多方位多角度 帶您重新詮釋多核技術

在X86領域，英特爾和AMD在今后兩年內還是會基于傳統的多核心方案繼續發展，其中，英特爾在下半年帶來的Merom架構以高效率見長，但它非常缺乏擴展的空間;而AMD公司在未來兩年內更多是對現有的AMD64架構進行改良。

在過去數十年歷史中，微處理器業界一直為提高芯片的運算性能而努力，得益于IC設計和半導體制造技術的交互拉動，微處理器的運算性能始終保持高速度提升狀態，芯片的集成度、工作頻率、執行效率也在這個過程中不斷提升，計算機工業由此改變。在大家熟知的X86領域，處理器的技術進步更是對世界產生重大的影響，作為PC機的核心，X86處理器事實上擔任起信息技術引擎的作用。

伴隨著X86處理器的性能提升，PC機可以完成越來越多的任務:從最初的Basic到功能完善的DOS系統，再到圖形化的Windows 95，從平面二維到3D環境渲染，從一個無聲的純視覺界面進入到視覺、音頻結合的多媒體應用，計算機實現彼此相互聯網，龐大的Internet日漸完善，電子商務應用從概念到全球流行;

與硬件技術高速發展相對應，PC應用也朝向前所未有的深度和廣度拓展:視頻媒體轉向HDTV高清晰格式，3D渲染朝向電影畫質進發，操作系統的人機界面也從2D的GUI進入到三維時代，高速互聯網接入和無線技術方興未艾，應用軟件越來越智能化，所有這些應用都要求有高性能的處理器作為基礎。而除了應用驅動外，激烈的市場競爭也成為微處理器業界競相研發新技術、提高產品性能的主要推動力。

在2006年，我們將看到具有卓越能源效率的英特爾Merom架構出臺，AMD則以雙通道DDR2-800支持與之抗衡，同時雙核心產品成為桌面和移動芯片的新標準，X86處理器進入到性能躍升階段。

毋庸置疑，X86處理器已然成為計算機工業的主導力量，在高端服務器和嵌入領域廣泛使用的RISC處理器反而少被提起。事實上，RISC處理器一直都以遠超X86產品的卓越性能和銳意進取的技術創新著稱，幾乎所有先進的設計技術都是首先出現在RISC領域，之后才被X86產品所借鑒。而換一個角度來看，RISC處理器領域的每一次技術創新又反過來對X86產品產生重大影響，因此，了解當前RISC領域的尖端技術便意味著能夠明晰X86處理器的未來走向。

今天，微處理器全面轉向多核心體系，無論RISC芯片還是X86芯片皆是如此，不過我們在本文中所要介紹的并不是人們熟知的雙核心 Pentium D或者Athlon64 X2，而是當前多核微處理器領域的最新技術成果以及面向未來的新穎概念，它們包括RISC領域的黑馬、P.A.Semi公司的PWRficient雙核處理器，SUN公司推出的 UltraSPARC T1八核心處理器，英特爾公司Many Core計劃的實質以及AMD正在考慮的HyperTransport協處理器架構。

在這同時，我們也將向大家介紹各微處理器廠商對未來技術發展的不同理解，以及軟件業如何應對為多核平臺編程的巨大挑戰。

高度整合的架構

P.A.Semi公司的PWRficient處理器在去年微處理器論壇(MPF2005)上正式揭曉。對于P.A.Semi這個名字，相信所有人都感到陌生，這家專門從事RISC處理器設計的技術型企業成立于2003年，創始者都是微處理器業界的頂尖人物。其CEO曾負責Alpha服務器芯片和 StrongARM手持機芯片的開發;負責技術的副總裁科勒也曾從事Alpha芯片的開發，后來進入AMD公司幫助定義了Opteron芯片的架構;另一負責架構的副總裁皮特同樣曾為Alpha架構服務，在DEC公司發生的數次并購中先后進入康柏、惠普和英特爾。

在MPF2005論壇上，P.A.Semi公司對外公布其設計的雙核心PWRficient處理器，高度整合的設計令外界耳目一新，并兼具低功耗和高性能兩大特性。該公司同時表示，PWRficient彈性的架構可被方便擴展到八核心或用于超級計算機系統，在高端服務器領域頗具競爭力。

在設計PWRficient之時，P.A.Semi面臨的第一個問題就是指令系統的選擇，X86無疑更加流行、市場更廣闊，但該領域被英特爾、 AMD把持，機會有限，加上X86指令系統復雜低效，與PWRficient的高端定位相悖。P.A.Semi最終選擇了IBM的Power架構，這樣 PWRficient處理器便成為IBM Power大家族中的一個新成員。

但除此之外，PWRficient與IBM的Power芯片并沒有太多的共同點，它擁有一套極富彈性的架構、高度整合以及低功耗特性。 PWRficient主要定位在刀片服務器和低運營成本的服務器集群，P.A.Semi公司將英特爾的Sossaman Xeon處理器(Yonah架構)作為主要的競爭對手。

我們先來看看PWRficient的系統架構，如圖1，我們可以看到，PWRficient與通常的處理器邏輯非常不同，除了CPU內核和二級緩存外，它還包括一個名為ENVIO的智能型I/O子系統。換句話說，PWRficient上包含CPU和ENVIO I/O子系統等兩大邏輯，兩者通過一個名為CONEXIUM Interchage的高速交換總線聯結為一個有機系統。CPU部分為兩個代號為PA6T的64位Power CPU內核，運行頻率為2GHz。

與其他雙核芯片不同的是，PWRficient的每一個 PA6T內核都擁有自己的DDR2內存控制器，但兩者是以相互獨立的模式而非組成共享的雙通道。此種設計的好處在于每個CPU內核都能擁有屬于自己的內存資源，最大限度降低內存搶占的幾率。每個CPU內核都可支持64位或32位模式運作，具有諸如超標量、亂序執行、三發射等技術特性。另外，PA6T內核也都直接整合了硬件級的虛擬技術支持，可以在多套系統同時運行時仍保持出色的性能。

PA6T內核整合了64KB指令緩存和64KB數據緩存，而兩個PA6T核心再共同分享2MB容量的二級緩存。PWRficient并沒有采用類似Xeon的大緩存方案，原因就在于它的每個核心都有自己的內存，出現內存搶占的幾率遠低于共享總線的落后設計。

兩個PA6T核心、2MB二級緩存和兩個DDR2內存控制器都是通過CONEXIUM Interchage交換總線聯結為一體，如果未來有需要，也可以在這條交換總線上聯結四個內核甚至八個內核。但CONEXIUM的功能不僅于此，PWRficient處理器中的ENVOI I/O子系統也是通過這套總線與CPU邏輯直接通訊。與我們通常所見的固定模式不同，ENVOI相當靈活且富有彈性，它直接整合了八個PCI Express控制器(每個控制器提供4GBps帶寬)、兩個10GbE網絡控制器(萬兆以太網)和四個GbE(千兆以太網)控制器，這三部分I/O邏輯共享24對串行傳輸線路。

設備制造商可根據自身情況對這24對串行線路進行靈活配置，例如在NAS網絡存儲系統中，可以讓連接磁盤系統的PCI Express傳輸獲得更多線路資源，如果需要多端口的網絡訪問，那么便可以將線路資源朝向10GbE和GbE系統傾斜。這種高度彈性的架構讓制造商擁有寬松的設計空間，可以根據企業的不同需要定制出最科學的服務器系統。而這種高度整合設計還有一個益處在于:無論是PCI Express系統還是網絡系統，數據傳輸時的總線延遲都極短，進而獲得卓越的數據傳輸效能。