在針對所有可能的備選技術評估x86微處理器時，它們也許不具有的兆赫功率、的時鐘計時單元性能或的代碼效率。但把這些特性綜合起來，總體“工具包”經常會勝過競爭對手。
　　

　　要 點
　　



　　迅速的特性改進和低價格使 x86 CPU 在許多非 PC 設計領域很有吸引力。
　　在于 2005 年降至市場份額低點后，英特爾在近幾年有力地恢復了元氣。
　　英特爾的數次挫折使 AMD 在本世紀初期時來運轉，兩家公司后來輪流上演成功和失敗的故事。
　　威盛電子率先專注于成本和功率，其它 x86 供應商也在日后采取了這一策略。它的一種超標量亂序 CPU 終于要問世了。



　　那些考慮把 PC 構件用于非 PC 設計的人記住：把寶押在 PC 技術上并非完全正確。在這個體系結構方向經驗豐富的同行們已經了解這一點。一方面，人們將受益于 PC 行業特有的迅猛創新速度，以及全球每年銷售的數億臺 PC 帶來的低價格。另一方面，這樣的創新速度還導致了迅猛的報廢速度，這對于那些生產周期超過六個月的系統而言可能會有問題！



　　假設人們在自己的設計中構建了足夠的采購靈活性，來包容供應的無常性，那么為 PC 量身定做的微處理器可以以合算的方式實現系統的性能目標。并且由于 PC 行業十分注重功耗，因此電池壽命、電源尺寸、散熱也不像以前那樣令人擔憂了。不過，傳統的 CPU 和 DSP 供應商在面對 PC 處理器的沖擊時并未無動于衷，并且他們的替代解決方案在許多情況下依然是的。如果人們充分了解主要 x86 CPU 供應商的歷史、當前狀況和未來計劃，就能評估將為各自的下一項設計走哪條道路（見附文1《Montalvo是何方神圣？》）。



英特爾：回歸正軌



　　一家公司的命運會在短短五年內發生多大的變化？英特爾公司就是例子。在本世紀初，英特爾把其整個微處理器產品線（從筆記本電腦到服務器）都基于 NetBurst 微體系結構，只有 Itanium 處理器例外（見附文2《補充說明》）。NetBurst 有冗長的管線——在初的 180 nm Willamette 變型中有 20 級，而在的 90 nm Prescott 和 65 nm Cedar Mill 迭代型號中擴展到多達 31 級。當代碼特征與可預測度高的多媒體指令流相配時，這些管線表現很好。但是任何長管線方法中固有的低 IPC（每時鐘指令數）屬性，連同實質性的分支預測錯誤劣勢，使 NetBurst 在更常規代碼方面的性能令人提不起興趣。并且在竭力提高時鐘速率補償長管線的劣勢時，英特爾在 90 nm 工藝節點開始遭遇實質性的泄漏電流問題，這使該公司的 NetBurst 產品比初的 10 GHz 微體系結構目標少了 6.2 GHz。（事實證明，即便達到 3.8 GHz 也是個艱難的項目。）







英特爾的命運從移動計算領域開始柳暗花明，當時在 2003 年春天，它推出了 Pentium M 微體系結構的個 Banias 迭代型號（參考文獻 1）。Banias 是用 130 nm 工藝制造的，先于 90 nm 的 Dothan（具有更大的 L2 緩存）和 65 nm 雙核 Yonah（具有共享 L2 緩存）問世（參考文獻 2）。Pentium M 充分利用并擴充了 Pentium III 的執行單元，并把它和 Pentium 4 總線接口結合起來。這樣，借助常規的代碼跡線，按照每時鐘比較，它提供了比 NetBurst 更高效的功率和指令。Yonah 代 CPU 沒有使用前身的 Pentium M 品牌，而采用了酷睿 (Core) 營銷名稱（稍后的事實證明這有些令人困惑），當時該公司推廣了一套基于 65 nm 工藝的 Merom、Conroe 和 Wolfdale CPU，分別涵蓋了筆記本電腦直到服務器，并充分利用了后繼的 Core 微體系結構，該公司在營銷后者時使用了酷睿 2 (Core 2) 促銷品牌。



