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www.hj8828.com超能课堂特刊:千磨万击还坚劲,看AMD 50年伟大发展历程

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收购之后的ATI,也算是艰难的度过了阵痛期,在2008年推出了Radeon HD
4000系列显卡,而其中HD
4850成为首个浮点性能超过1TFLOPS的显卡,而HD4890则是首个核心频率超过1GHz的显卡。

   

而Bulldozer则定位在CMP和SMT两种技术之间,在Bulldozer中,两个线程可以共享一个处理器核心的前端功能单元,但是整数执行资源部分则为线程独享式设计。

在2009年,AMD正式剥离了旗下的芯片制造部门,成立了GlobalFoundries。AMD历经40年,成为了一家Fabless公司,而曾说过“Real
men have
Fabs”的杰里·桑德斯,怎么也不会想到AMD会做出这样的决定。不过此后通过一系列收购GlobalFoundries成为了业内一家不错的芯片代工厂,而且与AMD继续保持合作。

  目前的绝大部分电脑系统中外频也是内存与主板之间的同步运行的速度,在这种方式下,可以理解为CPU的外频直接与内存相连通,实现两者间的同步运行状态。外频与前端总线(FSB)频率很容易被混为一谈,下面的前端总线介绍我们谈谈两者的区别。    

AMD推土机、山猫新架构官方视频

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  但基本上L3缓存对处理器的性能提高显得不是很重要,比方配备1MB L3缓存的Xeon MP处理器却仍然不是Opteron的对手,由此可见前端总线的增加,要比缓存增加带来更有效的性能提升。    

以下,我们便为读者简要分析AMD在Bulldzoer中做出这些设计更新的主要背景。

这些亮点让AMD重新回到与Intel同一起跑线的位置。目前Ryzen处理器已经发布了两代,第二代在第一代的基础上也有一定的性能提升,采用12nm工艺。

  同时多线程Simultaneous multithreading,简称SMT。SMT可通过复制处理器上的结构状态,让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源,可最大限度地实现宽发射、乱序的超标量处理,提高处理器运算部件的利用率,缓和由于数据相关或Cache未命中带来的访问内存延时。当没有多个线程可用时,SMT处理器几乎和传统的宽发射超标量处理器一样。SMT最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计,几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。多线程技术则可以为高速的运算核心准备更多的待处理数据,减少运算核心的闲置时间。这对于桌面低端系统来说无疑十分具有吸引力。Intel从3.06GHz Pentium 4开始,所有处理器都将支持SMT技术。 
  

第一代Phenom处理器采用了65nm工艺,CPU插座为AM2+,支持DDR2内存,拥有四核、双核以及非常独特的三核版本。

  你可以看到Opteron整合的内存控制器,它的延迟,与芯片组支持双通道DDR内存控制器的延迟相比来说,是要低很多的。英特尔也按照计划的那样在处理器内部整合内存控制器,这样导致北桥芯片将变得不那么重要。但改变了处理器访问主存的方式,有助于提高带宽、降低内存延时和提升处理器性能。

AMD推出Bulldozer产品的主要目的和宣传重点,是在这款处理器在传统的多核心处理器和SMT同时多线程这两种技术之外,又开拓出了一条新的多线程处理器设计道路。在传统的多核心处理器设计又称CMP)中,每个处理器核心只能运行单个线程;而SMT则恰好相反,多个线程可以共享单个处理器核心的资源,并可以在单个处理器核心中被同时执行。

K6处理器初期频率为166MHz和200MHz,不过后期有推出了233MHz甚至是300MHz频率的版本,300MHz频率的版本于1998年中发布,此后AMD就推出了更新版的K6-2处理器。

   15、SMP   

AMD公司在最近召开的HotChips会展上终于透露了其新款分别面向服务器和移动市场的Bulldozer和Bobcat处理器产品的有关细节,这两种处理器产品是AMD推出Opteron处理器之后最重要的一次产品升级,而其中Bulldozer更堪称是自1999年推出K7处理器以来的最重要产品更新。

