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一代CPU王者的發(fā)展簡史:從技?jí)河⑻貭柕膞86-64位技術(shù)到全新的 Ryzen 架構(gòu)

作者: 時(shí)間:2017-04-20 來源:TechNews 收藏
編者按:AMD Ryzen CPU 終于上市了,眾人都說要重返榮耀,那 AMD 的過往榮耀是什么?這一間公司又是如何讓 Intel 感到頭疼?這一切,就從 AMD 發(fā)布 x86-64 指令集架構(gòu)說起。

  同步多線程,徹底發(fā)揮 CPU 核心的計(jì)算能力

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201704/358207.htm

  在 2008 年,Intel 將其 Hyper-Threading 的技術(shù)重新導(dǎo)入 Core i 系列 CPU,也就我們現(xiàn)在所熟知的 i3、i5、i7 處理器。所謂的 Hyper-Threading,便是在一個(gè) CPU 核心內(nèi)部在將其分成兩份。然而,究竟是如何將 CPU 切成兩份呢?根據(jù) Intel 于 2002 年所發(fā)布的Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture便可略知一二。

  在論文中,Intel 便給出了兩張比較圖。兩個(gè)核心最主要的差異,在采用 Hyper-Threading 技術(shù)中的 CPU 中,Architecture State 單元會(huì)比一般的核心多一個(gè)。大致上,Architecture State 單元包含了多數(shù)的暫存器以及中斷訊號(hào)的控制器等,用以記錄執(zhí)行緒執(zhí)行的資訊,是無法被共用的資料。


一代CPU王者的發(fā)展簡史:從技?jí)河⑻貭柕膞86-64位技術(shù)到全新的 Ryzen 架構(gòu)

  ▲ 左圖為未采用 Hyper-Threading 技術(shù)的 CPU Cores,右圖則是采用了 Hyper-Threading 技術(shù)的 CPU Cores,其中,兩者間的差異為一個(gè) CPU Core 中有不同數(shù)量的 Architecture State 單元。(Source:Intel Technology Journal Vol. 1)

  因此,在采用這個(gè)技術(shù)之后,只需要額外的 5% 面積,便可以達(dá)成更高的指令集平行化,讓 CPU 盡可能地滿載,釋放 CPU 所有的潛能。根據(jù)這一篇論文中所提供的數(shù)據(jù),采用這一項(xiàng)技術(shù)后,在多執(zhí)行緒的執(zhí)行情況下,將可帶來將近 30% 的效能提升,相當(dāng)驚人。

  做為應(yīng)對(duì), 于 2011 年推出 Bulldozer,其采用的并非是 Intel 所使用的 SMT 技術(shù),而是 Clustered MultiThreaded(CMT)技術(shù)。此技術(shù)是將一顆 CPU 內(nèi)部的整數(shù)執(zhí)行單元復(fù)制一份,讓 CPU 具備在同一核心內(nèi)部執(zhí)行兩個(gè)執(zhí)行緒能力,在后續(xù)要擴(kuò)增核心的計(jì)算能力上,相當(dāng)?shù)娜菀祝枰男薷南鄬?duì)的較少。

  然而,其缺點(diǎn)便是沒有辦法共用執(zhí)行單元,無法享有 SMT 中最重要的優(yōu)點(diǎn),用兩個(gè) Thread 盡可能讓執(zhí)行單元不會(huì)有空閑狀態(tài)。此外,兩個(gè)獨(dú)立的 L1 Cache 雖然感覺在實(shí)作上會(huì)比較簡單。但是,為了要維持 Cache 的一致性,便需要擁有額外的 Core 內(nèi)部資料交換單元,大大的提升控制電路的復(fù)雜性。

  最后,結(jié)果便是眾所皆知的, 于 x86 的 CPU 市占率直直落,現(xiàn)今在中高端的筆電市場中,更幾乎看不到采用 CPU 的產(chǎn)品。就在 AMD 要消失在市場之中時(shí),Zen CPU 的消息傳出!

  CPU,硬件架構(gòu)的重新設(shè)計(jì)

  在 2012 年,K8 的主要硬件架構(gòu)師 Jim Keller 回到 AMD。這一次,他的回歸,讓 AMD 重返榮耀的聲音響起。是否新的 CPU 可以再現(xiàn) K8 的傳說?這一次的 CPU 和先前的 AMD CPU 有何差異?

  將底層硬件架構(gòu)做比較,可以發(fā)現(xiàn) CPU,取消了 Bulldozer 所提出的 Integer Cluster,并以類似 Intel Hyper-Threading 的技術(shù)取而代之。如此便能讓 CPU 盡可能地達(dá)到滿載的狀況。

  此外,新的 Ryzen CPU 也引進(jìn)了 Intel 于 Sandy Bridge 架構(gòu)開始采用的 Micro-op Queue,以減少重新 Decode 的需求,提升單次可執(zhí)行的指令數(shù)。借由更多先進(jìn)的技術(shù),讓 AMD 得以獲得大幅度的效能提升。也因此,AMD 公布 Ryzen CPU 其每個(gè)周期可以執(zhí)行的指令比前一代 CPU 多 52%,改善幅度相當(dāng)大。

  至于實(shí)際的 Ryzen CPU 效能如何呢?現(xiàn)在已經(jīng)有相當(dāng)多的評(píng)測文章將 Intel Kaby Lake 系列和 Ryzen 系列 CPU 做比較,在這不再多做評(píng)比。不過,在一般的應(yīng)用上,AMD 的 CPU 不會(huì)再像之前的 CPU,看不到 Intel CPU 的車尾燈。


一代CPU王者的發(fā)展簡史:從技?jí)河⑻貭柕膞86-64位技術(shù)到全新的 Ryzen 架構(gòu)

  ▲ AMD 于 2016 年 HOT CHIPS 上所發(fā)布的架構(gòu)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn),新的架構(gòu)取消掉 CMT 的技術(shù),讓 CPU 核心變得較不復(fù)雜。(Source:AMD)

  至此,我們已經(jīng)看完了兩大 x86 巨頭間的廝殺,同時(shí)在短短的 17 年間,CPU 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)采用相當(dāng)多的技術(shù),以滿足與日漸增的計(jì)算需求。千禧年后 CPU 的發(fā)展簡史,讓我們見證了一代 CPU 王者的興起沒落以及歸來。


一代CPU王者的發(fā)展簡史:從技?jí)河⑻貭柕膞86-64位技術(shù)到全新的 Ryzen 架構(gòu)

  ▲ 從圖中可以發(fā)現(xiàn)在 AMD Bulldozer 中,一共有兩個(gè)整數(shù)運(yùn)算單元,此技術(shù)便稱為 Clustered MultiThreaded。(Source:By Shigeru23 (Made by uploader (ref:[1], [2], [3])) [GFDLor CC BY 3.0], via Wikimedia Commons)


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