奔騰III
1999年1月問(wèn)世的奔騰III處理器是P6家族的第三代產(chǎn)品。奔騰III家族除了主角奔騰III以外，同樣包括至強和賽揚兩大分支。奔騰III歷經(jīng)了三代核心演變，每一代的改進(jìn)都很大，性能提升也很明顯。最早的奔騰III核心代號為Katmai，其實(shí)就是100MHz外頻的奔騰II+SSE指令集，后期則推出了133MHz的兩款型號，隨即讓位給Coppermine奔騰III。Coppermine核心是對P6架構的一次發(fā)揚光大，它的改進(jìn)不僅僅在于采用了0.18微米工藝，而是在核心上大刀闊斧的改進(jìn)。Coppermine基本核心設計思路和Katmai奔騰III一致，但是大大擴展了數據通道，是Katmai的四倍。此外Coppermine奔騰III繼承了奔騰Pro/賽揚的優(yōu)良傳統，將二級緩存集成在處理器核心，以和處理器工作主頻相當的速度運行，再加上二級緩存數據通道的拓寬（從Katmai的64位拓寬到了256位），緩存延遲時(shí)間的縮短，因此同主頻下Coppermine的性能明顯好于Katmai。除了L2 Cache外，英特爾還在Coppermine中增加了填充緩存、總線(xiàn)隊列入口和寫(xiě)回式緩沖區，可以避免寫(xiě)入較慢的內存或讀入多重內存區域數據時(shí)，主存儲瓶頸給CPU造成的延遲，在133MHz總線(xiàn)上預讀取帶寬擴充到680～1000MB/s后，將會(huì )有效地解決此類(lèi)問(wèn)題。
奔騰III的最后一個(gè)核心是Tualatin。Tualatin采用0.13微米工藝制造，是P6家族值得讓人懷念的經(jīng)典產(chǎn)品。Tualatin對Coppermine的改進(jìn)不算太大，最大亮點(diǎn)就是Tualatin采用了四倍Quadword Wide緩存數據總線(xiàn)，而Coppermine是兩倍Quadword Wide緩存數據總線(xiàn)。緩存數據總線(xiàn)越寬，緩存傳輸率和讀寫(xiě)效率就越高，對處理器的性能提升有很大幫助。Tualatin的桌面版本具有256KB二級緩存，服務(wù)器版本和移動(dòng)版本則具有512KB二級緩存。移動(dòng)版本的Tualatin就是奔騰III-M，它是迅馳移動(dòng)計算技術(shù)問(wèn)世以前，奔騰4時(shí)代輕薄筆記本電腦中的王者，是奔騰M處理器的雛形。奔騰III-M可支持增強的英特爾SpeedStep技術(shù)，這種技術(shù)能夠根據處理器上的應用需求自動(dòng)切換最佳性能模式和電池優(yōu)化模式，從而在性能和功耗之間達到最佳平衡。此外，這種處理器采用了英特爾公司新研制的封裝技術(shù)，使PC機制造商得以生產(chǎn)出更輕更薄的筆記本產(chǎn)品。全新的更深度睡眠模式(Deeper Sleep)能夠比原來(lái)的低能量睡眠模式進(jìn)一步降低能耗，延長(cháng)電池使用時(shí)間——即使在運行應用程序的時(shí)候，也可以達到僅0.2W或者更少的耗電量。采用奔騰III-M處理器的筆記本至今仍活躍在二手市場(chǎng)，足以輕松應對目前的主流計算需求。
在2003年初問(wèn)世的迅馳移動(dòng)計算技術(shù)平臺中，最引人注目的就是代號為Banias的奔騰M處理器。與以往英特爾的高調宣傳做法不同，英特爾對奔騰M的技術(shù)架構不愿多談，只是強調它是迅馳移動(dòng)平臺的組成部分，設計的出發(fā)點(diǎn)就是追求低功耗、低熱量、體積小。但是行家們很快就從英特爾羞答答拿出的奔騰M內部架構資料中看出，奔騰M其實(shí)還是P6家族的一員，更確切地說(shuō)，奔騰M就是以Tualatin奔騰III-M為設計藍本，同時(shí)吸取了NetBurst架構奔騰4的一些長(cháng)處而設計出來(lái)的“超級奔騰III-M”。
奔騰M的基本核心架構仍然一如P6架構，那就是由整數運算單元、浮點(diǎn)運算單元、一級緩存和二級緩存組成。吸取了奔騰III由于流水線(xiàn)運算管線(xiàn)過(guò)短而帶來(lái)的主頻提升困難的教訓，奔騰M加長(cháng)了流水線(xiàn)運算管線(xiàn)，從奔騰III的10級增加為12級。這樣做的好處不僅使主頻的提升變得容易了很多，同時(shí)又不會(huì )明顯降低處理器在單個(gè)時(shí)鐘周期的指令執行效率。
