品。

　　在今年三月2005 IDF Spring期间，英特尔终于藉由以往累积在制程技术上的实力，发挥了后来居上的优势，频频展示出多款90奈米以及65奈米制程的各种双核心处理器的硅芯片。从包含90奈米制程、原先代号为smithfield的Pentium D、Pentium Extreme Edition 840，入门服务器的双核心XEON MP（Paxville）、IA64架构双核心四线绪的Itanium2（Montecito），以及下一代65奈米制程的Presler、Dempsey处理器，以及笔记型第一颗双核心Yonah的处理器一共五款双核心处理器的雏形硅芯片。

 
▲于2005春季IDF会场展示的双核Smithfield处理器硅芯片。
　　英特尔也表示，另外有10组双核心／多核心处理器研发计划正如火如荼的进行着。

　　■抢先三天的双核心顶级旗舰－Pentium Extreme Edition 840

 
▲Pentium Extreme Edition极致版处理器商标。

　　由于听闻超微（AMD）于4月21日正式发表双核心Opteron服务器处理器，以及代号Toledo的Athlon64x2处理器，英特尔抢先于4月18日发表Intel Pentium Extreme Edition 840，也是英特尔第一颗双核心、同时具备四个执行绪执行能力的处理器。千颗量购单位的美元单价为999美元，伴随发表的桌上型芯片组为955X芯片组。

 
▲Pentium XE 840处理器工程样本。

　　以英特尔送测的这颗LGA775封装的3.2GHz Pentium XE 840处理器（底下简称Pentium XE 840），工程样本的编号为80551PG0881M。其原始代号为Smithfield XE，采用90纳米搭配Strained Silion应变硅制程制造，相当于将原先两个90奈米制程的Prescott硅晶电路迭加起来，总晶体管数量为两亿三千万个（230millions），硅晶面积为206平方厘米（206mm2）。初期公布的核心频率为3.2GHz，设计功率高达130W。

　　Pentium XE 840以及稍后介绍的Pentium D 820处理器，都是采用单晶粒双核心的设计。也就是在单一硅晶粒内，实作两个独立运作的处理器电路核心，每个CPU核心各自有独立12KμOps、16KBD-Cache、1MB L2 Cache的NetBurst架构设计，双核心对外采共享一组800MHz前端总线设计，透过仲裁线路判定并分派哪颗CPU核心拥有总线数据主控权。这就像以往two way双处理器计算机平台的概念一样，只不过是直接在单一硅芯片上实作、整合。而这种单晶粒双核心的设计，由于只是单纯把晶粒上的核心直接加倍而已，不必大幅修改现有核心，产品实作以及验证速度上得以简化。

 
▲3.2GHz双核心Pentium XE 840的处理器信息。

　　若以CPU-Z工具程序检测，这颗LGA775封装的Pentium XE 840的工程样本，核心代号侦测出来为smithfield，处理器家族编号（Family）为15（OF），产品型号（Model）为4，制造批号ID（steppind ID）为4，系统支持的倍频率为14～16，前端总线（Front-Side Bus, FSB）为200MHz QDR，也就是800MHz FSB。

　　我们也发现到，由于英特尔特地以将Pentium XE内每个CPU子核心内，HyperThreading超执行绪分派执行电路的功能给开启，因此具备两个CPU核心，再加上每个处理器核心开启HT超执行绪功能分身成为两颗逻辑处理器，Pentium XE处理器在BIOS选项的Hyper-Threading功能开启时，一进入操作系统，你会发现系统侦测到有四颗逻辑处理器在平行运作。

