一代CPU王者的發(fā)展簡(jiǎn)史：從技壓英特爾的x86-64位技術(shù)到全新的 Ryzen 架構
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同步多線(xiàn)程，徹底發(fā)揮 CPU 核心的計算能力
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201704/358207.htm在 2008 年，Intel 將其 Hyper-Threading 的技術(shù)重新導入 Core i 系列 CPU，也就我們現在所熟知的 i3、i5、i7 處理器。所謂的 Hyper-Threading，便是在一個(gè) CPU 核心內部在將其分成兩份。然而，究竟是如何將 CPU 切成兩份呢?根據 Intel 于 2002 年所發(fā)布的Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture便可略知一二。
在論文中，Intel 便給出了兩張比較圖。兩個(gè)核心最主要的差異，在采用 Hyper-Threading 技術(shù)中的 CPU 中，Architecture State 單元會(huì )比一般的核心多一個(gè)。大致上，Architecture State 單元包含了多數的暫存器以及中斷訊號的控制器等，用以記錄執行緒執行的資訊，是無(wú)法被共用的資料。
▲ 左圖為未采用 Hyper-Threading 技術(shù)的 CPU Cores，右圖則是采用了 Hyper-Threading 技術(shù)的 CPU Cores，其中，兩者間的差異為一個(gè) CPU Core 中有不同數量的 Architecture State 單元。(Source：Intel Technology Journal Vol. 1)
因此，在采用這個(gè)技術(shù)之后，只需要額外的 5% 面積，便可以達成更高的指令集平行化，讓 CPU 盡可能地滿(mǎn)載，釋放 CPU 所有的潛能。根據這一篇論文中所提供的數據，采用這一項技術(shù)后，在多執行緒的執行情況下，將可帶來(lái)將近 30% 的效能提升，相當驚人。
做為應對，AMD 于 2011 年推出 Bulldozer，其采用的并非是 Intel 所使用的 SMT 技術(shù)，而是 Clustered MultiThreaded(CMT)技術(shù)。此技術(shù)是將一顆 CPU 內部的整數執行單元復制一份，讓 CPU 具備在同一核心內部執行兩個(gè)執行緒能力，在后續要擴增核心的計算能力上，相當的容易，所需要的修改相對的較少。
然而，其缺點(diǎn)便是沒(méi)有辦法共用執行單元，無(wú)法享有 SMT 中最重要的優(yōu)點(diǎn)，用兩個(gè) Thread 盡可能讓執行單元不會(huì )有空閑狀態(tài)。此外，兩個(gè)獨立的 L1 Cache 雖然感覺(jué)在實(shí)作上會(huì )比較簡(jiǎn)單。但是，為了要維持 Cache 的一致性，便需要擁有額外的 Core 內部資料交換單元，大大的提升控制電路的復雜性。
最后，結果便是眾所皆知的，AMD 于 x86 的 CPU 市占率直直落，現今在中高端的筆電市場(chǎng)中，更幾乎看不到采用 AMD CPU 的產(chǎn)品。就在 AMD 要消失在市場(chǎng)之中時(shí)，Zen CPU 的消息傳出!
Ryzen CPU，硬件架構的重新設計
在 2012 年，K8 的主要硬件架構師 Jim Keller 回到 AMD。這一次，他的回歸，讓 AMD 重返榮耀的聲音響起。是否新的 CPU 可以再現 K8 的傳說(shuō)?這一次的 Ryzen CPU 和先前的 AMD CPU 有何差異?
將底層硬件架構做比較，可以發(fā)現 Ryzen CPU，取消了 Bulldozer 所提出的 Integer Cluster，并以類(lèi)似 Intel Hyper-Threading 的技術(shù)取而代之。如此便能讓 CPU 盡可能地達到滿(mǎn)載的狀況。
此外，新的 Ryzen CPU 也引進(jìn)了 Intel 于 Sandy Bridge 架構開(kāi)始采用的 Micro-op Queue，以減少重新 Decode 的需求，提升單次可執行的指令數。借由更多先進(jìn)的技術(shù)，讓 AMD 得以獲得大幅度的效能提升。也因此，AMD 公布 Ryzen CPU 其每個(gè)周期可以執行的指令比前一代 CPU 多 52%，改善幅度相當大。
至于實(shí)際的 Ryzen CPU 效能如何呢?現在已經(jīng)有相當多的評測文章將 Intel Kaby Lake 系列和 Ryzen 系列 CPU 做比較，在這不再多做評比。不過(guò)，在一般的應用上，AMD 的 CPU 不會(huì )再像之前的 CPU，看不到 Intel CPU 的車(chē)尾燈。
▲ AMD 于 2016 年 HOT CHIPS 上所發(fā)布的架構圖。從圖中可以發(fā)現，新的架構取消掉 CMT 的技術(shù)，讓 CPU 核心變得較不復雜。(Source：AMD)
至此，我們已經(jīng)看完了兩大 x86 巨頭間的廝殺，同時(shí)在短短的 17 年間，CPU 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)采用相當多的技術(shù)，以滿(mǎn)足與日漸增的計算需求。千禧年后 CPU 的發(fā)展簡(jiǎn)史，讓我們見(jiàn)證了一代 CPU 王者的興起沒(méi)落以及歸來(lái)。
▲ 從圖中可以發(fā)現在 AMD Bulldozer 中，一共有兩個(gè)整數運算單元，此技術(shù)便稱(chēng)為 Clustered MultiThreaded。(Source：By Shigeru23 (Made by uploader (ref：[1]， [2]， [3])) [GFDLor CC BY 3.0]， via Wikimedia Commons)
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