　　英特爾目前正在發售其 Core 微體系結構的第二個迭代型號（名為 Penryn），它采用 45 nm 工藝蝕刻技術制造該產品。Penryn 反映了該公司的 tick-tock 戰略，這是一種涉及較小蝕刻產品的布節奏，只有一些次要的相應特性調整（稱作 tick），大約一年后在共同的工藝基礎上做更實質的體系結構修改（稱作tock）。



　　這樣，與目前的Penryn tick對應的tock——Nehalem——在今年投產，并且英特爾正在以原型系統的形式公開演示該產品。Nehalem 將著手解決長期遭到AMD批評的幾個問題，盡管迄今幾乎沒有任何基準測試表現出真實性能缺點方面的結果。通過目前的 Penryn 產品，所有核心間通信——不論是在晶粒內，多晶粒單片封裝 CPU 內的晶粒之間，或是封裝 CPU 之間——都通過同一前端總線（它承載通往外部子系統以及來自它們的數據通信）發生，只有晶粒內的共享緩存一致性同步例外。主要的外部子系統是核心邏輯芯片組，在如今的設計中，它包含 DRAM 控制器。



諸多性能



　　Nehalem級CPU集成了專用 QuickPath Interconnect 跨處理器，即從前的CSI（公共系統接口）。該鏈路在概念上讓人回想起 HyperTransport 鏈路，后者是 AMD 于 2001 年推出的，用于一顆晶粒上的多個核心之間以及多晶粒 CPU 和封裝 CPU 之間的通信?；?Nehalem 的產品還會讓人回想起 AMD 公司于2003年憑借 Athlon 64和Opteron K8（也稱作 Hammer）CPU率先推出的技術，這些產品嵌入 DRAM 控制器的目的之一是降低延長的等待時間。目前，當由于緩存遺漏 (cache miss) 而需要訪問外部存儲器時，系統就會經歷上述等待時間。談到緩存，目前的英特爾產品把多顆晶粒組合在共同的封裝罩之下，由此使核心數量超過兩顆，而 45 nm 工藝可承受的龐大晶體管預算將使該公司能以單片形式把至少六顆 CPU 核心壓縮到基于 Nehalem 的 Dunnington 芯片的單一薄片上（圖 1）。正如當前其它產品那樣，每對核心共享一塊公共的 L2 緩存，并且所有六顆核心分用布局孔中的一塊公共 L3 緩存，布局孔還可供第四對雙核進入。



　　45 nm工藝使英特爾不僅能構建合算的大晶粒產品，而且能構建非常合算的小晶粒處理器。這種成本有效性是 Atom CPU 產品線的推動力，英特爾公司于今年四月初在上海英特爾開發者論壇上正式推出了上述產品（參考文獻 3）。Atom 以前被稱作 Silverthorne，結合了一種單片配套器件，英特爾以前把這種芯片組稱作 Menlow。Atom 起源于正在開發并基于 x86 的 Larrabee PC 協處理器，后者預定用于圖形、成像、物理和其它功能。英特爾的體系結構設計師斷定：他們需要能夠合算地把 16 或更多 x86 核心嵌在單一 Larrabee 晶粒上，并且斷定：該公司的主流 CPU 的亂序執行和其它奇特屬性應對目標應用綽綽有余。結果，英特爾“回到了未來”，重新啟用它的 Pentium III 原理圖為 Larrabee 提出面積優化的 CPU 核心設計。該公司正在試圖另外開發具有很少物理核心的芯片，它們基于 Larrabee 原子構件，一些還具備 HyperThreading 虛擬多核支持，用于對功率和成本敏感的移動系統。而這么做是為了使投資回報化。