奔騰M處理器支持增強型英特爾SpeedStep技術(shù)的改進(jìn)版本。英特爾公司對SpeedStep技術(shù)所做的改進(jìn)包括多電壓和頻率工作點(diǎn)，它們受到操作系統的動(dòng)態(tài)控制。由于在這些多頻率工作點(diǎn)之間的過(guò)渡中包括一個(gè)電壓過(guò)渡，因此電能消耗將會(huì )得到優(yōu)化，降至最低，達到在該頻率下進(jìn)行操作所需要的最小能耗。新版本與目前的增強型英特爾SpeedStep技術(shù)的區別在于多工作頻率和電壓點(diǎn)。目前的版本只有兩個(gè)不同的電壓和頻率組合。多中間組合的優(yōu)勢在于其極為優(yōu)異的性能和能耗比。
高級指令預測是一項嶄新的應用技術(shù)。奔騰M使用多個(gè)多分支預測器，能夠降低系統的整體執行時(shí)間，利用更低功率實(shí)現更優(yōu)異的性能。
奔騰M身上所采用的IMVP4是一種電壓定位技術(shù)。它與早期版本有所不同，能夠實(shí)現更精細的間隔尺寸，支持改進(jìn)了的增強型英特爾SpeedStep技術(shù)的中間工作點(diǎn)。而且它完全由中央處理器支持，不需要芯片組支持。IMVP4已為支持改進(jìn)增強型SpeedStep技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。它的電壓過(guò)渡分辨率更高，使奔騰M處理器睡眠或更深睡眠時(shí)電壓更低。它還實(shí)現改進(jìn)的增強型英特爾SpeedStep技術(shù)的中間工作點(diǎn)之間的過(guò)渡。
Banias奔騰M的二級緩存容量從Tualatin奔騰III-M的512KB提升為1MB。奔騰M緩存的設計包括更低的靜止消耗能量，它降低了處理器整體能耗。另外在奔騰M處理器里加入了PSI（功率狀態(tài)指示器），它是奔騰M處理器上的一個(gè)管腳，在芯片組與奔騰M處理器核心之間起到溝通作用，自動(dòng)地向中央處理器電壓調節控制器發(fā)出信號，從而改變電壓調節狀態(tài)。
Banias奔騰M的晶體管數量為7700萬(wàn)個(gè)。作為多媒體擴展功能，與奔騰4一樣支持單一指令多數據流擴展指令集SSE2。Banias奔騰M處理器采用與奔騰4-M相同的400MHz前端系統總線(xiàn)設計思路，數據傳輸帶寬為3.2GB/s。
Dothan核心的奔騰M是對Banias奔騰M的改進(jìn)和升級。Dothan奔騰M的核心技術(shù)架構類(lèi)同于Banias奔騰M，但由于集成了更大容量的二級緩存，因此核心集成的晶體管數量差不多是Banias奔騰M的2倍，達到了1.4億。改進(jìn)之處在于：Dothan奔騰M采用90納米工藝制造，并且首次采用應變硅；Dothan奔騰M的二級緩存容量增加到2MB；Dothan奔騰M的外頻為100MHz/133MHz，對應的前端系統總線(xiàn)頻率分別為400MHz/533MHz；Dothan奔騰M改進(jìn)了寄存器訪(fǎng)問(wèn)管理器以及數據預測功能。我們都知道，IA-32架構遺留下來(lái)的問(wèn)題是大多數32位處理器的寄存器都可以分成4個(gè)8位寄存器或者2個(gè)16位寄存器，而增強型寄存器訪(fǎng)問(wèn)管理器的作用就是在這些模式轉換時(shí)提供更低的消耗。而增強型數據預測功能則在數據讀取到二級緩存過(guò)程中提供更好的命中率，如果處理器可以較少的重復從內存中讀取數據到緩存，則同樣可以降低處理器功耗。
正傳：酷睿微處理器的今生
在今年3月初問(wèn)世的酷睿處理器，是英特爾處理器發(fā)展史上的一次轉折。英特爾并沒(méi)有使用延續了14年之久的奔騰來(lái)命名這款被英特爾寄予厚望的產(chǎn)品，而是重新為它起了一個(gè)響亮的名字：酷睿。但若是有人認為酷睿是一個(gè)全新微架構的話(huà)，那就大錯特錯了。盡管英特爾給酷睿所采用的技術(shù)架構命名為“Core微架構”，但是酷睿處理器依然是P6家族的一員，和其先祖奔騰Pro有著(zhù)一樣的血脈傳承關(guān)系?？犷５陌l(fā)布意味著(zhù)古老的P6架構重獲新生，奔騰4所采用的NetBurst微架構將全面隱退，此前依靠奔騰III-M和奔騰M的存在，僅在移動(dòng)計算領(lǐng)域保有一席之地的P6微架構全面復興。這是因為酷睿處理器的市場(chǎng)地位就是占據從高端服務(wù)器到主流桌面/移動(dòng)應用領(lǐng)域的全部空間。盡管第一代酷睿僅僅出現在移動(dòng)計算領(lǐng)域，但它的問(wèn)世只是為酷睿2的發(fā)布進(jìn)行的預熱而已。