不过AMD并没有坐以待毙,Dirk
Meyer将公司专注于PC及数据中心市场,发展笔记本平台,但是他在其后的策略也导致了AMD丧失了随后崛起的智能手机等市场,他称移动及消费电子市场不会对目前的PC市场造成冲击,导致PC市场份额削减,不过随后市场证明他是错的,而他也于2011年1月被AMD董事会取消担任CEO一职,随后Rory
Read加盟AMD,担任CEO。其任职期间,通过重组公司债务,引入新合作等措施,让AMD重回正轨,收入情况更加健康。

  从586CPU开始,CPU的工作电压分为内核电压和I/O电压两种,通常CPU的核心电压小于等于I/O电压。其中内核电压的大小是根据CPU的生产工艺而定,一般制作工艺越小,内核工作电压越低;I/O电压一般都在1.6~5V。低电压能解决耗电过大和发热过高的问题。 
   

在进一步探察Bulldozer内部架构之前,我们必须要看清楚的是,尽管AMD方面想极力撇清自己的产品与SMT的相似之处,并将他们的方案自称为“第三种多线程处理器设计”,但是Bulldozer其实质其实是以SMT为基础的一种改良设计。

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  主频也叫时钟频率,单位是MHz,用来表示CPU的运算速度。CPU的主频=外频×倍频系数。很多人认为主频就决定着CPU的运行速度,这不仅是个片面的,而且对于服务器来讲,这个认识也出现了偏差。至今,没有一条确定的公式能够实现主频和实际的运算速度两者之间的数值关系,即使是两大处理器厂家Intel和AMD,在这点上也存在着很大的争议,我们从Intel的产品的发展趋势,可以看出Intel很注重加强自身主频的发展。像其他的处理器厂家,有人曾经拿过一快1G的全美达来做比较,它的运行效率相当于2G的Intel处理器。    

讲AMD的创立还是得将时间向前拨。在1947年,威廉·肖克利及约翰·巴丁、沃尔特·布莱顿发明了晶体管。之后威廉·肖克利就致力于推动晶体管商业化,在1955年离开贝尔实验室创办了肖克利半导体实验室。虽然因为他的名声及能力吸引了一批才华出众的科学家,不过科研能力强不代表管理能力强,由于其怪异的管理能力和行为,导致了8名出色的科学家离职,而肖克利也将他们成为“八叛逆”(Traitorous
eight)。随后这八人拿到了来自仙童摄影器材公司的投资,成立了仙童半导体公司。因为这些出色的科学家、工程师,让仙童半导体的发展非常迅速,也由此吸引了更多的人才加盟。

  18、CPU内部的内存控制器    

AMD在处理器中添加显卡部分其实早就有传言,不过真正的产品到了2011年才正式推出。不过初代产品还是使用的K10架构CPU内核,但还是给人一定的惊喜。而真正的APU是代号为“Trinity”的第二代APU,因为这一代,才真正展现了AMD的想法,就是通过显卡去提升处理器的浮点运算能力。

10.指令集    

AMD RTG部门的最新一作是Radeon
VII,虽然已然采用的是Vega核心,不过制程工艺升级到了7nm。

  前端总线(FSB)频率(即总线频率)是直接影响CPU与内存直接数据交换速度。有一条公式可以计算,即数据带宽=(总线频率×数据带宽)/8,数据传输最大带宽取决于所有同时传输的数据的宽度和传输频率。比方,现在的支持64位的至强Nocona,前端总线是800MHz,按照公式,它的数据传输最大带宽是6.4GB/秒。    

而这场纠纷中,Intel还对AMD予以还击。1990年,Intel与AMD进行谈判有关AMD使用Intel处理器的权利。所以在不确定知识产权的情况下,AMD重新开发了Intel已发布的x386及x486处理器。这也就是前面提到的Am386处理器。在1993年,AMD紧接着发布了Am486处理器,在相同的价格情况下提供了更高的性能,而且受到了如当时Compaq(康柏,TIm
Cook曾经任职过的公司)等公司的青睐。

