至強(qiáng)處理器：我這十二年
說起X86服務(wù)器，相信你一定會(huì)想到英特爾及其針對(duì)服務(wù)器、工作站的處理器平臺(tái)：至強(qiáng)(Xeon)，畢竟X86服務(wù)器芯片這塊市場(chǎng)十之八九的份額都在英特爾的手中。而且，更重要的是，在一定程度上，至強(qiáng)代表了X86服務(wù)器的技術(shù)核心。
眾所周知，英特爾的CPU先后經(jīng)歷了8086、80286、80386、80486以及此后的奔騰系列、賽揚(yáng)系列和至強(qiáng)系列，奔騰系列又包括奔騰1、2、3、4，其中，具有里程碑性質(zhì)的是8086、80486和奔騰。1993年，英特爾公司推出“奔騰”Pentium芯片，被稱為586或P5，含有310萬(wàn)個(gè)晶體管，速度達(dá)60 MHz。1995年11月，英特爾推出“新奔騰”Pentium PRO，這是自從1979年以來的芯片家族的第六代，代號(hào)為P6，有550萬(wàn)個(gè)晶體管，第一批芯片運(yùn)行速度為150-200 MHz。這種“新奔騰”就是至強(qiáng)的前身，目標(biāo)直接定位于商業(yè)用高性能計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等企業(yè)級(jí)計(jì)算領(lǐng)域。
翻開至強(qiáng)處理器12年的發(fā)展歷史，我們看到，這款處理器已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化：經(jīng)過了P6(奔騰III)、Netburst(奔騰4)、酷睿、Nehalem等幾代微架構(gòu)的變遷，制造工藝從最早的250納米提升了現(xiàn)在的45納米，CPU內(nèi)核數(shù)量從單核發(fā)展到了6核，主頻從400MHz提升到3.8GHz，前端總線帶寬從100MHz發(fā)展到了1.6GHz，并最終轉(zhuǎn)換到了全新的QPI直聯(lián)架構(gòu)，指令集和諸如超線程、智能節(jié)能、虛擬化等功能不斷推陳出新……
至強(qiáng)的商標(biāo)雖然經(jīng)歷了幾代x86和x86-64處理器，但仍然保留了下來，舊型號(hào)是將至強(qiáng)放到對(duì)應(yīng)的處理器名字的末尾，如奔騰II至強(qiáng)，奔騰III至強(qiáng)，但2001轉(zhuǎn)換到奔騰4架構(gòu)上之后，新型號(hào)則一率直接叫至強(qiáng)，這似乎也意味著基于至強(qiáng)的PC服務(wù)器正一步步脫離PC的色彩，更加強(qiáng)大，也更加獨(dú)立。比較而言，至強(qiáng) CPU除了多重處理能力、在同一主板上支持多顆處理器外，比對(duì)應(yīng)的桌面級(jí)CPU擁有更多的緩存。
筆者按照處理器微架構(gòu)的不同，將至強(qiáng)這12年的歷史分成了四個(gè)階段，分別加以闡述。#P#
1998-2000年 P6微架構(gòu)時(shí)代
包括250納米的奔騰II至強(qiáng)Drake、奔騰III至強(qiáng)Tanner以及180納米工藝的奔騰III至強(qiáng)Cascades，共20多款處理器，插座接口是Slot 2，指令集只有MMX和SSE。
P6時(shí)代，CPU主頻幾乎完全代表了產(chǎn)品高低檔的不同——型號(hào)中的數(shù)字與主頻是一致的，不過，主頻都很低，直到2000年的8月22日才出現(xiàn)了1GHz的“奔騰III至強(qiáng)1000”;前端總線帶寬也很低，只有100MT/s或133MT/s。
也許最讓今天人們感慨的是，P6處理器的功耗低得驚人，最高也不過46.7瓦特，最低的一款只有23瓦特。比較來看，從250納米到180納米制造工藝的進(jìn)步對(duì)于P6主頻提升和功耗降低都是非常明顯的：250納米時(shí)代，主頻在400-550MHz之間徘徊，而到了180納米的奔騰III至強(qiáng)Cascades，主頻已經(jīng)躍升至1GHz，功耗則下降了10瓦特左右，跟今天八九十瓦、甚至100多瓦的CPU相比，只有20-30瓦特的Cascades真的是相當(dāng)“涼快”!
