架构AMD CPU的发展简史：从x86-64位技术到全新的 Ryzen 架构

AMD CPU的发展简史从x86-64位技术到

全新的Ryzen架构

今年众所期待的AMD Ryzen CPU终于上市了。从2012年开始研发背负着带领AMD重返荣耀的CPU一上市便造成轰动。极高的性价比以及低功耗为笔电以及桌机的CPU市场注入了活水。下面就随嵌入式小编一起来了解一下相关内容吧。

64位处理器的兴起

在32位CPU中如果单纯以CPU做存储器定址时 4GiB为其极限。多余的空间则需额外的软硬件支持。在早期的超级电脑中这一类的需求可以靠钱解决。然而随着存储器技术的发展在一般商业甚至是一般消费性市场中 4G以上的存储器将越来越常见。如果有一款CPU可以直接定址大量的存储器将带来相当大的优势。

因此从90年代起众多的CPU制造商开始研发制造64位的CPU。其中 PC市场的领头羊 Intel便从1994年开始和HP共同发展新的64位指令集架构以及CPU 以因应接下来的CPU市场竞争。然而 Intel所提出的64位CPU其指令集架构和旧有的x86截然不同将导致原有的程序会无法在新的Intel CPU上执行。

1999年时 AMD则发布和Intel截然不同的方法。AMD决定将既有的x86指令集架构扩增成64位的指令集。采用这个方法意味着原有的程序将得以执行在新的AMD 64位的CPU上大大减低后续重新编写程序的需求。指令集架构的差异替AMD立下胜利的基石。

64位指令集架构之战 AMD大获全胜

在2001年 Intel终于发布其第一款的 64位CPU──Itanium。然而这一款CPU在市场的接受度却没有如同其所预期般迅速的被采用。最主要的原因莫过于软件的数量不足、 以及和其他64位处理器相比的弱势效能。

其中软件数量不足的关键就在于指令集架构的差异。在高速计算里面为了让程序得以执行的更快大多数的工程师会修改或直接编写组合语言 以期让程序能更符合硬件的执行模式。如果更换不同的指令集架构将需要耗费大量的时间修改组合语言甚至重新开发整个程序。

此外没有明显优势的CPU效能也让开发商不愿投入更多的资源在Intel的Itanium上。因此 Intel只能加速下一款CPU的开发 以期待能满足市场的需求。

2003年震撼市场的消息发出。AMD发布了第一款x86-64的CPU──Opteron以及Athlon 64。光是让既有的32位CPU运行于其上就已经为AMD添增光彩。更不用说新的CPU所采用的硬件架构K8是何等的强悍。

扭转颓势 Intel版x86-64现身

为了避免商用以及高速科学计算领域的市占率下滑Intel于2004年时紧急推出新的Xeon CPU。此外在桌机市场 Athlo n 64的优秀效能让Intel不得不以既有的PenTIum 4为基础将指令集架构扩展至64位。

然而 即使Intel推出新了的CPU其CPU硬件架构效能提升却不足导致新的CPU效能稍微落后采用K8架构的Opteron以及Athlon 64。K8架构成了传说 为AMD带来荣耀。 同时其主要硬件架构师Jim Keller也逐渐为人所知。

迈向多核心之路黄金交叉将出现

在2005年5月时 AMD以及Intel皆发布了消费者市场的双核心CPU分别为AMD Athlon 64 X2 以及Intel PenTIum D。第一款消费市场的双核心CPU揭开了崭新的时代序幕。多的核心便意味著作业系统中的多执行绪可以同时运行在一颗CPU中大幅降低执行绪所需等待的时间。

比较这两款x86-64双核心CPU的效能时这一次AMD持续维持着其领先的姿态 Athlon 64 X2的效能大幅超越PenTIum D。AMD CPU的市占率一举攀升就在黄金交叉将要出现之时。 Intel展开逆袭 2006年8月 Intel推出了下一代的CPU──Core 2系列。

▲ 由CPU Benchmarks所统计的资料该资料是统计全球使用该款b enchmarks的CP U厂牌。虽然不是实际的 CPU 出货量但是足以当做参考。 Source CPUB en c hm ark s