  超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器,其实质是以空间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频,使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作,其实质是以时间换取空间。例如Pentium 4的流水线就长达20级。将流水线设计的步(级)越长,其完成一条指令的速度越快,因此才能适应工作主频更高的CPU。但是流水线过长也带来了一定副作用,很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象,Intel的奔腾4就出现了这种情况,虽然它的主频可以高达1.4G以上,但其运算性能却远远比不上AMD 1.2G的速龙甚至奔腾III。    

最终双方相互诉讼持续了很多年,到1996年算是完结。在协议中AMD获得了多年前的英特尔x386及x486微码的使用权,但是没有获得下一代处理器微码的使用权。至此双方有关微码知识产权交换的诉讼也完结了。不过到此互为对手的AMD及Intel也走上了自主研发微架构的道路。

  14、多核心    

不过此时在显卡方面AMD并没有落下。2016年,AMD推出了Radeon R9
Fury系列显卡,首次使用了HBM,让AMD
Radreon显卡性能有了很大的提升。不过在GPU领域,虽然GCN是一个非常优秀的架构,但是相对在GPU领域的竞争对手NVDIA,Radeon显卡的性能虽然不差,但是也逐渐开始落后。

  外频是CPU的基准频率,单位也是MHz。CPU的外频决定着整块主板的运行速度。说白了,在台式机中,我们所说的超频,都是超CPU的外频(当然一般情况下,CPU的倍频都是被锁住的)相信这点是很好理解的。但对于服务器CPU来讲,超频是绝对不允许的。前面说到CPU决定着主板的运行速度,两者是同步运行的,如果把服务器CPU超频了,改变了外频,会产生异步运行,(台式机很多主板都支持异步运行)这样会造成整个服务器系统的不稳定。    

Dirk Mayer的继任者Rory Meyer

  EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computers,精确并行指令计算机)是否是RISC和CISC体系的继承者的争论已经有很多,单以EPIC体系来说,它更像Intel的处理器迈向RISC体系的重要步骤。从理论上说,EPIC体系设计的CPU,在相同的主机配置下,处理Windows的应用软件比基于Unix下的应用软件要好得多。    

这个是AMD新一代处理器最大的特点,而这个特点也造成了很多问题。如在后来实际应用中,AMD的处理器性能并没有如宣传的那样出色,甚至因为这个事情惹上了集体诉讼,称AMD虚假宣传多核心处理器,到了2019年,这个案件依旧没有结果。

  要知道什么是指令集还要从当今的X86架构的CPU说起。X86指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,IBM1981年推出的世界第一台PC机中的CPU—i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令,同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加了X87芯片,以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。 

不过在AMD高歌猛进之时,对手Intel那边却出现了问题。2004年,Intel的奔腾4处理器通过超长的流水线设计达到了更高的频率,但是在性能上并没有取得领先。而此时因为制造工艺等原因,奔腾4处理器的4GHz并没有如期而至,所以时任Intel
CEO的贝瑞特在一次产业会议上下跪,为Intel新一代奔腾4处理器取消上市而道歉。这件事也算是指出了未来CPU的发展方向,即多核心。

  IA-64微处理器最大的缺陷是它们缺乏与x86的兼容,而Intel为了IA-64处理器能够更好地运行两个朝代的软件,它在IA-64处理器上(Itanium、Itanium2 ……)引入了x86-to-IA-64的解码器,这样就能够把x86指令翻译为IA-64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。这也成为X86-64产生的根本原因。    

在现代计算机系统中,除了硬件外,还需要有软件方面的大力支持,所以为了实现这种“异构计算”的目标,AMD支持了如OpenCL
C++等技术,这样可以方便的为CPU何GPU进行编程,使他们更好的协同工作,处理并发负载。

  AMD公司设计,可以在同一时间内处理64位的整数运算,并兼容于X86-32架构。其中支持64位逻辑定址,同时提供转换为32位定址选项;但数据操作指令默认为32位和8位,提供转换成64位和16位的选项;支持常规用途寄存器,如果是32位运算操作,就要将结果扩展成完整的64位。这样,指令中有“直接执行”和“转换执行”的区别,其指令字段是8位或32位,可以避免字段过长。    

