Intel原子核：令I(lǐng)ntel脫胎換骨的設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期以來(lái),，Intel對(duì)于功耗/性能比遵循這樣一個(gè)定律：一項(xiàng)提升CPU性能1%的設(shè)計(jì),，其帶來(lái)的功耗增長(zhǎng)不能超過(guò)2%，否則就必須放棄,。但不幸的是,，這樣一個(gè)定律最終將Intel帶進(jìn)了NetBurst架構(gòu)的死胡同，高耗低能的奔騰4和其衍生家族就因此而誕生,。

到了現(xiàn)在的“原子核”,，Intel重新修改了定律，新的定律規(guī)定每提升CPU性能1%,，其功耗提升不能超過(guò)1%,。這個(gè)規(guī)定對(duì)比“笨死”時(shí)代的定律稱(chēng)得上是一次革命性的改革，這個(gè)新定律也將被用于Intel新架構(gòu)（比如Nehalem）的設(shè)計(jì)指導(dǎo),，而Atom則是首個(gè)使用的產(chǎn)品,。

雖然Atom一開(kāi)始是按照單指令發(fā)射跟順序執(zhí)行的簡(jiǎn)單架構(gòu)設(shè)計(jì)，但很快奧斯丁團(tuán)隊(duì)就將其升級(jí)為雙指令并發(fā),，可惜仍然保持順序執(zhí)行部分,。

現(xiàn)在的x86處理器都支持指令的亂序執(zhí)行，這個(gè)機(jī)制就好比你需要系鞋帶跟關(guān)掉電視,，這時(shí)你可以選擇先系好鞋帶再去關(guān)掉電視,，因?yàn)檫@么做會(huì)比較順手。CPU的亂序執(zhí)行也是同個(gè)道理，CPU可以先處理掉手頭可用的指令而無(wú)需按順序等待尚未送往緩存里的數(shù)據(jù),，從而節(jié)省時(shí)間提高效率。但亂序執(zhí)行的一大弊端就是指令的重新排序電路需要占用額外的管芯面積以及增加能耗,。當(dāng)然亂序執(zhí)行可以有效提升性能但我們要知道這次Intel的目的可不是性能第一,，只需要“夠用”就好，因此Atom只需順序執(zhí)行即可,，Atom是Intel自奔騰1之后的又一款順序執(zhí)行架構(gòu)CPU,。

順序執(zhí)行架構(gòu)雖然造成性能下降但卻節(jié)省了大量的能耗跟復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，而如果用亂序執(zhí)行的話,，性能是上去了,，但是相應(yīng)的能耗跟晶體管負(fù)擔(dān)是45nm制程下的Atom所無(wú)法承受的。要知道Intel也是在奔騰pro之后才讓亂序執(zhí)行成為了可能,，或許以后更小的制造工藝能讓Atom集成亂序執(zhí)行引擎,，但我認(rèn)為未來(lái)5年內(nèi)是不大可能的。

雙指令并發(fā)與順序執(zhí)行

奧斯丁小組先是采納了單指令發(fā)送+順序執(zhí)行的核心設(shè)計(jì),，后來(lái)又將其升級(jí)為超標(biāo)量雙指令并發(fā),，也就是說(shuō)同時(shí)可以發(fā)送兩條指令至流水線。相比之下,，目前大部分臺(tái)式x86 CPU可以同時(shí)發(fā)送3～4條指令,。

為了保證Atom的雙發(fā)指令發(fā)送器充盈，Intel為其配備了兩個(gè)解碼器,。這些解碼器從一級(jí)緩存中拾取運(yùn)算指令,，通過(guò)解讀指令包含的1跟0排序來(lái)翻譯指令給CPU的命令。雖然每個(gè)解碼器的能力都是一樣的,，但是每條指令均有兩條編譯路徑可選：一快一慢,。

早期的x86 ISA（指令集架構(gòu)）在對(duì)不同長(zhǎng)度的指令支持方面陷入困境。小熊在線www.

