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发信人: trunks (深蓝的海), 信区: Hardware
标 题: Opteron深入揭秘第一回：K8与K7架构比较
发信站: 荔园晨风BBS站 (Thu May 1 16:40:46 2003), 站内信件
引言：
作为CPU市场的中坚力量，在AMD的历史上，K5处理器是一段不堪回首的
历史。在数个月的延期后，这款处理器最终只落得个散热巨大，性能不济的
恶名。
而另一方面K7的发布让AMD第一次在竞争中占据主动，Athlon处理器捍
卫了AMD的尊严。然而性能优秀的K7核心并不能挽回AMD在市场策略上的颓势，
市场手腕的缺乏不是仅凭优秀的硬件设计就可以挽回的。在AMD身处逆境的
时候，K7成了AMD苦苦支撑战局的唯一武器。这一切一直延续到AMD向大众宣
布K8处理器才得到改观，在2001年的微处理器论坛上，人们重新对AMD寄予了
无限的希望。
在2001年十月的微处理器论坛上，AMD第一次宣布了他们的K8处理器，
下面是我们当时对这一事件的评价：
“AMD显然已经不是以前初出茅庐的厂商了，现在他们正力图摆脱技术追
随者的形象，成为IT业界的领导者。而全新的Hammer架构正说明了AMD正掀
起微处理器领域的一场革命。
同时，我们看到Intel仍占据着大部分市场，他们拥有长远的技术储备。
而AMD目前的成功正传递一个强烈的信号，他们绝对不会向Intel臣服，双方
正开始一场新的较量。AMD和Intel都曾犯过错误，Intel最近在RDRAM上就栽
了跟头，而AMD已经很久没有重大的失误了。
K8背后的技术特性暗示它很可能取得成功。但是现在AMD在未来的12个
月内还有很多事要做。不要忘了在Athlon处理器推出以前，AMD一直没有太
大的作为。AMD的大铁锤还有很远的路要走，现在我们能做的只有祝福它一
路走好。”
时间转瞬到了现在，AMD不仅没有如期推出他们的K8处理器，而且在K8
发布时也没有K7那样强烈的震撼。我们在采访AMD的CTO，Fred Weber时，
他对K8的发布评价道，K8的登陆并没有造成当时K7那样轰动，但比起K5/K6
来要好得多。
AMD已经走过了漫漫长路，他们引入了全新的处理器架构，从未使用过
的新工艺，同时还不得不面对咄咄逼人的竞争对手和疲软无力的世界经济。
现在一切的努力终于看到了曙光，尽管K8在未来的几个月内还难以走入桌面
系统，但现在它已经在服务器市场上重拳出击，这就是我们今天要介绍的主
角：Opteron。
我们会分两篇文章来介绍K8的核心架构以及Opteron的构造。第一篇用
来和K7架构进行比较，第二篇介绍全新的x86-64架构和Opteron结构分析。
在接下来的三篇评测中我们会就企业应用，服务器性能以及桌面性能对
Opteron进行全方位的考察。
我们建议你在进入评测部分以前先阅读前面的两篇介绍文章，以便对K8
的架构有一个全面的认识。
现在就让我们进入本篇文章的主题。
CPU设计：K8的技术细节
在两年前我们打量K8时，发现它在架构上和K7截然不同，正应了不破不
立的古语。K7的微处理结构被实践证明相当成功，在面对Pentium 4的
etBurst架构时，K7仍然保持了很强的竞争力。
正如你看到的，两者执行单元的物理数目是一致的，我们注意到K8核心
同时用于桌面系统和企业级应用，出于这点考虑，在核心中加入更多的执行
单元对K8并没有明显的意义。
接下来，我们看到从K7开始就有的微小改进：尽管K8和K7采用了一样数
目的浮点调度程序窗口（scheduling window ），但是整数单元从K7的18个
扩充到了24个。
为什么AMD会扩展整数调度数目的规模而执行单元却保持不变呢，为了
回答这个问题，我们来介绍一下AMD的分支预测（branch prediction）单元，
看看AMD怎样把cpu这块蛋糕“做大”。
把蛋糕做大：K8的分支预测单元
处理器的大小首先要受制于分支预测的精确性。分支预测器决定了在流
水线中运行的指令的数量，它能避免CPU错误的预测分支引起的流水线管道延
迟。理论上，你的CPU在尺寸上应该恰到好处，在CPU做出错误预测前，它应
该正好容纳下流水线中的指令数目。