此后的APU更新更多是小修小补了。

  在解释超流水线与超标量前,先了解流水线(pipeline)。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行,这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令,因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水,即指令预取、译码、执行、写回结果,浮点流水又分为八级流水。 

在20世纪80年代后期,虽然AMD因为各种原因加强自主研发,不过在x86处理器市场上还是主要作为“第二来源”。当跨入90年代后,AMD改变颇大。在1991年3月25日,AMD首次展示Am386处理器,加入32位80386兼容CPU市场。自此AMD不再作为“第二来源”,AMD开始与Intel展开x86处理器竞争。

  CPU封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施,一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计,从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装,而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。现在还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈,目前CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。   

而在GPU那边,AMD也没有落下。在2016年推出了代号为“Polaris”的Radeon
400系列GPU,不过AMD在这次的GPU更新中更加注重效能,每瓦性能是前代的2.8倍。但值得注意的是,AMD并没有将Polaris定位于旗舰级,而只是一款中端显卡。在核心改进方面,AMD也改进了几何单元,提升了渲染器效率、色彩算法等,相比R9
290X显卡,其CU计算单元性能提升了15%。而之后AMD又推出了更新工艺版的Radeon
RX500系列显卡。不过更大的更新是采用GCN 5.0架构的Radeon RX
Vega显卡。除了常规的图形性能提升外,还有支持紧缩的半精度计算。同时为了弥补HBM2显存的带宽问题,AMD还开发了HBCC高带宽缓存控制器。

  1.主频 

不过这一代Phenom处理器的性能相比于竞争对手还是要弱一些,不过第二代Phenom处理器却又有如当年“毒龙”以及“巴顿”那样,为玩家带来了很多乐趣,那就是“开核心”。在第二代Phemon处理器中,如三核心实际是由4核心处理器屏蔽而来的,而玩家可以通过一些手段开放被屏蔽的核心,从而达到提升性能的目的。而这个也让很多玩家去挑选能开核的处理器。虽然开核可能会导致运行不稳定的情况,但是玩家们依旧乐此不疲。

   

不过也是从这时候,AMD与Intel两家纷纷扰扰的专利交叉协议纠纷就开始了。

  CISC指令集,也称为复杂指令集,英文名是CISC,(Complex Instruction Set Computer的缩写)。在CISC微处理器中,程序的各条指令是按顺序串行执行的,每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单,但计算机各部分的利用率不高,执行速度慢。其实它是英特尔生产的x86系列(也就是IA-32架构)CPU及其兼容CPU,如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64(也被成AMD64)都是属于CISC的范畴。  

在20世纪60年代末70年代初,“硅谷”还没有被命名为“硅谷”,电子计算机还是稀缺物,之后长达几十年的竞争对手Intel研发出了3101存储器芯片,随后推出了DRAM动态存储器,宣告王安发明的磁芯存储器成为历史。而Jerry
Sanders拿着筹集到的50000美元与仙童半导体的老同事,在1969年5月1日,于加州森尼韦尔市,成立了Advanced
Micro
Device,也就是AMD(国内翻译为超微半导体),从此开启了一段值得铭记、堪称商业史传奇的发展历程。

  其实现在“HyperTransport”构架的出现,让这种实际意义上的前端总线(FSB)频率发生了变化。之前我们知道IA-32架构必须有三大重要的构件:内存控制器Hub (MCH) ,I/O控制器Hub和PCI Hub,像Intel很典型的芯片组 Intel 7501、Intel7505芯片组,为双至强处理器量身定做的,它们所包含的MCH为CPU提供了频率为533MHz的前端总线,配合DDR内存,前端总线带宽可达到4.3GB/秒。但随着处理器性能不断提高同时给系统架构带来了很多问题。而“HyperTransport”构架不但解决了问题,而且更有效地提高了总线带宽,比方AMD Opteron处理器,灵活的HyperTransport I/O总线体系结构让它整合了内存控制器,使处理器不通过系统总线传给芯片组而直接和内存交换数据。这样的话,前端总线(FSB)频率在AMD Opteron处理器就不知道从何谈起了。    

