Intel首款45nm新旗舰QX9650超详细测试

45纳米硅晶片制程——摩尔定律仍在延续

　　 严格意义上而言，2007年可以称得上是晶体管的“六十大寿”。1947年12月16日，Bell Labs贝尔试验室的William Shockley威廉姆·萧克利、John Bardeen约翰·巴丁以及Walter Brattain沃尔特·布拉顿等三位科学家成功研制出世界上第一枚晶体管，并以此荣获1956年的诺贝尔物理学奖。1950年，William Shockley威廉姆·萧克利又成功研制出世界上第一枚双极性接面晶体管，这亦是现时通用晶体管的雏形。十一年之后的1961年4月25日，身为日后Intel英特尔公司创始人之一的Robert Noyce罗伯特·诺伊斯拿下了首个集成电路的专利权，使得晶体管向着微型化、广泛化应用发展。

　　1965年，另一位日后Intel英特尔公司的创始人Gordon Moore戈登·摩尔应Electronics Magazine电子杂志之邀撰写了一篇题为“让集成电路填满更多元件”（Cramming more components onto integrated circuits）的文章，对未来半导体元件工业的发展趋势做出了预测。Gordon Moore高登·摩尔在文章中指出：单块硅晶片上所集成的晶体管数目大约每年（注：1975 年，Gordon Moore高登·摩尔将这一周期修正为每两年 ）增长一倍，而这一预言亦是日后所广为人知的“摩尔定律”。

　　1968年7月，Robert Noyce罗伯特·诺伊斯和Gordon Moore高登·摩尔最后一批离开Fairchild Semiconductor仙童半导体公司，在风险资本家Arthur Rock阿瑟·洛克的帮助下，创立了NM Electronics NM电子公司，并在不久之后以15000美元购得Intel英特尔商号，公司亦随之更名，全称为Integrated Electronics集成电子设备公司。Intel英特尔公司成立之后一直在晶体管技术方面处于领先地位，次年便成功研制出PMOS硅栅晶体管技术，除使用传统二氧化硅栅介质之外，亦引入新的多晶硅栅介质。Intel英特尔公司于1971年推出的首款微处理器4004便是以10微米PMOS硅栅晶体管技术制成，1/8 x 1/16英吋的单位面积内能够容纳2000个左右的晶体管数量。

Intel公司45纳米硅晶片效果图

　　 现时IC制程工艺通常以纳米做为度量单位，其实际上是指集成电路中晶体管之间的连接线宽。连接线宽越短，单位面积的晶片上所能够容纳晶体管数量也就越多，其效能及功能亦将随之增强。45纳米Penryn家族处理器中的双核心版本将内建4.1亿个晶体管，而四核心版本则更是创下了内建8.2亿个晶体管的历史新高。当然，越来越难控制的晶体管发热量以及电流泄漏是始终不容忽视的，因此Intel公司亦于45纳米Penryn家族处理器中对晶体管材料做出有益尝试，并取得显著成效，而193纳米干式平版印刷技术的延伸应用亦使其成本优势及易制造性得以充分发挥。

新材料——晶体管发展四十年来之最大突破

　　出于二氧化硅的易获取性以及能够通过压缩其厚度以持续改善晶体管效能，因此在过往四十余年的时间中，业内均普遍采用二氧化硅做为制造晶体管栅介质的材料。而在65纳米制程工艺下，Intel公司已经将晶体管二氧化硅栅介质的厚度压缩至1.2纳米，仅与五层原子的厚度相当，基本上达到了这种传统材料的极限。此时不但使得晶体管在效能增益以及制程提升等方面遭遇瓶颈，过薄的晶体管二氧化硅栅介质亦使得其阻隔上层栅极电流泄漏的能力逐渐降低，导致漏电率大幅攀升。