酷睿和酷睿2的技術(shù)架構基本一致。二者擁有相同的解碼流程，相同的簡(jiǎn)單解碼單元與復雜解碼單元相配合的設計；同樣都采用亂序執行的流程，仍然沿用一級指令緩存與一級數據緩存分離的設計，沿用共享式二級緩存的設計，拋開(kāi)解碼單元與執行單元的數量、內部總線(xiàn)的寬度以及各個(gè)緩沖區的容量這些數值上的差異，二者在架構上的設計幾乎是完全一樣，酷睿2只是對酷睿進(jìn)行了局部的改進(jìn)而已，所以接下來(lái)會(huì )將二者一起介紹。
除了完全承襲了奔騰M的微指令融合技術(shù)以外，酷睿還具備超強的四組指令編譯器，這也正是酷睿的最大特色。采用四組指令編譯器，酷?？稍趩我活l率周期內編譯四個(gè)x86指令。四組指令編譯器的設計思路還是承襲P6架構的傳統，由三組簡(jiǎn)單編譯器（Simple Decoder）與一組復雜編譯器（Complex Decoder）組成。
酷睿處理器的另一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)就是數據預讀取技術(shù)。這也是早在Tualatin奔騰III身上就出現的新型技術(shù)，可以有效彌補缺乏內存控制器、導致內存存取延遲較長(cháng)的缺憾。數據預讀取技術(shù)可在處理器將數據回存內存的同時(shí)，預測后繼的加載指令是否采用相同的內存地址。如果不是，就可立即執行加載動(dòng)作，無(wú)須等待該回存指令，這可大幅改善亂序執行（Out-Of-Order Execution）核心的效率，并縮短存取內存的延遲。
而增強的“預先加載機制”則可滿(mǎn)足第二項要求。Core微架構每個(gè)核心分別內建一組指令及二組數據預先抓取器，而共享的二級緩存內建兩組、可動(dòng)態(tài)分配至不同核心的數據預先抓取器，可根據應用程序數據的行為，進(jìn)行指令與數據的預先抓取動(dòng)作，讓所需要的內存地址數據，盡量存放在緩存中，減少讀取內存的次數。
酷睿的電源管理機制基本上改良自圖拉丁奔騰III-M與奔騰M的設計，即處理器內各功能單元并非隨時(shí)保持啟動(dòng)狀態(tài)，而是根據預測機制，僅啟動(dòng)需要的功能單元。不過(guò)在酷睿上新采用的分離式總線(xiàn)（Split Buses）、數字熱感應器（Digital Thermal Sensor）以及平臺環(huán)境控制接口（Platform Environment Control Interface）等技術(shù)的實(shí)際效果，要比以往模糊的省電效果實(shí)在得多。
溫控方面，英特爾在酷睿處理器中最容易發(fā)熱的位置放置了數字熱量傳感器（Digital Thermal Sensor），通過(guò)專(zhuān)門(mén)的控制電路，監控處理器的發(fā)熱量以及運作模式，然后動(dòng)態(tài)調整系統電壓、系統風(fēng)扇轉速。
酷睿處理器是首個(gè)采用共享式二級緩存設計的雙核處理器，酷睿2繼承了這個(gè)極富創(chuàng )新性的設計，2個(gè)核心共享4MB或2MB的256位二級緩存?？犷群瞬捎?4級流水線(xiàn)運算管線(xiàn)設計方式，略長(cháng)于奔騰M的12級?？犷Ｌ幚砥鞯拿總€(gè)核心都內建32KB/256位一級指令緩存與32KB 256位一級數據緩存，而且2個(gè)核心的一級數據緩存之間可以直接傳輸數據。每個(gè)核心內建的4組指令解碼單元支持微指令融合與宏指令融合技術(shù)，每個(gè)時(shí)鐘周期最多可以解碼5條X86指令，并擁有改進(jìn)的分支預測功能?？犷５拿總€(gè)核心內建5個(gè)執行單元，執行資源龐大。
英特爾初期發(fā)布的移動(dòng)版酷睿2處理器即Merom，其前端總線(xiàn)均為667MHz，這是為了遷就Napa平臺而做出的權宜之計。今后出現的Santa Rosa平臺上的移動(dòng)版酷睿處理器，前端總線(xiàn)會(huì )提升至800MHz。Merom的二級緩存則加大為4MB（低端的T5000系列仍為2MB），意味著(zhù)緩存中可以寄存更多等待處理數據，減少處理器與內存以及外圍設備間數據傳輸的瓶頸，提高指令的命中率，大大提高執行效能。