代 Atom CPU 有五個版本，時鐘速度達到 1.86 GHz，TDP（熱設計功率）范圍是 0.65 W~ 2.4 W。相應的平均功率和閑置功率范圍分別是 160 mW~至 220 mW 和 80 mW~ 100 mW。配套的系統控制器中心有三個版本，特性包括 3D 圖形核心、硬件加速高清視頻解碼引擎、 高清音頻處理，以及支持 PCI Express、USB、SDIO（安全數字輸入/輸出）連接。并且英特爾考慮了長壽命周期嵌入式系統設計，許諾了至少七年的產品支持。一個列入計劃的雙核 Atom 變型在低成本筆記本和臺式系統領域將更加引人注目，并且英特爾還為明年計劃了集成度更高的單片但可能多晶粒的 Moorestown Atom 家族?？偠灾?，在數年磕磕絆絆之后，英特爾似乎回到完全的大步發展階段了。對于這個十年的余下時間，該公司路線圖的問題也許是 Atom 將在多大程度上以一種財務方面對英特爾毫無吸引力的方式拼用公司自身的產品，而不是像英特爾希望的那樣，通過擠壓 ARM 等競爭對手拓寬 x86 市場。



AMD：去向不明



　　主要競爭對手英特爾在本世紀的初五六年艱難掙扎，AMD抓住了這個有利時機。該公司的 K7 Athlon 微處理器是 1999 年推出的，事實證明是一種比英特爾一年后推出的基于 NetBurst 的 Pentium 4 更為常規的體系結構，因此從性能和功耗角度看，時鐘效率非常高。英特爾多年來一直試圖把 64 比特系統市場推向其專有的革命性的 Itanium 處理器——大部分都失敗了，只有超高端配置例外，而 AMD 選擇了一條更具演變性的途徑——在 Athlon 基礎上追加 64 比特指令支持。結果便是 2003 年基于 K8 的 Athlon 64 和 Opteron（參考文獻 4）。K8 CPU 還提供了其它關鍵的演變性增強特性，比如 HyperTransport 鏈路和集成式系統存儲器控制器。從 2005 年推出的多核 Opteon 和 Athlon 64 X2 來判斷，AMD 還是個將多核 x86 CPU 推向市場的，至少從單片晶粒角度看是這樣。



然而，近幾年卻暴露了 AMD 的主要弱點：該公司是一家比英特爾小得多的 x86 市場參與者，無論是從員工人數還是市場份額衡量標準看均如此，因此它從事的每個項目的成敗都比較關鍵。AMD 于 2003 年開始針對 K10 微體系結構探討體系結構目標，并且于 2006 年公布了它以 64 nm 工藝為目標的單片四核 Opteron、Barcelona 以及 Athlon 后繼型號 Phenom 的主要細節。AMD 終把 Barcelona 的推出延期到 2007 年 9 月，然后進一步把全面生產發售推遲到兩個月前，而在此前，該公司修復了一個令人尷尬的 L2 緩存 TLB（轉換旁視緩沖器）缺陷，這是在 Barcelona 推出后發現的，并與 Phenom 的公布時間巧合。



　　AMD 在修復 TLB 缺陷之前發售了一些 Phenom 材料，伴隨一份基于 BIOS 的微代碼補丁，后者有一個令人遺憾的副作用——顯著降低了與許多基準相關的性能。并且前沿的 Opteron 和 Phenom CPU 在部分程度上反映了 AMD 落后英特爾一代工藝的事實，它們運行時，在核心時鐘速度和基準方面均落后英特爾同等產品。一方面，AMD 很熟悉這種情況。正如它在上世紀 90 年代中期的 P（性能）評級體系所暗示的那樣，與英特爾提供的產品相比，它的產品早就表現出較低的時鐘速度，而時鐘使用效率更高。不過，盡管在本世紀的初幾年，AMD 與英特爾基于 NetBurst 的 CPU 旗鼓相當，但它眼下是在和 Core 衍生的出眾的后繼產品競爭。AMD 處理器的 HyperTransport 鏈路和集成式 DRAM 控制器彌補了時鐘速度的部分不足，但它們無法完全彌補缺口。并且，在 AMD 預計向市場推出基于 45 nm 的 K10 后繼產品時，英特爾也預告了將投產首批 32 nm Westmere CPU，由此保持蝕刻技術一代的優勢。