#p#2001-2006年 NetBusrt微架構(gòu)時(shí)代
這是至強(qiáng)歷史上持續(xù)時(shí)間跨度最長(zhǎng)的一代架構(gòu)了，甚至到2007年一季度還發(fā)布了一款基于Netburst架構(gòu)的產(chǎn)品，包括的處理器型號(hào)非常多：180納米的至強(qiáng)Foster，130納米的至強(qiáng)Prestonia和Gallatin，90納米的至強(qiáng)Nocona、Irwindale、Paxville、Cranford、Potomac，以及65納米的Dempsey和Tulsa，一共有70多款處理器，CPU插座有LGA 771、Socket 603。
這時(shí)至強(qiáng)已經(jīng)開始逐漸擺脫P(yáng)C的影響，型號(hào)前面也不在加上“奔騰III”、“奔騰4”的標(biāo)稱，正在朝面向企業(yè)計(jì)算的獨(dú)立平臺(tái)轉(zhuǎn)化，至強(qiáng)出現(xiàn)了按UP(單路系統(tǒng))、DP(雙路系統(tǒng))和MP(多路系統(tǒng))的劃分方式。可以說，在NetBurst時(shí)代，至強(qiáng)發(fā)生了脫胎換骨式的蛻變，企業(yè)計(jì)算的特征越來越明顯，同時(shí)在2003年也直接受到了AMD皓龍?zhí)幚砥鞯膹?qiáng)有力挑戰(zhàn)。
在這六年當(dāng)中，至強(qiáng)的主要特性變化特點(diǎn)有：
1)能效計(jì)算：制造工藝從180納米提升到了65納米;伴隨著制造工藝的進(jìn)步，主頻和功耗之間的關(guān)系變得微妙起來，“要獲得高主頻往往得付出高功耗的代價(jià)”——180納米(1.4-2GHz，48-77W)、130納米(1.5-3.2GHz，30-90W)、90納米(2.6-3.8GHz，55-165W)、65納米(2.5-3.7GHz，95-150W)，比如主頻3GHz的雙核至強(qiáng)7040(Paxville MP)的TDP功耗就高達(dá)165W，“每瓦特性能”的概念開始出現(xiàn)并廣泛流行，同時(shí)，英特爾也開始通過一系列技術(shù)創(chuàng)新如制造工藝改進(jìn)、低功耗版處理器、EIST等，來保證平臺(tái)更新時(shí)“在功耗不變的條件下提升性能”。英特爾甚至在2006年還嘗試動(dòng)用了用于筆記本電腦的處理器微架構(gòu)，推出基于Pentium M (Yonah)架構(gòu)的雙核至強(qiáng)DP處理器(Sossaman)，TDP功耗為31W，使用Socket M插座，不過，主頻最大僅2.166GHz。
2)唯主頻論過時(shí)：由于唯主頻論開始過時(shí)，至強(qiáng)的命名型號(hào)也發(fā)生了大的變化，從2006年開始，英特爾不再用“至強(qiáng)UP/DP/MP+主頻”來的方式來命名、區(qū)別不同型號(hào)，而是分為針對(duì)雙路平臺(tái)的至強(qiáng)5000系列和針對(duì)多路平臺(tái)的至強(qiáng)7000系列，如至強(qiáng)50XX(Dempsey)、至強(qiáng)70XX(Paxville MP)、至強(qiáng)71XX(Tulsa)，后面兩位數(shù)用來標(biāo)識(shí)CPU的不同，一般數(shù)字越大，表示性能越高;而且，由于這一階段還開始出現(xiàn)核心數(shù)量、功耗的區(qū)別，所以有些產(chǎn)品前面也開始加上Dual Core(雙核)、后面加上Low-voltage(低功耗)等字樣。
3)64位計(jì)算：2004年6月，在AMD64位皓龍的競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)下，英特爾放棄過去單純依靠安騰主打64位計(jì)算市場(chǎng)的策略，推出EMT64的Nocano，走上32位/64位兼容型計(jì)算道路;
4)多核計(jì)算：2005年開始出現(xiàn)雙核芯，多核計(jì)算開始走上快車道;
5)多功能：指令集和CPU的功能得到了頻繁更新，跟P6架構(gòu)相比，新增了SSE2、SSE3指令集，以及許多過去聞所未聞的新技術(shù)，如超線程、EIST(Enhanced Intel SpeedStep Technology)智能降頻節(jié)電技術(shù)、EMT64兼容32位和64位計(jì)算、XD bit(No eXecute)防病毒防惡意攻擊技術(shù)、intel-vt硬件輔助虛擬化技術(shù)等。