總體來(lái)看，酷睿處理器擁有雙核心、64bit指令集、四組指令編譯器結構和亂序執行機制等技術(shù)，使用65nm制造工藝生產(chǎn)，由于加入EM64T指令集的支持所以能夠支持36bit的物理尋址和48bit的虛擬內存尋址，支持包括SSE4在內英特爾所有擴展指令集。Core微架構的每個(gè)內核擁有32KB的一級指令緩存、32KB的雙端口一級數據緩存，2個(gè)內核共同擁有4MB或2MB的共享式二級緩存。
酷睿既然是基于P6架構，因此也有P6架構的缺點(diǎn)，比如說(shuō)工作主頻無(wú)法像奔騰4那樣狂飆。P6家族處理器的工作主頻提升，很大程度都是依賴(lài)制造工藝的改進(jìn)，而不是加長(cháng)運算管線(xiàn)。在45nm工藝采用之前，酷睿的核心頻率很難超過(guò)3GHz。
總之，酷睿的發(fā)布，P6微架構的回歸對業(yè)界影響深遠，因為它代表著(zhù)這樣一種思路：即在降低能耗的前提下，追求最大化的性能，而并非過(guò)去的“唯主頻論”。
自從酷睿2處理器問(wèn)世以后，英特爾的微處理器市場(chǎng)藍圖經(jīng)歷了一次翻天覆地的變化。和酷睿處理器專(zhuān)注于移動(dòng)計算領(lǐng)域不同的是，酷睿2是全方位出擊，產(chǎn)品線(xiàn)擴大到服務(wù)器和桌面計算領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域占據主流位置的NetBurst架構微處理器將停產(chǎn)并逐步退出，最終讓位給酷睿2處理器。
不過(guò)就目前而言，筆記本平臺的奔騰M和酷睿的存在都為酷睿2的普及造成了一定的影響。同樣基于P6微架構，奔騰M的性能雖然無(wú)法和酷睿2抗衡，但基于這一平臺的筆記本產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)跌到了低谷，加之筆記本從來(lái)都不是以性能為最大賣(mài)點(diǎn)的產(chǎn)品，所以還是有很多用戶(hù)會(huì )考慮基于奔騰M的筆記本；而且目前的酷睿2處理器都是過(guò)渡產(chǎn)品，如前所述，它是為了遷就現有的平臺，前端總線(xiàn)只能設計到667MHz，相比酷睿并不占優(yōu)勢，在性能上也未能比酷睿有明顯提升，加之英特爾對舊產(chǎn)品的降價(jià)策略，可以想象酷睿/酷睿2還將并存一段時(shí)間，直到采用800MHz前端總線(xiàn)的酷睿2問(wèn)世為止。相比AMD，英特爾在移動(dòng)計算平臺本來(lái)就具有壓倒性的優(yōu)勢，這一優(yōu)勢自從迅馳移動(dòng)計算技術(shù)問(wèn)世以來(lái)就一直沒(méi)有變過(guò)，現在再加上對奔騰M有了歷史性突破的酷睿平臺，AMD的處境更加艱難。即使AMD有更好更強的產(chǎn)品發(fā)布，也無(wú)力在短期內扭轉在移動(dòng)計算平臺的不利地位。
從大趨勢來(lái)看，酷睿2的技術(shù)特性在一定程度上代表了未來(lái)筆記本的主流發(fā)展方向，這一點(diǎn)是毋庸置疑的。
酷睿和酷睿2處理器一脈相承，有著(zhù)密切的血緣關(guān)系。但是二者之間也有一些區別，列舉如下：
▲第一，酷睿2的流水線(xiàn)運算管線(xiàn)是14級，酷睿的流水線(xiàn)運算管線(xiàn)是13級。增加流水線(xiàn)運算管線(xiàn)的長(cháng)度對提升處理器工作頻率有一定作用；
▲第二，二級緩存的訪(fǎng)問(wèn)入口，酷睿2已經(jīng)從酷睿的8路提升到16路；
▲第三，在解碼器方面，酷睿2比酷睿增加一個(gè)Simple解碼器，使得解碼效率進(jìn)一步提高；
▲第四，指令集方面，酷睿2添加了SSE4指令集以增加執行效率；
▲第五，執行單元方面，酷睿2比酷睿多出一個(gè)FPU和一個(gè)IEU（ALU），在一個(gè)時(shí)鐘周期；
▲第六，酷睿2可以向執行單元傳輸3個(gè)微指令集，而酷睿只能傳輸2個(gè)；
▲第七，酷睿2的傳輸通道從酷睿的64位升至128位，執行一個(gè)SSE3指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。
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