在K8中，AMD将K7中的分支预测单元做了改进。global history counter
buffer(用于记录CPU在某段时间内对数据的访问，我们可以称之为全历史计
数缓冲器)比起Athlon来足足大了4倍。全历史计数器是一列2比特的计数器
（2比特计数器从0计数到3），它决定是否应该执行特殊的分支。当一个分支
指令到达后，分支预测单元读取指令中一部分地址（有时对地址进行一些逻
辑操作），并用来把它作为全历史计数器的索引，这直接决定了哪一个计数
器进行工作。对索引页的计数器进行检验，如果它的值大于或等于2，那么分
支被预测为执行，然后执行分支。如果分支被错误预测，那么计数器的值会
减一，但是如果下一次预测准确的话，计数器的值会再次加一（计数器设有
上下限，它不能小于0或大于3）
现在这种方法带来的问题是，如果你有两条分支指令同时给出了同一个
索引值，相关的计数器会武断的增值或减值，这被称为干扰（interference）。
全历史计数器的容量越大（大于2比特），发生干扰的几率就越小。于是把干
扰的几率降低，你便能得到更为准确的分支预测。
在K8的分支预测器中还有其他的一些改进，它们都是为让预测更准确而
服务的。回到我们原先微处理器分支预测单元与CPU大小的关系，因为K8装备
了更为精准的分支预测器，现在AMD可以把K8做的比K7更大。但是具体怎样实
现呢？
更加深入：K8的线管级数
基于这一点，AMD有两个选择：第一是增加核心中执行单元的数目，如果
K8仅仅针对于企业级市场，那么在并行应用中更多的执行单元将大有裨益。
可是K8还将面向桌面级应用，这让AMD急于大幅提升CPU运行频率，于是我们看
到了第二种选择：加深管线深度。
不管AMD作出了哪一种选择，有一点不容置疑：K8在分支测错前流水线中
可以容纳更多指令数，为了充分利用这个优势，AMD需要一个更大的缓存来储
存这些指令。这些用来储存指令的缓存被称为调度窗口（scheduling window
），如果在前面你注意到了整数调度程序数目的增加，此时你会明白AMD此举
的用意：随着运行指令的增多，调度程序的数目也要相应增加。我们推测K8中
浮点调度程序数目已经足够大了，因此AMD并没有作任何扩充。要注意到的是，
大部分分支指令出现在整数运算中，这也可以解释为什么K8虽然拥有更精确的
分支预测，却仍保留了K7浮点调度程序的数目。
AMD在整数调度程序上的改进让K8的管线深度比Athlon多出2级。增加两级
线管深度的目的在于提升K8的核心频率。流水线的级数越多，每个时钟频率的
负荷就越小，因此你的CPU就可以运行在更高的频率。这就解释了为什么20级
线管的Xeon处理器现在运行频率达到了3GHz，而12级线管的Opteron只能以1.8
GHz起跳。
仅仅用线管架构造成的频率差距来衡量Xeon和Opteron是不妥当的，这就
像仅用频率并无法真正衡量Pentium 4和Athlon XP处理器一样。Xeon的架构使
它在单个时钟频率效率相对低下，却可以实现更高的频率，因此我们只有用实
际的性能表现才能作出公正的评价。
K8的缓存和K7是一样的，从下面的比较中你会发现它在延迟响应和带宽上
有轻微的提升。
L1 Cache 带宽比较：
L1 Cache 延迟比较：
L2 Cache 带宽比较：
L2 Cache 延迟比较：
最后在微结构与K7核心的不同是AMD称之为"Large Workload TLBs" 的“大
工作量后备式转换缓冲”。
在K8中，AMD增加了后备式转换缓冲，这是为了应对Opteron在服务器应用
中的超大内存需求。在桌面应用中，TLB数目的增加带来的影响并不明显，这在
K7 Palomino核心已经得到了证明，只是3D应用程序得到了一定程度的性能提升。
应该说和K8在K7架构的基础上作出了很多的改进，特别是在提升频率和服
务器应用上采取了相应的举措。在下一篇中我们会大家介绍K8革命性的x86-64
架构，同时还将近距离接触Opteron处理器，请大家拭目以待。
http://www.pconline.com.cn/pchardware/tpylab/cpu/10304/158481.html
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