而在2005年,AMD就宣布了新一代的Athlon 64处理器——Athlon 64
X2。而这个型号的处理器也是第一个“原生双核”处理器。不过在不久之前,Intel就已经宣布了双核心的奔腾D处理器,采用与末代奔腾4相同的插座LGA
775,使用两个奔腾4“Prescott”核心,这也引发了之后的一个巨大争议,就是“真假双核”。

  (2)RISC指令集 

1.离开仙童到草创AMD(1969年-1976年)

  RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的缩写,中文意思是“精简指令集”。它是在CISC指令系统基础上发展起来的,有人对CISC机进行测试表明,各种指令的使用频度相当悬殊,最常使用的是一些比较简单的指令,它们仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频度却占80%。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性,使处理器的研制时间长,成本高。并且复杂指令需要复杂的操作,必然会降低计算机的速度。基于上述原因,20世纪80年代RISC型CPU诞生了,相对于CISC型CPU ,RISC型CPU不仅精简了指令系统,还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”,大大增加了并行处理能力。RISC指令集是高性能CPU的发展方向。它与传统的CISC(复杂指令集)相对。相比而言,RISC的指令格式统一,种类比较少,寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高很多了。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU,特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。RISC指令系统更加适合高档服务器的操作系统UNIX,现在Linux也属于类似UNIX的操作系统。RISC型CPU与Intel和AMD的CPU在软件和硬件上都不兼容。 www.jz5u.com

Intel在1993年退出了首款奔腾处理器,作为486处理器的继任,奔腾采用了全新的P5微架构,也是第一代超标量IA-32为体系结构。虽然此时AMD生产的Am386及后续Am486处理器也受到广泛的欢迎,但是性能上还是落后不少。

   

2006年,Intel推出了Core
2系列处理器,其全新设计的内核架构让它无需更高的频率就能实现更强大的性能。一下子就追平了Athlon处理器对奔腾4系列处理器的优势。而在2006年底,Intel就推出了四核心处理器,这也让AMD再次处于劣势。不过好在AMD反映依旧迅速,在2007年9月推出了首款原生4核的第三代Opteron处理器,紧接着在11月就推出了全新系列Phenom处理器以应对挑战。不过不知是因为什么原因,在Phenom处理器中发现了TLB错误,而AMD随后修补了错误,推出了新步进的处理器解决了这个问题。

  11.超流水线与超标量 

今年是AMD成立的50周年,一家公司能走过50年的发展,足以说明这家公司的底蕴。希望未来AMD能继续做好自己,为消费者带来更佳优秀的产品。

  而今年也推出了支持64位的EM64T技术,再还没被正式命为EM64T之前是IA32E,这是英特尔64位扩展技术的名字,用来区别X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode,和AMD的X86-64技术类似,采用64位的线性平面寻址,加入8个新的通用寄存器(GPRs),还增加8个寄存器支持SSE指令。与AMD相类似,Intel的64位技术将兼容IA32和IA32E,只有在运行64位操作系统下的时候,才将会采用IA32E。IA32E将由2个sub-mode组成:64位sub-mode和32位sub-mode,同AMD64一样是向下兼容的。Intel的EM64T将完全兼容AMD的X86-64技术。现在Nocona处理器已经加入了一些64位技术,Intel的Pentium 4E处理器也支持64位技术。 
  

进入新千年后,AMD与Intel的竞争越来越激烈。不过正当此时,AMD创始人,杰里·桑德斯在2002年宣布不再担任CEO一职,交由Hector
Ruiz,而更被人所熟知的名字是鲁智毅。

