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    ◆ X86要革命,推土机架构简介

      有关推土机的架构介绍, 我们之前已经有文章做了解析,虽然成文于半年前,但是架构介绍和分析还是很详细的,这里我们再介绍一些重点部分。

      推土机的设计思想源于物理多核心(CMP)与超线程(SMT)之争,前者性能提升大,但是代价高昂,设计复杂,超线程技术不需要太多核心上的改变,但是效能不如物理多核,AMD在推土机上实践了第三种思路CMT(Cluster Multithreading)。

    整数单元:一分为二

      推土机的基本结构不同于以往一个整数+一个浮点单元的组成,而是一个模块(Module),每个模块内有2个整数单元和1个高度共享的浮点单元,而且每个整数单元都有自己的调度器,任务分配互不干扰,可同时执行。

      因为AMD认为目前80%的应用都是整数型,浮点运算只占20%,通过这种设计推土机的每个模块可以同时进行两个整数计算,效率大大提高,而这种设计的代价也很小,整数单元的核心面积只占模块的12%,占整个核心的面积不过5%,也就是说用5%的总面积即可实现80%的性能提升。

    整数单元的设计是对传统X86设计的一大改革

      从推土机的命名来看,AMD不再提模块这个称呼,而是将每个整数单元都视为一个核心,所以FX-8100系列也成为世界上首款原生8核桌面CPU,看上去很美吧,实际上不然。

      与K10的三发射指令架构相比,推土机有四个解码单元,变成了四发射指令系统,理论性能会有提升。但是这个四发射能力是在两个内核之间共享的,除非推土机只出单核产品,否则的话每个内核实际上只有双发射能力,单核心性能上比K10却是有下降的,后面的测试也证明了这一点。

    浮点单元:弹性共享

      AMD认为浮点运算在CPU中只占20%的分量,利用率不如整数单元那么充足,因此每个模块只有一个浮点单元,也就每两个内核共享一个浮点单元,为此AMD将其设计成“Flex FP”弹性浮点单元。

      AMD的Flex FP单元实际上是由两个128bit FMAC(浮点累积乘)浮点单元组成,它可以执行1条256bit AVX指令或者1条128bit AVX指令或者2条128bit AVX指令,同时还能执行Intel不支持的FMA4(Fused Multiply Add,融合乘加,一条指令里同时含有乘法和加法,如A=B+C*D)和XOP指令(eXtended Operations,AMD利用AVX规范重写的SSE5指令)。

    推土机的Flex FP弹性浮点单元理论上有很强的适应性

      AMD宣称弹性浮点单元具有很高的灵活性,1条256bit或者2条128bit指令自然可以充分利用整个浮点单元,如果执行的是1条128bit指令,还可以降低功耗,因为闲置功耗只有峰值功耗的2%。

      AMD的弹性浮点理念还是很新奇,但是结合后面的测试来看,推土机的浮点性能根本无法与SNB相匹敌,部分非AVX/AES指令测试中甚至不如自家的K10,再次画了一个大饼。这个问题还要回到架构设计上来,推土机的浮点单元是两个内核共享的,如果是多线程应用,每个内核能分配到到浮点单元依然只有128bit,同时执行256bit AVX指令的话就得有排队等待的,结果吞吐量跟K10一样,而SNB在同样状况下依然是256bit位宽,孰优孰劣立马就显示出来了。

    核心架构:8核庞然巨物

      桌面版的推土机代号为Zambezi(赞比西河),最多有四个模块八个核心。

    推土机的核心架构一览

      推土机的多核CPU就跟搭积木一样,通过调整模块数量即可组合成双核、4核、6核、8核,服务器市场甚至会有12核和16核CPU。(不过奇数核心的奇葩产品可能就要退出市场了,没必要了)

      推土机的缓存依然是三级,但是设计与前代K10稍有不同。推土机每个微内核中有16KB L1数据缓存,4-Way并联,每个模块共享64KB 2-Way L1指令缓存,单模块共计96KB L1缓存,而K10架构中每个内核都是64KB数据+64KB指令缓存,总计128KB L1缓存。

    推土机的缓存设计是精简L1,扩大L3

      L2缓存是每个模块共享2MB,16-Way并联,划分到每个内核则是1MB,与K10四核的512KB相比增加了一倍,与无L3缓存的Athlon II持平。此外,所有模块共享8MB 64-Way L3缓存,比K10的最多6MB L3缓存也有所增加。

      从架构设计上来看,推土机不乏创新之处,颇具新意的模块化思路,独立的双整数单元、共享式弹性浮点单元等设计都是对传统X86设计的改革,但是革命能否成功,光有理念是不行的,具体的性能测试才是最终的关键,这一点还要留待测试来证明了。

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