 
▲从工作管理员以及装置管理员可发现有四颗逻辑处理器在运作。

　　一旦把Hyper-Threading超执行绪功能关闭，再进入操作系统时，就只剩下一颗真实处理器核心可以运作。但笔者对此设计是有些意见，稍后再为各位读者详述。

　　除此之外，Pentium XE 840也支持MMX指令集、SSE、SSE2、SSE3指令集，以及跟AMD64（x86-64）兼容的EM64T（IA32e）指令集，同时也具备eXecute Disable bit（XD）执行禁止位关闭机制，可搭配Windows XP ServicePack2的DEP安全防护机制，以及可随时监控CPU硅晶运作温度的Thermal Monitor2（TM2），以及C1E模式─在窗口进入闲置模式下动态切换到2.8GHz低速低电压模式以节省电源的设计。

　　由于Pentium XE 840不具备Enhanced Intel Speedstep Technology（EIST）增强型节电管理机制，不能依工作负载，动态的在2.8GHz～3.2GHz频率之间做降频／降压切换，除了前述提到设计热功率高达130W，加上开机IccMax最大值电流量125A，瞬间开机最大电流量更高达132.5A来看，955X或其它支持双核心的主机板，在电源供应线路的设计上更趋于严苛。

　　■32bit／64bit双OS测试

 
▲64位的Windows XP Professional x84 Edition操作系统画面。

　　这次我们首度尝试，同时以两个相同编号、容量的硬盘，一套灌传统32位的Windows XP Professional Service Pack2（SP2）操作系统，另一套则是安装最近微软正式公布的Windows XP professional x64Edition操作系统，它是一套针对AMD64或Intel EM64T（IA32e）等既64位x86指令延伸架构所开发的操作系统，它有针对既有的32位Windows应用程序以及64位Windows64应用程序设计了各自互相独立的执行环境，而既有的32位应用程序可以藉由Windows XP的WOW64子系统(Windows On Windows64)将32位函式呼叫转成64位的函式呼叫，由64位的操作系统核心服务并执行。

 
▲Windows XP x64版分割32/64bit程序执行环境、呼叫WOW64来达成兼容。

　　虽然既有的32bit评测软件，大多数也可以在Windows XP x64版执行，但是藉由WOW64中介接口的转换呼叫，中间难免有些效能折损，我们觉得在64bit OS跑32bit的Benchmark程序意义不大。要发挥64位的原生效能，则必须要64位的AMD64或EM64T/IA32E的指令集编写、重新编译之后，才能在Windows x64环境下有最佳的执行效能。

　　由于Windows x64毕竟才刚推出没多久，有针对x64环境开发的纯原生64位评测软件并不多，笔者评估了一阵子，大多数的效能测试，还是以原先32位的Windows XP专业版环境，搭配现有的32位评测软件为主，如FutureMark公司的3DMark''05（2005年版） v1.2.0版，SiSoft Sandra 2005 SR2版、SPEC View Perf v8.01、Auto Gordian Knot（AutoGK）等可将DVD（.vob）影片格式转换成XviD（.avi）格式的影像解／编码软件、Doom3（毁灭战士3）游戏，以及由Maxon公司根基于Cinema 4D绘图软件所开发的CineBench2003软件，可以针对2颗、4颗或多颗CPU做多线绪画面分割、实时着色平行运算的软件。

　　64位效能评测部份，目前仅先列入原生AMD64/EM64T等x84环境编译过的Sisoft Sandra 2005的64位版的评测软件数据。至于有些游戏软件例如CryTek公司的Far Cry（极地战嚎），其64位版本，事实上是以提供部份呼叫函式、驱动程序的64位最佳化的附加套件方式（例如FarCRY），主程序仍然安装在32位的软件环境下，藉由WOW64在Windows x64环境下执行，由于测试出来的数据有波动、浮动的情况，我们暂时不加以列入。

　　无论是32bit OS或64bit OS环境下，我们在做效能分析之前，均先将硬盘重整、排列最佳化之后，再来进行效能实测以及数据上的判读，若有不合理现象还会做反复测试、查核的动作。同时以水平长条图的方式，将各处理器在每个评测软件、评测项目的测试数值，以不同颜色的长条图方式作为呈现。