新系列的Intel CPU断开和PenTIum 4的关联 以Pentium III的 CPU硬件架构为基础重新设计并采用AMD所发展的64位指令集架构。这一次 Intel以过往成功的产品为基础并重新设计 以Core为名重新出发。这一次 Intel结束产品线的混乱以及产品效能低落的数年。

同步多线程彻底发挥CPU核心的计算能力

在2008年 Intel将其Hyper-Threading的技术重新导入Core i系列CPU也就我们现在所熟知的i3、 i5、 i7处理器。所谓的Hyper-Threading便是在一个CPU核心内部在将其分成两份。然而究竟是如何将CPU切成两份呢根据Intel于2002年所发布的Hyper-Threading TechnologyArchitecture and Mi croarchitecture便可略知一二。

在论文中 Intel便给出了两张比较图。两个核心最主要的差异在采用H yp er-Thre adi ng技术中的CPU中Architecture State单元会比一般的核心多一个。大致上Architecture State单元包含了多数的暂存器以及中断讯号的控制器等用以记录执行绪执行的资讯是无法被共用的资料。

▲左图为未采用 Hyp er-Thre ading技术的 CPUCores  右图则是采用了 Hyper-Threading技术的 CPUCores其中两者间的差异为一个CPU Core中有不同数量的 Architecture State单元。 Source Intel Technology

Journal Vol. 1 

因此在采用这个技术之后只需要额外的5%面积便可以达成更高的指令集平行化让CPU尽可能地满载释放CPU所有的潜能。根据这一篇论文中所提供的数据采用这一项技术后在多执行绪的执行情况下将可带来将近30%的效能提升相当惊人。

做为应对 AMD于2011年推出Bull do zer其采用的并非是 Intel所使用的 SMT技术 而是ClusteredMultiThreaded CMT技术。此技术是将一颗CPU内部的整数执行单元复制一份让CPU具备在同一核心内部执行两个执行绪能力在后续要扩增核心的计算能力上相当的容易所需要的修改相对的较少。

然而其缺点便是没有办法共用执行单元无法享有SMT中最重要的优点用两个Thread尽可能让执行单元不会有空闲状态。此外两个独立的L1 Cache虽然感觉在实作上会比较简单。但是 为了要维持Cache的一致性便需要拥有额外的Core内部资料交换单元大大的提升控制电路的复杂性。

最后结果便是众所皆知的 AMD于x86的CPU市占率直直落现今在中高端的笔电市场中更几乎看不到采用AMD CPU的产品。就在AMD要消失在市场之中时Zen CPU的消息传出

Ryzen CPU硬件架构的重新设计

在2012年 K8的主要硬件架构师Jim Keller回到AMD。这一次他的回归让AMD重返荣耀的声音响起。是否新的CPU可以再现K8的传说这一次的 RyzenCPU和先前的AMD CPU有何差异

将底层硬件架构做比较可以发现Ryzen CPU取消了 Bulldozer所提出的 Integer Cluster 并以类似IntelHyper-Thre adi ng的技术取而代之。如此便能让CPU尽可能地达到满载的状况。

此外新的Ryzen CPU也引进了 Intel于SandyBridge架构开始采用的 Micro-op Queue 以减少重新Deco de的需求提升单次可执行的指令数。借由更多先进的技术让AMD得以获得大幅度的效能提升。也因此AMD公布Ryzen CPU其每个周期可以执行的指令比前一代CPU多52%改善幅度相当大。

至于实际的Ryzen CPU效能如何呢现在已经有相当多的评测文章将Intel Kaby Lake系列和Ryzen系列CPU做比较在这不再多做评比。不过在一般的应用上AMD的CPU不会再像之前的CPU看不到Intel CPU的车尾灯。

▲ AMD于2016年HOT CHIPS上所发布的架构图。从图中可以发现新的架构取消掉CMT的技术让CPU核心变得较不复杂。 Source AMD

至此我们已经看完了两大x86巨头间的厮杀同时在短短的17年间CPU产业已经采用相当多的技术以满足与日渐增的计算需求。千禧年后CPU的发展简史让我们见证了一代CPU王者的兴起没落以及归来。

▲从图中可以发现在AMD Bulldozer中一共有两个整数运算单元此技术便称为Clustered MultiThreaded。

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3 GFDLor CC BY 3.0 via Wikimedia Commons