比方說(shuō)我事先告訴你每十秒會(huì)給你一個(gè)橘子要比每十秒給你1～3個(gè)橘子要簡(jiǎn)單,，前種情況就好比固定長(zhǎng)度指令集,，而后者就像是不定長(zhǎng)度指令集，很不幸x86 ISA經(jīng)常需要面對(duì)后者,。

Atom的慢速解碼通道并不具備任何猜測(cè)解碼能力,，每條指令都需要被手動(dòng)排序，也就是說(shuō)指令的每個(gè)bit都需要耗時(shí)去仔細(xì)查看,，不過(guò)這樣做能夠保證解碼過(guò)程的正確性,。每一條被檢測(cè)過(guò)的指令還會(huì)被打上標(biāo)簽，這樣下次需要編譯的時(shí)候就可以直接被送往較快的快速通道里,。

快速解碼通道明顯帶有猜測(cè)解碼功能,，再加上前面緩慢通道的“標(biāo)簽”功能協(xié)助，快速通道每個(gè)時(shí)鐘可以發(fā)送兩條指令,，而慢速通道每三個(gè)時(shí)鐘才能發(fā)送一條,。

Intel從Banias（奔騰M）身上看到猜測(cè)運(yùn)算機(jī)制所帶來(lái)的額外能耗不是電池供電的設(shè)備所能夠承受的,，因此權(quán)衡利弊，Atom將對(duì)猜測(cè)運(yùn)算方面做諸多妥協(xié),。

指令也瘋狂：安全指令識(shí)別

順序執(zhí)行架構(gòu)最怕遇到的情況就是執(zhí)行一條高延遲的指令時(shí)所需要的數(shù)據(jù)遲遲未被送到緩存中來(lái),。由于順序執(zhí)行CPU必須按順序執(zhí)行指令，所以一旦當(dāng)前需要被執(zhí)行的指令所需要的數(shù)據(jù)無(wú)法在內(nèi)存中獲取到的時(shí)候,，執(zhí)行單元就必須一直處于空閑等待的狀態(tài)中,，有時(shí)需要耗費(fèi)上百個(gè)時(shí)鐘才能從內(nèi)存中獲取到數(shù)據(jù)，這不僅大大降低性能,，更糟的是整個(gè)空閑等待的過(guò)程都需要消耗電力,，這種結(jié)果完全違背了我們?cè)O(shè)計(jì)低能耗CPU的初衷。

亂序執(zhí)行處理器就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的指令執(zhí)行排序機(jī)制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,。排序器只需挑出下一個(gè)已經(jīng)準(zhǔn)備好被執(zhí)行的指令,，然后對(duì)于那些可單獨(dú)執(zhí)行的指令則先放一邊等待從主內(nèi)存中獲取到數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行。我們前面已經(jīng)證實(shí)完全的亂序執(zhí)行架構(gòu)的能耗超過(guò)Atom的極限,，而完全依賴(lài)于順序執(zhí)行的結(jié)果同樣不可取,。最后奧斯丁團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)明智的折中方案。

Austin小組采用的折中方案是一種叫做“安全指令識(shí)別（Safe Instruction Recognition,，簡(jiǎn)稱(chēng)SIR）”的算法,，該算法的工作機(jī)制如下：當(dāng)Atom需要執(zhí)行一條高延遲的浮點(diǎn)運(yùn)算，而后面有跟著一條短延遲整數(shù)操作時(shí),，順序執(zhí)行機(jī)制需要等浮點(diǎn)操作完成之后才能去執(zhí)行后面的整數(shù)操作,；但是采用SIR就可以先查看兩條指令所需的數(shù)據(jù)是否有關(guān)聯(lián)（比如前面是C=A+B，后面是D=C+F），如果沒(méi)有關(guān)聯(lián)SIR就允許將后面的整數(shù)操作提前執(zhí)行，從而節(jié)省時(shí)間提高效率,。