6)均衡計(jì)算：隨著處理器的性能越來越強(qiáng)，但前端總線的帶寬提升幅度卻不大，從400、533、667、800提升到1066MT/s，I/O瓶頸也越來越突出，尤其是對(duì)于四路以上的系統(tǒng)。在這一階段，雖然AMD已經(jīng)在2003年推出了“直連架構(gòu)，集成內(nèi)存控制器”的皓龍，但英特爾仍然堅(jiān)持FSB架構(gòu)。于是，我們看到，為了緩解CPU“吃不飽”的狀況，這一時(shí)期英特爾主要是不斷進(jìn)行大容量L2緩存設(shè)計(jì)，甚至開始引入大容量L3緩存，如針對(duì)多路系統(tǒng)、FSB帶寬僅有667 MT/s的雙核至強(qiáng)7150N(Tulsa)就擁有2x1MB二級(jí)緩存和高達(dá)16MB的三級(jí)緩存。
7)虛擬化：隨著X86服務(wù)器虛擬化的流行，英特爾在2006年5月份發(fā)布的Dempsey處理器中開始引入其硬件輔助虛擬化技術(shù)intel-vt，以緩解VMware等虛擬化軟件的性能損耗，提高虛擬化的效率，此后，英特爾VT得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，直至今天。
總之，這是新舊交替的六年，也是英特爾歷盡蛻變的六年，不僅要面對(duì)功耗攀升的棘手問題，還要面對(duì)來自AMD的挑戰(zhàn)，期間雙方在64位、雙核、功耗等方面多次交手，雖然各有勝負(fù)，但總體來說，英特爾在這一時(shí)期失誤頗多，最終讓AMD皓龍?jiān)谑袌?chǎng)中占穩(wěn)了腳跟。
#p#2006-2008年 酷睿(Core)微架構(gòu)時(shí)代
2006年其實(shí)是Netburst和酷睿兩種架構(gòu)并存的一年。差不多也是從這一年開始，英特爾引入了其新的產(chǎn)品更新策略：Tick-Tock，這其實(shí)也是英特爾對(duì)市場(chǎng)的一種承諾，即當(dāng)年更新微架構(gòu)，下一年更新制造工藝，依次類推，不斷推動(dòng)處理器技術(shù)的發(fā)展。于是我們看到2006年是酷睿微架構(gòu)年，2007是45納米工藝Penryn，2008是Nehalem微架構(gòu)，2009是32納米工藝的Westmere，2010年是Sandy Bridge全新架構(gòu)......
Core架構(gòu)盡管歷時(shí)才3年左右，但英特爾一共推出了近90款CPU，包括：65納米針對(duì)單路平臺(tái)的的雙核Allendale(至強(qiáng)3000系列)、雙核Conroe(至強(qiáng)3000系列)、四核Kentsfield(至強(qiáng)3200系列)，針對(duì)雙路平臺(tái)的雙核Woodcrest(至強(qiáng)5100系列)和四核Clovertown(至強(qiáng)5300系列)，針對(duì)四路以上平臺(tái)的Tigerton(雙核至強(qiáng)7200系列、四核至強(qiáng)7300系列)，以及45納米針對(duì)單路平臺(tái)的雙核Wolfdale(至強(qiáng)3100系列)和四核Yorkfield(至強(qiáng)3300系列)，針對(duì)雙路平臺(tái)的雙核Wolfdale-DP(至強(qiáng)5200系列)、四核Harpertown(至強(qiáng)5400系列)，還有針對(duì)四路平臺(tái)的四核/六核Dunnington(至強(qiáng)7400系列)等十來個(gè)類別。
和Netburst微架構(gòu)相比，Core時(shí)代至強(qiáng)處理器的變化主要有：
1) 制造工藝從65納米升級(jí)到了45納米(統(tǒng)稱為Penryn)，使用了高K材料，這一工藝的進(jìn)步為英特爾在CPU中集成更多的晶體管、提高主頻、降低功耗、進(jìn)行下一代微架構(gòu)創(chuàng)新等提供了基礎(chǔ);
2) 多核計(jì)算得到進(jìn)一步發(fā)展，出出四核(最早出現(xiàn)在Clovertown至強(qiáng)5300系列中)與六核(最出現(xiàn)在Dunnington至強(qiáng)7400系列中)產(chǎn)品;
3) 指令集得到進(jìn)一步發(fā)展，新增SSE4.1，在虛擬化、智能節(jié)能等方面也得到了進(jìn)一步增強(qiáng);
4) 針對(duì)單路服務(wù)器的處理器統(tǒng)一到至強(qiáng)3000系列名下;