45纳米新型High-k + Metal Gate介质与传统材料之比较

　　为了使上述情况得到解决，Intel公司于45纳米Penryn家族处理器中首度引入High-k技术。此种以hafnium铬元素为基础物质的新型材料不但拥有良好的绝缘性，且比传统二氧化硅栅介质更为厚实，能够进一步控制晶体管的漏电率。当然，由于High-k晶体管栅介质与现有晶体管栅极并不兼容，因此Intel公司亦同时拿出新型晶体管栅极材料，使得晶体管内部源极到漏极之间的驱动电流增加20%以上，不仅能够有效提升晶体管效能，亦能够使得晶体管内部源极到漏极之间的漏电率降低5倍左右，但Intel公司并没有透露这种名为Metal Gate的合金材料的具体组成细节。

Intel公司45纳米High-k + Metal Gate介质示意图

　　High-k栅介质与Metal Gate栅极的引入能够使得晶体管漏电率较之传统材料降低10倍以上，与65nm制程工艺相比能够在相同耗能下提升20%的时钟频率亦或是在相同时钟频率下拥有更低的耗能。45纳米晶片每秒钟能够进行约三千亿次的开关动作，在以铜与low-k材料搭配组成的内部连接线的作用下，晶片开关速度能够提升20%且耗电量降低30%。

　　值得一提的是，除二氧化硅外，铅由于其具备相当的电气和机械特性，数十年来亦被广泛应用电气元件的制造中。不过虽然其创造价值无数，但对于生态环境以及人类健康的危害亦不容被忽视，从业者也在积极寻找能够充分满足制造需求的铅替代材料，而身为全球领先半导体厂商的Intel公司更是有着义不容辞的责任与义务。

　　对现代处理器而言，铅主要存在于用于连接硅晶片与基板的内部连接点第一层内5%左右的焊锡中，而Intel公司则以锡、银、铜的合金取代现有铅、锡为主的焊锡，并宣布于45纳米High-k + Metal Gate产品中全面采用100%无铅工艺制造，而2008年基于65纳米制程工艺制造的产品亦将加入到这一行列之中。值得一提的是，对于拥有复杂硅晶片连接结构的处理器技术而言，替换其连接材料绝非易事，Intel公司为此耗费了大量的精力，但其意义无疑是相当深远的。

处理更多精彩——Intel多媒体指令集回顾

　　1997年，Intel公司于处理器中引入Single Instruction Multiple Data（SIMD）单指令多数据概念。顾名思义，它是通过一组控制器控制多组平行的微处理单元，以达成提升数据处理能力的目的。Multi Media eXtension（MMX）是Intel公司的第一代多媒体指令集，对应产品亦随之被命名为Pentium MMX，其共拥有57条指令，优点是能够大幅增强处理器的多媒体运算能力，但是由于MMX指令集与处理器内部的浮点寄存器不能并行工作，因此这在一定程度上影响了其绝对效能。

　　Intel公司于1999年发布了其第二代多媒体指令集——Streaming SIMD Extensions （SSE），对应产品为Pentium III处理器。SSE多媒体指令集增加了对于八组128位XMM0-XMM7寄存器的支持，每组寄存器能够存储四组单精度浮点数。虽然处理器内部的浮点寄存器再一次被新的多媒体指令所占用，但是两者之间的运算模式切换不再成为必须，只是不能同时进入处理器的处理线而已。

　　Intel公司的第三代多媒体指令集——Streaming SIMD Extensions 2 （SSE2）于2000年发布，共新增144条指令，对应产品为NetBurst微架构的Pentium 4处理器，其不但加入了64位双精度浮点运算指令和整数运算指令，以及降低处理器对于Cache缓存延迟的控制指令，更是完全解决了多媒体指令占用处理器浮点寄存器的问题。

　　2004年，Prescott内核的Pentium 4处理器将Intel公司的第四代多媒体指令集——Streaming SIMD Extensions 3 （SSE3）带给世人，共新增13条指令。SSE3多媒体指令集加入水平式整数寄存器，可对多重数据同时进行加法或减法运算，使得处理器能够大量执行DSP数字信号以及三维运算，浮点数值转换为整数数值亦不再需要进行运算模式切换，避免了执行等待所造成的运算效能损耗。