SIR只在這種特殊情況下有效，它給Atom的順序執(zhí)行架構(gòu)帶來(lái)幾分亂序執(zhí)行的能力,，所以嚴(yán)格來(lái)看Atom可以被稱(chēng)為“半亂序執(zhí)行”架構(gòu)。預(yù)計(jì)未來(lái)Atom在指令執(zhí)行方面也將愈來(lái)愈靈活,。

CISC歸來(lái)：宏操作執(zhí)行

奔騰Pro是Intel首款RISC核心,，它的誕生結(jié)束了上世紀(jì)九十年代那場(chǎng)RISC vs CISC之爭(zhēng)。對(duì)于程序員來(lái)說(shuō),，奔騰Pro仍然是一顆x86 CISC CPU,，但它在接收到x86指令之后就可以將其編譯成多個(gè)小的微操作（micro-ops），以供更快更高效的RISC核心運(yùn)行,。

奔騰Pro保持了向后兼容過(guò)去Intel x86 CPU的能力,，這樣不單能夠靠高性能的RISC核心提升性能，而且一些CISC架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)也能得以保存。事實(shí)證明部分x86指令不宜被打散成多個(gè)小的微操作,，因?yàn)閭€(gè)別操作間會(huì)有沖突,。因此從奔騰M開(kāi)始，Intel加某些特定的微操作融合在一起,，以便讓流水線更好地處理,，從而起到節(jié)能高效的目的。Intel稱(chēng)這種特性為“微操作融合（micro-op fusion）”,。這種將兩個(gè)微操作合二為一送往流水線的做法可以有效提高CPU的“帶寬”，提高指令的吞吐量,。不過(guò)其內(nèi)核仍然是一顆高效的RISC核心,，只是擁有更多特定情況下的加速特性。小熊在線www.

Atom則更進(jìn)一步,，內(nèi)核在處理x86指令時(shí)無(wú)需將其打散為多個(gè)微操作,，這是由于Atom不能亂序執(zhí)行，缺乏優(yōu)化排序的大量微操作反而會(huì)降低性能,。再者保持指令的完整性可以減少吞吐量,，這樣就好比增加了Atom的“帶寬”。對(duì)于load-op-store 和 load-op-execution這類(lèi)格式的指令,，Atom的解碼器都將其視為一個(gè)單一的微操作,。換句話說(shuō)，現(xiàn)在一條讀取,、運(yùn)算以及儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果的指令將被視為一個(gè)單一的微操作,，而不用被分割成3部分。這樣做的好處就是被送往流水線處理的微操作只有一個(gè)而不是三個(gè),，從另一個(gè)角度看就是節(jié)省了帶寬,。所以Atom雖然只是一個(gè)雙指令并發(fā)架構(gòu)，但是在某些情況下的指令吞吐量卻不比某些臺(tái)式CPU差,。

過(guò)于Intel在將x86指令分割為更小,、RISC類(lèi)操作上大費(fèi)周章，以求能夠設(shè)計(jì)出性能更高的核心來(lái)應(yīng)付大量被分割出來(lái)的微操作,。諷刺的是在如今越來(lái)越注重性能/功耗比的今天,，Intel必須回到原地反過(guò)來(lái)去保護(hù)x86指令的完整性。

超線程回歸

雖然Atom支持雙指令并發(fā),，但是由于同一線程內(nèi)的兩條指令所占用的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立,，因此要同時(shí)執(zhí)行兩條指令絕非易事。為了解決這個(gè)難題,，Intel為Atom核心引入SMT（Simultaneous Multi-Threading,，并發(fā)多線程技術(shù)），讓核心同時(shí)具備雙線程的執(zhí)行度。當(dāng)年P(guān)4上的超線程技術(shù)（Hyper-Threading）實(shí)際上就是SMT中的一種,，所以此舉可以看成是超線程的回歸,。還記得我們前面提到的那條性能/功耗比黃金定律嗎？Intel讓Atom支持SMT就是遵循該定律的最好例證,。SMT為Atom帶來(lái)30～50%的性能提升,，但功耗只增加了20%！

