主流双核微处理器技术分析及性能对比

主流双核微处理器技术分析及性能对比陈丰李宏量孙瑜杰摘要：台式机CPU技术发展到今天，双核心乃至多核心技术已经取代单纯的高频率大cache，成为处理器生产厂家用来吸引消费者眼球的全新杀手锏．本文对当前主流的台式机双核CPU所采用的技术架构进行全面的分析，力求对双核技术有一个清晰的诠释，并对市场上的双核处理器与传统单核处理器的性能进行对比．双核心处理器到底是怎么回事？其相对于单核心处理器又有什么优势？双核心处理器能带来多大的性能提升呢？多核技术究竟是革命性的创新还是华而不实的噱头，本文将进行探讨．一、引言一直以来，处理器的频率就像夜空中最耀眼的星星，吸引着人们的目光。

在90年代，频率对于处理器来说简直就是性能的唯一标尺，摩尔定律也让处理器每一次频率的攀升得到了人们众多的喝彩。

但是当处理器的频率进入了“G”时代后，频率对于处理器综合性能的影响力开始减弱。

这点从近两年来处理器产品综合性能的比拼中就可以看出来。

例如AMD的低频产品同样可以拥有其标称值性能，Intel用于迅驰平台的低频移动处理器也能够轻松击败其自家的高频产品。

Intel和AMD之所以推出双核心处理器，最重要的原因是原有的普通单核心处理器的频率难于提升，性能没有质的飞跃,频率的攀升非但没能引起人们以往对于处理器频率的高度热情，反而在功耗散热、良品率以及成本的控制上给厂商带来了众多难题。

由于频率难于提升，Intel在发布3.8GHz的产品以后只得宣布停止4GHz的产品计划；而AMD在实际频率超过2GHz以后也无法大幅度提升，3GHz成为了AMD无法逾越的一道坎。

过高的发热量除了为夸张的散热器开拓市场外，并不受到消费者的普遍认可。

处理器的高性能不应该以高功耗作为代价，至少，这样的高性能解决方案“胜之不武”。

但是历史的脚步总是在前进的，技术进步、产品改造一天也不会停息。

正是在这种情况下，为了寻找新的卖点，Intel和AMD都不约而同地祭起了双核心这面大旗。

在高频产品有“吃力不讨好”嫌疑的情况下，双核/多核技术似乎是目前提升处理器性能的另一种解决方案。

在这一点上，AMD与Intel的看法是不谋而合的。

这对在市场上恶斗了多年的老朋友对双核处理器的市场真可谓是“高度重视”，双方对双核产品的发布日期都是一改再改。

老大哥Intel或许真的意识到了“首发”的魅力（想当年AMD首发桌面64位处理器的情景，确是赢得了不少的鲜花与掌声），果断地作出了提前发布其双核产品的决定．２００５年4月18日，INTEL公司举行了双核心处理器发布会．AMD公司也于当月晚些时候发布了其双核心微处理器产品和INTEL公司抗衡争夺市场．本文第二部分介绍PC机处理器发展的简要历史,双核心处理器出现的背景及双核心与HT超线程技术的对比. 第三部分论述双核心技术的细节和架构．第四部分通过对比主流双核处理器和单核处理器性能,阐述双核技术的优势和双核心处理器能带来的性能提升．二、对相关问题及技术的介绍2.1 个人计算机CPU发展简介个人计算机的发展在最近20年几乎是是以令人炫目的高速度进行的．仅仅看离我们最近的一段时间，20世纪末21世纪初的这15年左右，．从1990年开始，电脑的发展可以说是一日千里，尤其是电脑的核心部件----中央处理器在莫尔定律的规则下发展高速，可以说是一个奇迹。

15年前你有没有想过在线播放流媒体，实时的视频交流，绚丽的3D游戏，紧张刺激的电子竞技，同时运行多个大型软件？这在当时几乎是天方夜谭的事情，在如今都变成了现实。

Intel的第一款CPU----4004，大约生产于1971年，集成2300个晶体管，工作电压12v，具有640字节的内存寻址能力。

由于发热量极低，工作时根本不需要散热器从1993年至今，CPU的频率提升了多少？1993年，Pentium 60的主频为60MHz，而现在的Pentium 4 670的主频达到了3800MHz，整整提升了63倍。

内存的容量也是，如今随便找一个入门级的电脑，其内存的容量都要超过当年电脑硬盘的容量。

从CPU到内存，频率升高了，容量变大了，但是整机的性能有多大的提升？给大家举一个例子，1993年的时候，想要把一张CD压缩成MP3格式需要5个小时的时间，而如今只需要5分钟还有什么能说明CPU的发展速度呢？再给大家举一个例子，Intel于1971年生产的4004仅仅集成2300个晶体管，而现在的Pentium Extreme Edition 840集成了2．3亿个晶体管，晶体管的数量整整增长了10万倍。

工作电压也由最一开始的12v一路直线下降到1．2v左右。

2.2单核心处理器的功耗和发热量两大问题自戈登·摩尔在1965年提出每隔18～24个月单位面积的晶体管数量倍增的摩尔定律之后，每一次的处理器研发，都凭借着每两～三年一次的制程提升，得以在一定的晶圆面积下，用更多的晶体管来设计新一代的核心架构，借由新架构以及时钟频率提升效应，来达到更高的性能。

随着频率的不断提升，CPU的发热量也是与日俱增，下图是1993年至今CPU功耗的曲线图，从最易开始的20w不到增加到了如今的130w以上．CPU频率的提升似乎还没有到尽头，目前玩家通过超频等手段获得的的CPU主频世界纪录已经超过了7GHz，不过这是用极其变态的散热方式达到的。