　　■蓝绿双核CPU的极致对决－Pentium XE 840 vs ATHLON64x2 4800+

　　我们评测的重点摆在超微（AMD）双核心顶级旗舰－Athlon64X2 4800+，对上英特尔最顶级的双核心、4线绪的3.2GHz Pentium Extreme Edition的评测。

 
▲超微提供的Athlon64X2测试平台（华硕A8N-SLI Deluxe主机板）

　　超微双核心Athlon64X2 4800+测试平台部份，由超微（AMD）台湾分公司送测一整套评估套件，采华硕A8N-SLI Deluxe主机板，采用NVIDIA nForce4 SLI芯片组设计，提供2组PCI-E 16X PEG扩充槽，可供2块NVIDIA GeForce6600GT、6800 Ultra等级的显示卡以SLI方式平行串接运算，内存部份则搭配2只Corsair XMS3200 512MB、DDR400内存，总容量为1GB。

　　超微同样搭配了由Thermaltake公司开发的K8散热器，具备两只长Ｓ形曲状热导管的设计，以及加大面积的倒凸形状散热鳍片的设计，可以在不太过提高马达转速的情况下迅速排除Athlon64X2 4800+产生的高热，同时运作时依然保持必要的宁静程度。

 
▲AMD Athlon64X2平台：从BIOS侦测到2颗实体CPU的情形。

　　测试平台在安装好开机后，BIOS也确实显示出有两颗实体CPU被侦测到的情形。同时进入操作系统后，也从系统的装置管理员侦测出有2颗CPU在运作。

 
　　Athlon64X2 4800+在Cinebench2003下，启动双核心双线绪平行处理运算。画面被分割成上下两半，同时有两个执行绪在做着色运算。

　　至于在英特尔双核心Pentium Extreme Edition 840测试平台部份，由于英特尔仅有955X Express芯片组有支持到Pentium Extreme Edition，我们选用技嘉GA-8I955X Royal主机板，采用英特尔955XExpress搭配ICH7R（82801GR）南桥芯片组成，支持DDRⅡ-533、667、800以上的内存模块，具备一组PCI-E 16X的PEG绘图扩充槽、3组白色PCI扩充槽、2组PCI-E 1x扩充槽，以及6组SATAⅡ连接端口，搭配的内存为宇瞻（Apacer）DDRⅡ-667、512MB内存模块2只。

 
▲技嘉GA-8I955X Royal主机板。

　　2组平台除了受限于处理器与平台架构差异（芯片组、内存种类）的差异之外，我们将双方设定一样的双信道、总容量1GB的内存，搭配PCI-E接口的显示卡为同一张ATI RADEON X800 XT PE显示卡，具备256MB影像内存，核心／内存频率为520／1120MHz。硬盘也采用过去以来一直使用的希捷（Seagate） Barracuda SATA V、120GB的硬盘机。

 ▲Cinebench2003可针对单／双核心、多线绪执行分割画面平行处理运算。画面为PentiumXE正执行4线绪画面处理，屏幕上很清楚看出画面被分割成4份，同时有4个执行绪在做着色运算。

　　由于我们维持显示卡、硬盘、内存模块，以及驱动程序的一致性，所以这列入的测试数据，肯定有公平且一致性的基准点，可以客观的呈现过去双方顶级处理器应有的效能表现。后续测试报导，请详见「CPU蓝绿超强的核武竞赛－Intel Pentium XE 840 vs AMD Athlon64x2 4800+」后续报导。

　　■新世代双核心Pentium D/XE芯片组

　　伴随Pentium XE 840处理器一同提前推出的955X Express芯片组，是英特尔定位在定位在最高单处理器架构工作站效能平台，955X是英特尔官方目前为止，唯一宣布支持最高阶双核心Pentium Extreme Edition 840处理器的芯片组。