Atom具備32路的指令調(diào)度排列,，在開(kāi)啟SMT之后,，每線程又具備16路排列。排序器無(wú)需每個(gè)時(shí)鐘都在各線程間做跳轉(zhuǎn),，而是根據(jù)需要智能完成,，唯一的限制就是每時(shí)鐘只能分配兩個(gè)操作。所以如果當(dāng)前線程的指令需要等待數(shù)據(jù)被送到才能繼續(xù)執(zhí)行,，下一個(gè)時(shí)鐘排序器就可以從另一個(gè)線程里挑選一個(gè)操作工核心處理,，這樣就不會(huì)形成空等狀態(tài)，順序執(zhí)行架構(gòu)的缺陷讓SMT成為保證Atom流水線隨時(shí)保持充盈狀態(tài)的保障,。

執(zhí)行單元

Atom并不是一款超寬處理器,，順序執(zhí)行的前端跟缺乏內(nèi)置內(nèi)存控制器決定了其有限的指令吞吐能力，再加上數(shù)據(jù)間的相互關(guān)聯(lián)性致使大量的執(zhí)行單元只能是閑著空等,，因此Atom的設(shè)計(jì)師們?cè)趫?zhí)行單元的設(shè)計(jì)上只求達(dá)標(biāo)就好,。

Atom沒(méi)有專(zhuān)用的整數(shù)乘法器或除法器，這些運(yùn)算都由SIMD浮點(diǎn)單元來(lái)完成,。Atom核心裝配有兩個(gè)SSE單元,，其排序器的兩個(gè)口可以在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)各發(fā)送一個(gè)浮點(diǎn)或整數(shù)SIMD操作。除了支持全精度整數(shù)SIMD和單精度FP ADD外,，所有單元均為64bit寬,。

用長(zhǎng)流水線捍衛(wèi)能耗？

Atom具備16級(jí)流水線,，其分支預(yù)測(cè)失誤的懲罰為13級(jí),。注重低功耗的Atom，流水線居然比酷睿2的14級(jí)還要長(zhǎng),，這的確讓人吃驚,。

更長(zhǎng)的流水線通常意味著更高的功耗，特別是有臭名昭著的功耗王“笨死”做為前車(chē)之鑒,。但這次Intel給了我們下面三個(gè)采用長(zhǎng)流水線的理由：

1. 緩存
2. 解碼器
3. SMT

對(duì)于奧斯丁小組來(lái)說(shuō),，只要能夠降低功耗，即使是用高延遲去換取功耗他們也同樣樂(lè)意,。為了盡量降低能耗,，Atom只在緩存控制器對(duì)cache命中率有把握的時(shí)候才去訪問(wèn)緩存,，但這樣一來(lái)每次訪問(wèn)就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間的延遲；為了讓時(shí)鐘頻率足夠高,，就必須加深緩存訪問(wèn)的流水線,，另外Atom采用物理地址標(biāo)記代替虛擬地址標(biāo)記，因?yàn)楹笳叩哪芎奶摺?

再者,，Atom在解碼流水線同樣用延遲換取低功耗,，還記得我們前面介紹的解碼器一慢一快兩個(gè)通道嗎？較慢的通道延遲高但能保證指令被正確編譯,，增加的延遲迫使Atom的在解碼時(shí)需要三級(jí)流水線而不是兩級(jí),。最后，SMT所采用的一些算法也使流水線長(zhǎng)度增加了一兩級(jí),，所有這些加起來(lái)就使得原本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的核心卻具備如此深的流水線,，當(dāng)然這樣的長(zhǎng)流水線設(shè)計(jì)完全是為了降低功耗以及保證核心能夠跑在足夠高的頻率上（Atom只是一個(gè)雙指令并發(fā)的簡(jiǎn)單核心，它需要高頻率來(lái)保證足夠的性能）,，根本不是NetBurst的失敗設(shè)計(jì)所能夠相提并論的。