  2.外频 

Ryzen处理器Die

  其实最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上,当时的L3缓存受限于制造工艺,并没有被集成进芯片内部,而是集成在主板上。在只能够和系统总线频率同步的L3缓存同主内存其实差不了多少。后来使用L3缓存的是英特尔为服务器市场所推出的Itanium处理器。接着就是P4EE和至强MP。Intel还打算推出一款9MB L3缓存的Itanium2处理器,和以后24MB L3缓存的双核心Itanium2处理器。   

外面那圈橙色的塑料壳可不是用来保护CPU的,这是CPU安装滑轨,没了这东西CPU可固定不了

  (4)X86-64 (AMD64 / EM64T) 

能实现这样的能力,与AMD另一条产品线有关系,就是GPU。在2011年底,AMD正式发布了全新的GCN架构GPU,而目前GCN架构依旧是目前AMD显卡的基础,可以说是最长寿GPU架构了。这个架构在图形和计算性能方面都非常出众,所以作为DX11时代(后期其实支持DX12,不过是DX12
Feature
11_1)的显卡,在通用计算能力上非常出众,一扫曾经VLIE4和VLIW5架构计算性能低下的情况。而这也让从第三代开始的APU得以实现HSA异构计算的想法。不过遗憾的是,虽然AMD的想法非常好,而且在近几年AI大潮下,异构计算也是大势所趋,不过2013年那时,AMD早已没有2005年前后那么辉煌了,号召力远不如从前,所以此时软件开发者没有对APU提供更多的支持,所以大家对他的印象仅停留在将CPU与GPU融合上了,对于大多数PC消费者来说,“融核”仅仅存在于宣传语中。

  目前,在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有以下几类:PowerPC处理器、SPARC处理器、PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器。 

不过此后Duron系列就被另一个系列取代了,就是Semporn。

  字长:电脑技术中对CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以能处理字长为8位数据的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在单位时间内处理字长为32位的二进制数据。字节和字长的区别:由于常用的英文字符用8位二进制就可以表示,所以通常就将8位称为一个字节。字长的长度是不固定的,对于不同的CPU、字长的长度也不一样。8位的CPU一次只能处理一个字节,而32位的CPU一次就能处理4个字节,同理字长为64位的CPU一次可以处理8个字节。 
   

1978年Intel推出了首款16bit微处理器8086。1981年,蓝色巨人IBM开始制造自己的PC,希望使用x86处理器,但要求x86处理器的提供拥有“第二来源”,所以在1982年2月,Intel与AMD正式签署协议,此后每家公司都有权成为另一家公司开发半导体产品的第二来源供应商。

  SMP(Symmetric Multi-Processing),对称多处理结构的简称,是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU),各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持下,一个服务器系统可以同时运行多个处理器,并共享内存和其他的主机资源。像双至强,也就是我们所说的二路,这是在对称处理器系统中最常见的一种(至强MP可以支持到四路,AMD Opteron可以支持1-8路)。也有少数是16路的。但是一般来讲,SMP结构的机器可扩展性较差,很难做到100个以上多处理器,常规的一般是8个到16个,不过这对于多数的用户来说已经够用了。在高性能服务器和工作站级主板架构中最为常见,像UNIX服务器可支持最多256个CPU的系统。 

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  为了能够使得SMP系统发挥高效的性能,操作系统必须支持SMP系统,如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系统。即能够进行多任务和多线程处理。多任务是指操作系统能够在同一时间让不同的CPU完成不同的任务;多线程是指操作系统能够使得不同的CPU并行的完成同一个任务。 

AMD在“Bulldozer”核心中采用了模块化设计,而每个模块又分为两个微内核,这样就导致了一个功能单元不再是传统的整数+浮点设计,每个模块中有两个整数单元,以及“一个”共享的浮点单元,而模块中的整数单元各自配备了一个调度器,这样可以执行两路线程,AMD将这种多线程技术成为“CMT”(Cluster
Multithreading)。

  5.倍频系数 

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  构建一套SMP系统的必要条件是:支持SMP的硬件包括主板和CPU;支持SMP的系统平台,再就是支持SMP的应用软件。 