　　這個消息盡管令AMD煩惱，但對 AMD 并不全是壞事。盡管該公司積極的定價方式對產品利潤率的影響不為人知，但在它的芯片性能和功耗特性使它能獲得相當影響力的市場領域，已使它能對英特爾保持很強的競爭力。憑借 AMD 基于 HyperTransport 的核心互連方法，以及 K10 設計從一開始就包含的其它有吸引力的特性，AMD可以把一些部分程度有缺陷的晶粒作為三核 Phenom 芯片發售，由此使每片晶圓的收入化（圖 2）。AMD也在把其基于 K8 的雙核 CPU 轉向 65nm 工藝，這應該會提高晶粒/晶圓使用率，也有利于AMD的專用產能和代工廠產能的結合。



　　與英特爾一樣，AMD 出售一些嵌入式產品，它們具有延長的壽命周期保證、增強的測試，以及非 PC 客戶重視的其它屬性。并且 AMD 還繼續出售 Geode 集成式 x86 系列，這是它于 2003 年從 National Semiconductor 公司收購的，其歷史可追溯至 Cyrix MediaGX。（National Semiconductor 公司于 1997 年收購了 Cyrix 公司。）雖然 AMD 未正式就 Geode 的未來計劃發表評論，但公開的產品變型 Geode LX 可追溯至 2005 年，而且該公司在 2006 年就關閉了它的 Geode 設計中心。



　　威盛電子：斗志旺盛的受壓迫者



　　威盛電子長久以來一直作為核心邏輯芯片組供應商為人熟知，在 1999 年 9 月也成為了 CPU 制造商，當時它收購了 IDT 的 Centaur Technology 子公司。（威盛還于 1999 年 9 月收購了 National Semiconductor 公司專門面向 PC 的 Cyrix 資產。）從一開始，Centaur 就始終專注于為常規應用盡量減小晶粒尺寸和功耗，并竭力交付足夠性能。這個立場在該公司的早年引起了爭議，當時“時鐘速率就是一切”的觀念主導著這個行業，但現在Centaur的思想已變得更加主流了。



　　該公司的一系列 C3 代 CPU（在無風扇配置中稱為 Esther），目前主要是派生自 Nehemiah 核心，盡管威盛把較老的 Samuel 2 設計作為某些 C3 產品的基礎（參考文獻 5）。Nehemiah 具有多種通用體系結構增強特性，比如全速浮點單元、更深的管線、更全面的 MMX 實現，以及從 3DNow! 改為由 SSE 增強的多媒體指令集。Nehemiah 還瞄向了嵌入式系統設計，比如一對基于發熱的硬件 RNG（隨機數發生器）。 威盛把這些 RNG 稱作 PadLock RNG，并在日后的一種普及產品中稱作 AES（加密標準）引擎，即 PadLock ACE。還提供單片 CoreFusion 產品，在統一封裝中結合了Nehemiah CPU 和北橋核心邏輯晶粒。



對于更常規的臺式機和筆記本設計（比如惠普公司近推出的 2133 型 Mini-Note PC）以及更高端的嵌入式系統應用（無論是否有風扇），威盛還提供 C7 級 CPU（圖3）。該公司采用合作伙伴 IBM 公司的 90 nm SOI（絕緣硅）工藝構建上述產品，并提供增強的 PadLock 功能。威盛的文檔描述道：“威盛C7處理器中的Via PadLock Security Engine 添加了SHA（安全哈希算法）-1和SHA-256哈希法實現安全信息摘要，還添加了基于硬件的蒙哥馬利乘法器，它支持長達 32kB 的密鑰長度來加速公共密鑰加密法，比如 RSA (Rivest/Shamir/Adleman)。威盛 C7 還提供 NX 執行保護，由此提供針對蠕蟲和病毒等惡意軟件的保護。并且它可用于帶 SP2 的 Microsoft Windows XP。把安全特性直接集成到處理器晶粒上，可確保達到比軟件高許多倍的速度和效率，而對處理器性能的影響可忽略不計。”