不協(xié)調(diào)的一級(jí)緩存

由于順序執(zhí)行架構(gòu)的性能對(duì)內(nèi)存的高延遲非常敏感,，因此Atom配備有大容量的一級(jí)緩存,。有趣的是，Atom的一級(jí)緩存采用非對(duì)稱(chēng)的搭配方式,，其指令緩存為32KB,，而數(shù)據(jù)緩存只有24KB。之所以采用這種獨(dú)特的非對(duì)稱(chēng)搭配是從性能優(yōu)化,、管芯面積和成本等方面來(lái)考慮的,。Atom的二級(jí)緩存則跟Core架構(gòu)相似，采用8路512KB設(shè)計(jì),。

Atom（或者說(shuō)Silverthorne）采用Intel的45nm high-K金屬棚極工藝制造,，但有一點(diǎn)不同的是：Silverthrone的SRAM cell大小為0.382 um^2(平方微米)，晶體管數(shù)量為8個(gè),；而Core 2為0.346 um^2,，晶體管數(shù)量只有6個(gè)。較大面積的SRAM cell耗電量跟所需運(yùn)行電壓都較低,。小熊在線www.

Atom還配備有兩個(gè)硬件級(jí)的預(yù)取器,，一個(gè)用于將L2中預(yù)取數(shù)據(jù)到L1，另一個(gè)則是從內(nèi)存預(yù)取數(shù)據(jù)到L2,。我們前面已經(jīng)反復(fù)強(qiáng)調(diào)過(guò),，如果當(dāng)前操作所需的數(shù)據(jù)不在緩存中，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)流水線停工,，所以硬件預(yù)取單元對(duì)于順序執(zhí)行的架構(gòu)極為重要,。當(dāng)然要想“治本”的話還需要將內(nèi)存控制器集成到核心內(nèi),，Intel有望在第二代的Atom（代號(hào)Moorestown）內(nèi)核集成內(nèi)存控制器。

Sea-of-FUBs設(shè)計(jì)

將一個(gè)核心分割成9個(gè)塊區(qū)然后分別由不同的設(shè)計(jì)小組負(fù)責(zé)是Intel設(shè)計(jì)CPU的慣用手法,，比如一個(gè)小組負(fù)責(zé)L2設(shè)計(jì),、一個(gè)小組負(fù)責(zé)IO介面等等。不過(guò)這次負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)Atom
的奧斯丁團(tuán)隊(duì)實(shí)際上是一個(gè)規(guī)模很小的設(shè)計(jì)小組,，因此設(shè)計(jì)流程有所不同,。他們采用一種叫做Sea-of-FUBs的核心構(gòu)造法，這種方法比上面提到的“分塊”更加細(xì)分,，所謂FUB就是功能單元塊（Functional Unit Block）,，像加法器、解碼器,、緩存都屬于FUB,，各FUB的設(shè)計(jì)可以同時(shí)進(jìn)行，提高了研發(fā)效率,。再者,，Sea-of-FUBs隨時(shí)提醒設(shè)計(jì)師們低能耗是首要任務(wù)，其他特性只需“夠用就好”,，核心面積的死預(yù)算迫使設(shè)計(jì)師不能隨心所欲,，如果想要加大某個(gè)FUB的規(guī)模，就必須有另外一個(gè)FUB做犧牲縮小體積,；能耗上也需要遵循這一原則,。

Atom比Intel之前所有的移動(dòng)處理器更加模塊化，實(shí)話說(shuō)我感覺(jué)其組成更像是GPU而不是CPU,。因?yàn)檎麄€(gè)芯片一成使用了custom logic,，其余90%都是使用Intel標(biāo)準(zhǔn)電路，像是二級(jí)緩存,、PLLs,、數(shù)據(jù)I/O、尋址I/O等等,。這樣做的好處是一來(lái)可以降低Atom的營(yíng)銷(xiāo)成本,，二來(lái)是以后想為核心增刪特性比較方便。