如果一家公司成立50年,从时间跨度上已经足够让众人称赞。而回顾AMD这50年的发展,他挑战的对手都非常强大,从二十世纪80年代开始,在CPU领域与Intel竞争,到2006年收购ATI后与NVIDIA竞争,都是一个十足的挑战者。同行的摩托罗拉、全美达等都在挑战“巨龙”Intel失败后,只有AMD依旧在这条路上前行,虽然目前AMD的300亿美元左右的市值相比Intel的2300多亿美元市值相差甚远,但AMD不仅生存了下来,而且近些年凭借着Ryzen处理器、GPU以及半定制业务,逐渐走出了低谷,发展也走向了正轨。

  Intel采用EPIC技术的服务器CPU是安腾Itanium(开发代号即Merced)。它是64位处理器,也是IA-64系列中的第一款。微软也已开发了代号为Win64的操作系统,在软件上加以支持。在Intel采用了X86指令集之后,它又转而寻求更先进的64-bit微处理器,Intel这样做的原因是,它们想摆脱容量巨大的x86架构,从而引入精力充沛而又功能强大的指令集,于是采用EPIC指令集的IA-64架构便诞生了。IA-64 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。 
  

Playstation 4

  2005年下半年,Intel和AMD的新型处理器也将融入CMP结构。新安腾处理器开发代码为Montecito,采用双核心设计,拥有最少18MB片内缓存,采取90nm工艺制造,它的设计绝对称得上是对当今芯片业的挑战。它的每个单独的核心都拥有独立的L1,L2和L3 cache,包含大约10亿支晶体管。 

熟悉这个行业都知道,一款新架构的研发需要多年的时间,而“Bulldozer”架构已经历多年的时间了,AMD也需要一款新的处理器架构挽救颓势。在2012年芯片设计大神Jim
Keller回归AMD后不久,就开始着手研发Zen微架构,但此时距“Bulldozer”架构发布实际没过多久。

  13、多线程    

在这50年中,AMD为消费者留下了很多出色的产品,从80×86时代,到K7、K8,以及今天的Ryzen,都在市场上有十足的竞争力。而首先推出x86-64架构、APU异构计算,也让众人看到了AMD的高瞻远瞩。虽有失误,但最终还是坚持作出改变,完善产品。

  许多应用程序拥有更为复杂的读取模式(几乎是随机地,特别是当cache hit不可预测的时候),并且没有有效地利用带宽。典型的这类应用程序就是业务处理软件,即使拥有如乱序执行(out of order execution)这样的CPU特性,也会受内存延迟的限制。这样CPU必须得等到运算所需数据被除数装载完成才能执行指令(无论这些数据来自CPU cache还是主内存系统)。当前低段系统的内存延迟大约是120-150ns,而CPU速度则达到了3GHz以上,一次单独的内存请求可能会浪费200-300次CPU循环。即使在缓存命中率(cache hit rate)达到99%的情况下,CPU也可能会花50%的时间来等待内存请求的结束- 比如因为内存延迟的缘故。    

索尼方面找到了AMD合作开发半定制处理器,处理器方面采用了AMD的“Jaguar”低功耗核心,CPU部分采用双模块共8个核心。而GPU方面也是由AMD开发,CPU和GPU共享8GB
GDDR5内存。而微软方面,Xbox
One游戏机在CPU部分与索尼PS4相同,但是频率稍低,而GPU部分也是由AMD定制,CPU+GPU共享8GB
DDR3内存,不过Xbox One还有32MB的高速ESRAM。

  CPU依靠指令来计算和控制系统,每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲,指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分,而从具体运用看,如Intel的MMX(Multi Media Extended)、SSE、 SSE2(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2)、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集,分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为”CPU的指令集”。SSE3指令集也是目前规模最小的指令集,此前MMX包含有57条命令,SSE包含有50条命令,SSE2包含有144条命令,SSE3包含有13条命令。目前SSE3也是最先进的指令集,英特尔Prescott处理器已经支持SSE3指令集,AMD会在未来双核心处理器当中加入对SSE3指令集的支持,全美达的处理器也将支持这一指令集。    