　　Supplemental Streaming SIMD Extension 3（SSSE3）多媒体指令集伴随着Intel Core微架构而生，共新增16条指令，其既是对于第四代多媒体指令集SSE3的补充，又是全新SSE4的子集，进一步增强了处理器对于多媒体、影像以及网络应用的处理能力。

SSE4——六年来之多媒体指令集最大改进

　　而Intel公司真正严格意义上的第五代多媒体指令集——Streaming SIMD Extension 4（SSE4）被视为是继2001年的SSE2之后最为重要的多媒体指令集改进。除扩展Intel 64位指令外，还新增对于影像编辑、视讯编码、三维渲染以及游戏应用等方面的指令，使得处理器的效能受益性更为广泛。

Intel公司亦于45纳米Penryn家族处理器中引入SSE4多媒体指令集

　　第五代SSE4多媒体指令集将分为SSE4.1以及SSE4.2两个版本，其中SSE4.1版本将首度于45纳米Penryn家族处理器中出现，共增加了47条新的指令。全新的SSE4多媒体指令集将增加两组不同的32-bit向量整数乘法运算单元，并引入八位无符号最大值/最小值运算支持，以及16-bit/32-bit有符号和无符号运算支持，从而有效改善编译器执行效率并提升向量整数以及单精度代码的运算能力。与此同时，SSE4多媒体指令集进一步改善插入、提取、寻找、离散、跨步负载以及存储等动作模式，使得向量运算趋于专门化。

总共新增47条指令是继2000年SSE2发布以来改进最大的一次

　　第五代SSE4多媒体指令集新增六条浮点点积运算指令，支持单精度、双精度浮点运算以及浮点生成操作，这对于3D游戏以及三维内容生成将产生积极影响，而对于SSE4多媒体指令集在多领域实际应用方面的效能增益程度，我们将通过对Core 2 Extreme QX9650与Core 2 Extreme QX6850的对比测试给予求证。

庞大且豪华的软件支持阵营

　　值得一提的是，现时已有总共21项的目标应用向Intel公司承诺将提供对SSE4多媒体指令集的支持，其中DivX、TMPGEnc和Adobe Premiere已先行一步，而Sony Vegas、Pinnacle Studio Plus以及MainConcept H.264 encoder等多项应用亦将于2008年加入这一行列。除此之外，已经有100家以上的独立软件开发商为Intel公司设计程序，SSE4多媒体指令集以及多核心应用的前景亦将更为广阔。

45纳米Penryn家族——不仅仅是制程提升而已

　　正如Intel公司的Tick-Tock发展战略所描述的那样，一个Tick不仅仅将催生出新一代的硅晶片制程工艺，亦将对现有微架构做出改良，因此我们可以将45纳米Penryn称为Enhanced Intel Core Microarchitecture增强型酷睿微架构，这其中包括了Fast Radix-16 Divider快速Radix-16除法器、Super Shuffle Engine超级Shuffle引擎以及Split Load Cache Enhancement分裂负荷缓存增强等多项新型特性。

45纳米Penryn在设计优秀的Core微架构基础上继续做出改良

　　除此之外，Improved Store Forwarding改善存储转发、Faster OS Primitive Support更快的操作系统原始支持、Virtualization Performance Improv虚拟性能的改进、Deep Power Down Technology深度断电技术以及Enhanced Dynamic Acceleration Technology增强动态加速技术等亦被引入其中。

Fast Radix-16 Divider快速Radix-16除法器：

Fast Radix-16 Divider快速Radix-16除法器

　　45纳米Penryn家族在Core微架构的基础上进一步改良了除法器的设计，被Intel公司称为Fast Radix-16 Divider快速Radix-16除法器的设计能够加速浮点以及整数的除法运算速度，在科学运算、三位坐标转换以及其它密集型数学运算中能够获得约两倍的除法运算速度。由于基数为4的算法会在每次迭代算法中计算出2位的商值，因此当这一基数提升至16的算法时，则能够于每次迭代运算中计算出4位的商值，与前者相比，其延迟缩短了一半。