雙模式FXB

Atom是通過(guò) quad-pumped FSB進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，這個(gè)與 Intel在其他處理器產(chǎn)品使用的方式是一樣的,，這顯示會(huì)有功耗限制。根據(jù)不同的功耗狀態(tài)以及性能需求,，F(xiàn)SB頻率運(yùn)行于533MHz 或 400MHz,。

Intel的FSB（前端總線Front Side Buses的Gunning Transistor-Logic (GTL)，它能夠提供高達(dá)1600MHz的高速,，是高性能CPU的“最佳伴侶”,，不過(guò)對(duì)于Atom來(lái)說(shuō)則有點(diǎn)大材小用,。盡管如此，Intel仍讓Atom同時(shí)支持GTL 或 CMOS兩種FSB,，在CMOS模式下,，處理器的功耗將會(huì)顯著降低，其所需的電壓只有GTL模式下的一半,。但速度方面都是一樣的,，Intel之所以保留兩種FSB只是為芯片組的兼容性跟功耗著想。

Poulsbo（與Atom配合推出的芯片組）支持CMOS模式,，所以兩者搭配的平臺(tái)可以運(yùn)行在節(jié)能的CMOS FSB模式上,。但并不是說(shuō)Atom只能搭配Poulsbo，Diamondville（面向廉價(jià)臺(tái)式系統(tǒng)跟筆記本系統(tǒng)的Atom）支持GTL,，普通芯片組可以支持,。

雖然第一代的Atom是單核產(chǎn)品，但其架構(gòu)同樣適合多核CPU產(chǎn)品,。預(yù)計(jì)下半年推出的Diamondville就是一款雙核Atom,，它的個(gè)核心將共享一個(gè)FSB，具有內(nèi)置內(nèi)存控制器,，預(yù)計(jì)性能將非常不錯(cuò),。

性能預(yù)覽

下圖是早期Atom與ARM11核心在Webpage Render中的性能對(duì)比：

就Intel提供的數(shù)據(jù)來(lái)看，Atom的性能大概是iPhone ARM 11 CPU性能的2倍左右,，優(yōu)勢(shì)相當(dāng)突出。不過(guò)Intel僅僅只是突出了自己的性能優(yōu)勢(shì),，對(duì)于目前ARM CPU的功耗跟體積優(yōu)勢(shì)則避而不提,。

Intel曾不止一次聲稱(chēng)Atom的性能無(wú)論是在頻率方面還是在執(zhí)行性能方面將可以與第一代Pentium M處理器相比拼。以前我們沒(méi)法驗(yàn)證這種說(shuō)法的真實(shí)性,，不過(guò)今天終于有機(jī)會(huì)一睹其真實(shí)表現(xiàn),。根據(jù)Intel公布的數(shù)據(jù)，1.6G的Atom在SYSMark 2004中的成績(jī)大概比800MHz的奔騰M（90nm Dothan）快20%,，而900MHz的Atom將不敵800MHz的奔騰M,，顯然只具備一個(gè)順序執(zhí)行的簡(jiǎn)單核心，Atom的性能需要高頻率來(lái)彌補(bǔ),。

不過(guò)真正讓人震撼的是Intel接下來(lái)UT2004即時(shí)DEMO演示,！在這個(gè)演示中，Intel用一個(gè)安裝了Vista的平臺(tái)實(shí)際演示了Atom跑UT2004的表現(xiàn),，結(jié)果不僅幀數(shù)順暢,，而且Atom在沒(méi)有散熱器的情況下表面溫度只有35度左右！實(shí)在令人稱(chēng)贊,！可以說(shuō)這個(gè)UT2K4 DEMO真正讓我折服,，老實(shí)說(shuō)在此之前之我個(gè)人對(duì)Atom平臺(tái)還興趣少少～～在這個(gè)散熱器越來(lái)越夸張的年代,，不需輔助散熱的CPU幾乎已經(jīng)絕跡，如今隨之Atom的誕生,，Intel有望讓這種好風(fēng)氣再次復(fù)蘇～～～