　　威盛CPU家族的多種配套芯片組反映了該公司長期積淀的核心邏輯技術，提供了系統設計靈活性，具有若干集成的選項，比如 2D 和 3D 圖形加速，以及硬件加速的 MPEG-2、MPEG-4 解碼和其它視頻編解碼器。外部接口選項包括單倍數據速率 SDRAM、多代雙倍數據速率 SDRAM、并行和串行 ATA 海量存儲、PCI 和 PCI Express 插卡，數量不等的 USB 端口。



　　許多 C3 和 C7 CPU 普及產品共同的 21 mm×21 mm NanoBGA2 封裝高效利用了可用的系統板空間。談到系統板，如果人們更希望不做自己的設計，則威盛將很樂意向他們出售它的某種 6.7"×6.7" (170 mm×170 mm) mini-ITX、4.7"×4.7" (120 mm×120 mm) nano-ITX 或 3.9"×2.8" (100 mm×72 mm) pico-ITX 板。它們有效縮小了 PC 主板，采用多種 CPU、核心邏輯芯片組和配套芯片組合，其中包括 10/100-MB Ethernet 和 GbE 收發器、超過雙聲道的環繞立體聲模擬和數字音頻、TPM（受信平臺模塊）、IEEE-1394 接口 IC、模擬視頻編碼器，以及 DVI 和 LVDS 數字視頻輸出。



　　mini-ITX 形狀系數是威盛于 2001 年公布的，是三種選項中成熟的，并且該公司成功地把它作為行業標準來宣傳，這吸引了競爭對手的注意。第三方伙伴出售基于 AMD 和英特爾 CPU 的 mini-ITX 板，并且英特爾也制造自己的 mini-ITX 產品。值得關注的是，該公司在近數月的多個公共論壇上展示了幾種基于 Atom 的 mini-ITX 設計。



　　談到 Atom，威盛與之競爭的 CPU Isaiah對于該公司的未來生存能力很關鍵。具有諷刺意味的是，英特爾已從它以前的體系結構中取消了亂序執行和其它多余特性，由此產生的做法在一定程度上讓人回想起 Centaur 將近十年前的構想。相比之下，威盛的子公司 Centaur 的總裁 Glenn Henry 及其設計團隊正在準備推出威盛的種三路超標量亂序體系結構。該公司于今年一月末正式公布了 Isaiah。它還增加了對 64 比特指令的支持、硬件虛擬化，以及目前具有競爭力的 CPU 的其它急需特性。威盛初將采用代工廠的 65 nm 蝕刻技術制造 Isaiah，其中的設計目標包括：在同等時鐘速度，整數性能是 C7 的兩倍，浮點性能是其四倍。



　　Isaiah的65nm 功耗目標是：2GHz 時為25W TDP。威盛目前把首批基于 Isaiah 的產品安排在今年二季度生產，這比初公布的時間表差了一個季度。當人們閱讀本文或在稍后的時間，該公司應該在發售這些芯片了。威盛將為該 CPU 提供配套的核心邏輯芯片組。一個有趣的伙伴關系也許反映了該公司在 AMD 和英特爾瞄準的核心邏輯市場中日益減少的市場份額。按照該伙伴關系，Nvidia 也將銷售為 Isaiah 量身定做的芯片組。



　　參考文獻




　　1. Dipert, Brian, “And then there was one: one more time,” EDN, April 29, 2004, pg 29, 2004, pg 29, www.edn.com/article/CA411162.
　　2. Dipert, Brian, “Double take: Reassessing x86 CPUs in embedded-system applications,” EDN, April 27, 2006, pg 69, www.edn.com/article/CA6325588.
　　3. Dipert, Brian, “The Intel Developer Forum: ARM-wrestling,” EDN, Sept 21, 2007, www.edn.com/article/CA6480629.
　　 4. Dipert, Brian, “Itanium: 'Itanic’ or full steam ahead?” EDN, April 27, 2006, pg 106, www.edn.com/article/CA6325611.
5. Dipert, Brian, “Hands-on project: And then there was one,” EDN, March 4, 2004, pg 44, www.edn.com/article/CA382777.