Super Shuffle Engine超级Shuffle引擎：

Super Shuffle Engine超级Shuffle引擎

　　45纳米Penryn家族中全新引入的Super Shuffle Engine超级Shuffle引擎能够使得多媒体指令运算更具效率。Core微架构中128Bit-SIMD整数运算单元以及128Bit-SIMD双精度浮点运算单元能够在处理多媒体指令时效率倍增，而Super Shuffle Engine超级Shuffle引擎则能够使得其覆盖范围更广，以降低数据延迟和吞吐量且不需要对软件进行改进。

Split Load Cache Enhancement分裂负荷缓存增强：

Split Load Cache Enhancement分裂负荷缓存增强

　　45纳米Penryn家族亦引入全新的Split Load Cache Enhancement分裂负荷缓存增强功能。当有数据读取动作时，若该数据位于两组不同的高速缓存中时，则将对负载行进行拆分，此时即便单组高速缓存行中的数据未调整至适当状态，但由于始终于单组高速缓存行中进行数据读取，亦较之从两组不同的高速缓存行中读取数据要快得多。

45纳米Penryn家族处理器效能增益说明

　　与上代对应产品相比，45纳米Penryn家族处理器在图形效能方面的提升约为15%，视讯编码能力平均提升20%，三维内容生成能力提升超过25%，游戏效能增益更是超过40%。当然，这还应当具体取决于软件设计而定。

x 0.5倍频概念——产品划更为灵活丰富

　　Intel早前曾宣布于2008年1月1日起正式启用经过简化的全新产品命名方式，原计划将现时双核心Core 2 Duo以及四核心Core 2 Quad产品线合并为Core 2，于处理器品牌中淡化核心数量，只以产品具体型号中的第一位英文字母做为区隔依据。但是在各大OEM业者的一致反对意见下，Intel公司最终取消了上述规划，而现有双核心Core 2 Duo和四核心Core 2 Quad产品线的命名方式亦得以保留。

Intel公司45纳米双核心硅晶片微观结构图

Intel公司45纳米四核心硅晶片微观结构图

　　为与旧有65纳米四核心Kentsfield以及双核心Conroe产品做出有效区隔，Intel公司亦采用全新的数字编号命名方式。其中，四核心Yorkfield内核产品将被最终命名为QX/Q 9000系列，而双核心Wolfdale内核产品则将最终以E8000系列命名。

　　具体至桌面级处理器产品线而言，Yorkfield内核四核心Core 2 Extreme QX9650将成为2007年年内所发表的唯一一款45纳米作品，而真正的45纳米Penryn大军则将于2008年1月份起陆续登场。其中，Wolfdale内核双核心Core 2 Duo E8190、Core 2 Duo E8200、Core 2 Duo E8400、Core 2 Duo E8500以及Yorkfield内核四核心Core 2 Quad Q9300、Core 2 Quad Q9450、Core 2 Quad Q9550将于同期发布，而3MB二级缓存容量版本的Wolfdale内核双核心型号以及Core 2 Duo E8300和1600MHz FSB规格的Core 2 Extreme QX9770则将于晚些时候与45纳米Penryn大军会合。

　　值得一提的是，在旧有65纳米四核心Kentsfield以及双核心Conroe产品的命名方式下，两者的第二位数字所代表时钟频率是一致的，而45纳米桌面级产品线由于将四核心Yorkfield与双核心Wolfdale分为不同系列，因此其第二位数字所代表的处理器时钟频率亦不再相同。

Intel公司亦于45纳米桌面级产品线中首度引入x 0.5倍频率概念

　　此外，Intel公司亦于45纳米桌面级产品线中首度引入x 0.5倍频率概念，其最低倍频率为x 6，而于x 7至x 13之间引入x 0.5设置，最高倍频率为x 15。当然，Intel公司之所以会于45纳米桌面级产品线引入x 0.5倍频率概念，主要是考虑到处理器外频率已由266MHz逐渐过渡至333MHz，若仍沿用旧有整数倍频率概念，则将随之拉大每一层级处理器的时钟频率差距，使得产品型号变少且不利于整体产品线的覆盖。而引入x 0.5倍频率概念则将使得产品型号设定灵活且丰富，有利于整体产品线的规划与部署。