　　955X Express芯片组由1202 FCBGA封装的925X MCH北桥控制芯片，搭配652 mBGA封装的第七代南桥芯片（82801GB ICH7）、80801GR（ICH7R）。目前千颗量购单价至少为50美元，随不同搭配的ICH7、ICH7R与ICH7-DH增加到53、60美元，价钱相当高昂。

 
▲955X Express芯片组运作方块图。

　　955X Express芯片组支持800MHz与1066MHz FSB前端总线，支持一组PCI Express 16x绘图扩充接口，并预留搭配另一组PCI Express 16x桥接芯片，或者未来提供两组PCI Express 16x的双PEG扩充槽能力。支持1.8V电压、240pin 规格的DDRⅡ-533、667或更高频率的内存，支持Intel Flex memory Technology弹性双信道内存配置技术，可以发挥最高10.67GB/s的内存传输频宽，并支持Intel Memory Pipelined Technology内存管线化串流模式，并减少内存数据从北桥芯片调拨时的延迟时序，以增加总线的使用效率。

 
▲第七代南桥ICH7R。

　　955X北桥芯片以100MHz频率、双向传频频宽达2GB/s的DMI（Direct Media Interface）与南桥芯片连接。目前能与955X北桥芯片搭配的第七代南桥芯片（ICH7 Series）目前有两款：基本款ICH7（82801GB），仅提供四组PCI-E 1x扩充槽接口、四组SATAⅡ磁盘端口（300MB/s）、8组USB 2.0连接埠；增加到六组PCI-E 1x扩充槽、具备RAID 0、1、0+1与RAID 5磁盘阵列功能的ICH7R（82801GR），以及预计下半年推出，搭配Anchor Creek数字家庭计算机平台，支持10组USB 2.0连接埠，可外搭无线上网模块、建构无线基地台功能的ICH7-DH（编号不明）。以上均提供经过杜比实验室（Dolby/DC）认证，具备7.1声道、24bit／192KHz取样频率的高传真音效（High DefinitionAudio，HD Audio）功能。

　　另外，绘图芯片大厂NVIDIA，在今年三月所针对Intel架构推出的nForce4 SLI Intel Edition（以下简称nForce4 SLI IE）芯片组，原始代号为C19。采用南北桥分离式设计，由北桥芯片nForce4 SLI SPP（C19 SLI SPP），搭配南桥芯片nForce4 Ultra MCP（MCP04 Ultra）所组成，目前南北桥芯片相互连接的频宽为800MHz HyperTransport Bus（800MHz HT-Bus，1.6GB/s）。

 
▲nForce4 SLI Intel Edition芯片组。

　　北桥nForce4 SLI SPP（C19 SLI SPP）支持800MHz、1066MHz前端总线，可支持LGA775封装的IntelPentium4 5xx／6xx系列、Pentium4 Extreme Edition，以及双核心的Pentium D 8xx系列、PentiumExtreme 8xx系列等处理器。nForce4 SLI SPP除了支持20个PCI-E 1x线道，可设计出一组PCI-E 16x的PEG扩充槽，外加三组PCI-E 1x扩充槽之外，或者透过SLI切换卡切换、具备两组PCI-E 8x频宽的双SLI模式，以搭配NVIDIA近年强打的SLI双卡运作的平台概念。

　　南桥nForce4 Ultra MCP（MCP04 Ultra）除了提供AC97 7.1声道环场音效电路、Gbps以太网络控制器、10组USB 2.0连接埠之外，也提供四组传输速率达3Gbps（300MB/s）的SATAⅡ磁盘端口，并支持NCQ、RAID0,1,0+1,5跨控制器磁盘阵列技术。ActiveArmor安全网络引擎，支持微软TCP Chimney架构的硬件防火墙线路，直接以硬件运算方式进行异常网络封包的过滤，可以将处理器耗用资源从以往75％降低到约18％左右，同时大幅提升计算机的防护能力。