在2003年,换帅一年后的AMD,继续着自己的创新之路,推出了首个基于x86架构的64位处理器——Opteron。作为全新的处理器,Opteron处理采用了新设计的K8架构,不过Opteron处理器是面向服务器市场的。而在同年9月23日,AMD正式将64位计算带入PC领域,推出了Athlon
64
FX处理器,主要与之后的几代奔腾4处理器竞争。虽然是64位处理器,但是它也兼容32位应用。同时K8架构也经历的很多年的发展,从130nm到65nm制程工艺,从但核心到双核心,同时CPU插座也有很多种,是AMD产品中的“老将”了。

  4、CPU的位和字长 

早期电脑还是很贵的东西,而AMD也通过削减核心缓存等方法,推出了价格更低的处理器。所以在AMD在K7
Althon处理器推出后,还推出了一个定位低一些的品牌,称为Duron,这个系列的处理器。Duron处理器的核心来源于Althon处理器的“Thunderbird”雷鸟核心,与“雷鸟”核心最大的区别就是二级缓存的减少,从Althon的256K减少到64KB,而这个也使得Duron的L2缓存大小还不如与之竞争的Intel赛扬处理器的L2缓存大小。不过由于Duron处理器核心还是继承了Althon“雷鸟”核心的优秀缓存设计,所以实际上Duron处理器运行速度上并没有慢多少。此后Duron处理器随着Athlon也推出了三代,直至2003年。在2001年时也针对笔记本市场推出了Mobile
Duron处理器。而Duron处理器为人所津津乐道的也是其超强的超频性能,当时“毒龙铅笔法”破解倍频成为很多DIY爱好者的谈资。

  缓存大小也是CPU的重要指标之一,而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大,CPU内缓存的运行频率极高,一般是和处理器同频运作,工作效率远远大于系统内存和硬盘。实际工作时,CPU往往需要重复读取同样的数据块,而缓存容量的增大,可以大幅度提升CPU内部读取数据的命中率,而不用再到内存或者硬盘上寻找,以此提高系统性能。但是由于CPU芯片面积和成本的因素来考虑,缓存都很小。    

AMD推出Opteron 64原生四核心处理器

  虽然随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到过去的PII至强、PIII至强、Pentium 3,最后到今天的Pentium 4系列、至强(不包括至强Nocona),但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU(如AMD Athlon MP、)都使用X86指令集,所以就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。x86CPU目前主要有intel的服务器CPU和AMD的服务器CPU两类。 

同时,Intel与AMD也延长了在1976年的交叉许可协议。至此,AMD已经与Intel签署了两个协议,都是技术相关,在为Intel生产微处理器的同时,AMD也积攒了大量的制造经验。

  6.缓存 

新版Xbox One,其内部还是AMD半定制的芯片

  x86-64(也叫AMD64)的产生也并非空穴来风,x86处理器的32bit寻址空间限制在4GB内存,而IA-64的处理器又不能兼容x86。AMD充分考虑顾客的需求,加强x86指令集的功能,使这套指令集可同时支持64位的运算模式,因此AMD把它们的结构称之为x86-64。在技术上AMD在x86-64架构中为了进行64位运算,AMD为其引入了新增了R8-R15通用寄存器作为原有X86处理器寄存器的扩充,但在而在32位环境下并不完全使用到这些寄存器。原来的寄存器诸如EAX、EBX也由32位扩张至64位。在SSE单元中新加入了8个新寄存器以提供对SSE2的支持。寄存器数量的增加将带来性能的提升。与此同时,为了同时支持32和64位代码及寄存器,x86-64架构允许处理器工作在以下两种模式:Long Mode(长模式)和Legacy Mode(遗传模式),Long模式又分为两种子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。该标准已经被引进在AMD服务器处理器中的Opteron处理器。
   

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  应该说,这两者都是兼容x86指令集的64位微处理器架构,但EM64T与AMD64还是有一些不一样的地方,AMD64处理器中的NX位在Intel的处理器中将没有提供。