QX9650——也许是全球最快的x86桌面CPU

　　考虑到现时四核心产品的市场占有率仍然不足5%，因此45纳米Yorkfield四核心产品仍然没有选择将四组核心封装于一枚硅晶片上的做法，这使得Intel无需再为新的四核心产品重新设计晶片，不但能够最大限度的节约成本，亦能够提早产品的问世时间以便抢占市场先机。

Yorkfield内核四核心Core 2 Extreme QX9650特性众多

　　对于45纳米的Yorkfield四核心产品而言，虽然两两一组的内核需要经由前端总线进行资料互换，但这远比二级缓存Missed之后需要经由内存模组的过程快上十余倍，与当前微架构中的Memory Disambiguation读取技术相结合，通过乱序机制过程分析内存读取次序，能够使得其读取动作提早执行，从而降低处理器的等待时间，减少其闲置时间以及延迟值。

Yorkfield内核四核心Core 2 Extreme QX9650正面实物图

　　我们此番所要进行测试的Yorkfield内核四核心Core 2 Extreme QX9650处理器工程样品的序列编号为80569XJ080NL。其中，8056代表Yorkfield内核；X代表桌面级旗舰型号；J代表1333MHz前端总线；080代表3.0GHz时钟频率；NL则代表2 x 6MB共12MB的二级缓存容量。

图左为Yorkfield内核C2E QX9650，右为Kentsfield内核C2E QX6850

　　Yorkfield内核四核心处理器拥有8.2亿个晶体管，这比Kentsfield内核的5.82亿个晶体管足足多出了2.38亿个之多。其中，50%的二级缓存容量增长约占据了1.92亿个晶体管，而余下的部分则分别由新增的SSE4多媒体指令运算单元以及微架构的改良部分所占据。

Yorkfield内核C2E QX9650 CPU-Z 1.41识别讯息一

　　虽然内建晶体管数量提升了约40%，但是得益于先进的45纳米制程工艺，Yorkfield内核四核心处理器的核心面积仍由286平方毫米缩减至现时的214平方毫米，单位晶圆内切割核心数量的增长有助于产品成本的进一步降低。

Yorkfield内核C2E QX9650 CPU-Z 1.41识别讯息二

　　24-way set Associative联合，不但使得二级缓存容量更大，更能够进一步提升其命中率以增强使用效率。

科学运算效能——快速Radix-16除法器助推成功

　　Fast Radix-16 Divider快速除法器的引入再次帮助45纳米Core 2 Extreme QX9650处理器在对比测试中全面胜出。对于Sicencemark 2.0这样的复杂科学运算测试而言，较之旧有同级别产品多出一倍的数据计算量无疑非常有利的。

三维渲染效能——单线程应用亦能从中获益

　　MAXON CINEBENCH RELEASE 10对于多线程应用的展现十分直观，45纳米Core 2 Extreme QX9650在处理器测试部分中分别领先了7%和9%，而在其附带的OpenGL效能测试中更是领先了27%，相同时钟频率下的效能提升已比较显著。

3D游戏效能——无论新旧，帧数一率上扬

　　由于现时3D游戏大量采用平方根运算，因此45纳米Core 2 Extreme QX9650处理器中的Fast Radix-16 Divider快速除法器亦再次发挥作用，平均效能提升幅度达到15%，而个别3D游戏更是能够达到近25%的效能增益。

测试结果汇总——最高效能增益率近70%

　　较之65纳米Core 2 Extreme QX6850，45纳米Core 2 Extreme QX9650处理器在本次效能评估中持续获得效能增益。在时钟频率以及前端总线等硬性规格均一致的前提下，仅凭借处理器微架构改良所带来的效能增益仍十分显著，尤亦多媒体编码以及3D游戏应用得增幅最大，多数已经达到近20%的水准，而在最能释放其效能的SSE4多媒体指令集软件应用中，效能增益幅度甚至接近70%。