5) 為了將CPU功耗控制在可接受的范圍以內(nèi)，英特爾一方面通過多核設(shè)計(jì)來提升性能，另一方面通過工藝進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)主頻與功耗的平衡，跟Netburst相比來看，主頻甚至有所降低，但功耗基本得到了有效控制，65納米(1.6-3GHz，35-150瓦特)45納米(1.866-3.5GHz，20-150瓦特);
6) 由于Core時(shí)代仍然采用前端總線結(jié)構(gòu)，為了提升I/O帶寬，降低I/O延遲，英特爾一方面提升總線帶寬(1066、1333、1600 MT/s)，另一方面繼續(xù)采用大容量L2和L3緩存設(shè)計(jì)，如六核心的至強(qiáng)7460主頻為2.667GHz，F(xiàn)SB為1066MT/s，L2緩存為3x3MB，L3緩存為16MB。
7) 這一時(shí)期的CPU插座也發(fā)生了變化，主要有LGA 771、LGA 775和Socket 604。
#p#2009年 Nehalem微架構(gòu)時(shí)代
雖然Nehalem微架構(gòu)在2008年就已經(jīng)在個(gè)人電腦的i7處理器上得到采用，但在服務(wù)器上的應(yīng)用卻是今年3月30日Nehalem-EP至強(qiáng)處理器的發(fā)布——包括45納米的針對(duì)單路系統(tǒng)的雙核/四核Bloomfield(至強(qiáng)3500系列)以及針對(duì)雙路系統(tǒng)的雙核/四核Gainestown(至強(qiáng)5500系列)。
對(duì)英特爾而言，基于45納米的Nehalem代表了一個(gè)全新時(shí)代的到來：放棄傳統(tǒng)前端總線架構(gòu)，轉(zhuǎn)向QPI直連架構(gòu)，打破傳統(tǒng)I/O瓶頸的束縛，QPI帶寬高達(dá)4.8-6.4 GT/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FSB時(shí)代的1.6 GT/s!
如果說當(dāng)年的奔騰Pro開創(chuàng)了X86工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器大批量生產(chǎn)和普及的時(shí)代，那么，至強(qiáng)5500則是15年來性能提升幅度最顯著的一代，其性能是2005年單核至強(qiáng)的9倍，是上一代至強(qiáng)5400的2.5倍，同時(shí)空閑狀態(tài)下的平臺(tái)功耗降低了50%，其背后采用了一系列技術(shù)包括45納米工藝、全新內(nèi)存子系統(tǒng)、快速通道互聯(lián)技術(shù)(QPI)、智能節(jié)能技術(shù)、全新I/O子系統(tǒng)。在性能方面，智能加速技術(shù)可以滿足對(duì)CPU主頻比較敏感的應(yīng)用需求，超線程技術(shù)則可以滿足高度并行的應(yīng)用需求，針對(duì)能耗方面，則有集成功率門限、自動(dòng)低功耗、節(jié)點(diǎn)管理器等等。這些創(chuàng)新的技術(shù)使得今天的用戶“可以在需要的時(shí)候提高性能，也可以在不需要性能的時(shí)候自動(dòng)降低功耗?！?/P>
針對(duì)四路以上的系統(tǒng)，英特爾將在今年下半年投產(chǎn)、明年初上市八核心Nehalem-EX(估計(jì)命名為至強(qiáng)7500，代號(hào)Beckton)。Nehalem-EX將擁有23億晶體管，擁有4個(gè)QPI鏈接，可以讓服務(wù)器從雙路一直輕輕松松地?cái)U(kuò)展到8路，且無(wú)須第三方芯片組技術(shù)支持，從而最高可以支持到64核、128個(gè)線程，擁有24MB共享L3緩存，每個(gè)處理器支持16個(gè)內(nèi)存插槽，引入了原來只在安騰上采用的RAS特性：MCA(機(jī)器檢驗(yàn)體系結(jié)構(gòu))功能。根據(jù)英特爾的測(cè)試，Nehalem-EX與上一代的至強(qiáng)7400相比，在性能和帶寬兩方面都實(shí)現(xiàn)了“前所未有”的飛躍：內(nèi)存帶寬高達(dá)9倍，數(shù)據(jù)庫(kù)性能超過2.5倍，整數(shù)吞吐量超過1.7倍，浮點(diǎn)吞吐量超過2.2倍!
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