这么看来频率似乎不是制约CPU发展的因素，目前两大CPU生产商要要应对是如何在频率提升的同时控制不断升高的发热量。

Intel为什么临时改变计划，取消4GHz处理器的计划，就是这个原因。

从上图中我们可以看出，2005年一枚Intel P4系列CPU的功率已经达到了130W．130W 是个什么样的概念?假设以现在普通的300W机箱电源为例，也就是说一枚小小的CPU已经占去了整台电脑的2/5多的功耗!而且如此巨大的功耗是消耗在只有指甲盖大小的CPU核心上的，学过简单物理的人都会想到这时产生的热量会有多大．这种情况下高发热问题一直是CPU生产厂家和用户最担心的问题，如果风扇停转，处理器烧毁只需一眨眼的功夫．(网上流传的CPU煎鸡蛋图片)如今频率的提升似乎还看不见瓶颈，不过发热量却是厂商最头疼的问题。

因此，现在越来越多的用户开始关心CPU单位功耗的性能。

就目前来讲，AMD公司在功耗的控制方面做得要超过Intel，而Intel公司在发热及过热保护方面要AMD公司做的更好.但无论对Intel 还是对AMD公司来说,单纯通过提高频率来获得高性能CPU已经不再可能,这就引出了各种新技术,本文所要论述的双核技术便是其中很有代表性的技术之一.2.3超线程技术Hyper Treading Technology简析在双核心处理器出现之前，在服务器市场上已经有使用多处理器方面的应用，但需要特殊的主板支持，实现多路处理器的并行工作，但这种方式对于桌面型平台来说，显然是并不适合的，其成本费用十分高昂。

因此，Intel在桌面型平台中在Pentium 4处理器中引入了Hyper Treading Technology超线程技术。

超线程技术是利用特殊硬件指令，把多线程处理器内部的两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，从而使单个处理器能"享用"线程级的并行计算的处理器技术。

简言之，就是将一个物理CPU模拟成两个逻辑CPU，在操作系统任务管理器的性能选项卡中可以看到两个CPU使用记录。

多线程技术可以在支持多线程的操作系统和软件上，有效的增强处理器在多任务、多线程处理上的处理能力。

超线程技术可以使操作系统或者应用软件的多个线程，同时运行于一个超线程处理器上，其内部的两个逻辑处理器共享一组处理器执行单元，并行完成加、乘、负载等操作，充分利用芯片的各个运算单元。

单线程芯片在某一时刻仅能对一条指令（单个线程）进行处理，因而处理器内部有许多处理单元闲置。

超线程技术可以使处理器在某一时刻，同步并行处理多条指令和数据（多个线程）。

因此，超线程是充分利用CPU内部暂时闲置的处理资源的技术。

当处理器处理多个线程的时候，多线程处理器中的每个逻辑处理器均可单独响应中断，一个逻辑处理器跟踪一个线程时，另一个逻辑处理器也在跟踪和处理另外一个软件线程。

为了避免CPU处理资源冲突，负责处理第二个线程的那个逻辑处理器，其使用的是仅是第一个线程运行时暂时闲置的处理单元。

例如：当一个逻辑处理器在执行浮点运算（使用处理器的浮点运算单元）时，另一个逻辑处理器执行加法运算（使用处理器的整数运算单元）。

这样就大大提高了处理器内部处理单元的利用率和相应的数据、指令处吞吐能力。

超线程技术的不足之处就是，当运行单任务处理时，多线程的优势无法表现出来，并且一旦打开超线程，处理器内部缓存就会被划分成几个区域，互相共享内部资源，从而造成单个子系统性能下降。

而单个处理器内集成两个核心并且拥有独立的缓存，这种方案的设计即可避免上述的问题。

因此，双核心的处理器就此应运而生。

三、对双核心技术的介绍所谓双核心处理器，简单地说就是在一块CPU基板上集成两个处理器核心，并通过并行总线将各处理器核心连接起来。

双核心并不是一个新概念，而只是CMP(Chip Multi Processors，单芯片多处理器)中最基本、最简单、最容易实现的一种类型。

其实在RISC处理器领域，双核心甚至多核心都早已经实现。

CMP最早是由美国斯坦福大学提出的，其思想是在一块芯片内实现SMP(Symmetrical Multi-Processing，对称多处理)架构，且并行执行不同的进程。

早在上个世纪末，惠普和IBM就已经提出双核处理器的可行性设计。

IBM 在2001年就推出了基于双核心的POWER4处理器，随后是Sun和惠普公司，都先后推出了基于双核架构的UltraSPARC以及PA-RISC芯片，但此时双核心处理器架构还都是在高端的RISC领域，直到前不久Intel和AMD相继推出自己的双核心处理器，双核心才真正走入了主流的X86领域。

Intel目前的桌面平台双核心处理器代号为Smithfield，基本上可以简单看作是把两个Pentium 4所采用的Prescott核心整合在同一个处理器内部，两个核心共享前端总线，每个核心都拥有独立的1MB二级缓存，两个核心加起来一共拥有2MB，但这显然与Pentium 4 6XX 系列处理器的2MB缓存不同。

但由于处理器中的两个内核都拥有独立的缓存，因此必须保证每个物理内核的缓存信息必须保持一致，否则就会出现运算错误。

例如在系统的内存数据区记录着A＝1；如果第一个处理器内核对此数据区进行读写操作，并且改写为A＝0，那么第二个处理器内核的缓存也必须进行更新，把A更新为0，否则的话，在以后的操作中数据就会出错。

这样一个过程就是缓存数据的一致性，也就是说双核心处理器需要“仲裁器”来作协调。