讓你全方位了解服務(wù)器CPU

服務(wù)器的中央處理器（CPU），在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上是跟臺(tái)式機(jī)的差不多，它們都是由運(yùn)算器和控制器組成，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為控制單元，邏輯單元和存儲(chǔ)單元三大部分。當(dāng)然工作原理也是一樣。隨著兩者的需求和發(fā)展，臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器的處理器在技術(shù)、性能指標(biāo)等各方面都存在并存的現(xiàn)象，一個(gè)最明顯的現(xiàn)象，像Intel的奔騰系列產(chǎn)品，一直應(yīng)用于服務(wù)器的低端領(lǐng)域。但不代表著服務(wù)器CPU與臺(tái)式機(jī)將會(huì)完全一樣，下面內(nèi)容會(huì)讓你對(duì)服務(wù)器CPU有個(gè)全方位的了解……
一、產(chǎn)品篇
廠商
32bit 64bit
CISC型 VLIM型 RISC型
IA-32 X86-64 IA-64
AMD64 EM64T
Intel Pentium、Xeon Nocona Itanium
AMD Athlon MP Opteron
Transmeta
（全美達(dá)） Efficeon
IBM/Apple POWER、POWERPC
HP PA-RISC、Alpha
SGI MIPS
SUN UltraSPARC
上面簡(jiǎn)單把服務(wù)器處理器列了一下表，我們可以很清晰看出，服務(wù)器處理器按CPU的指令系統(tǒng)來(lái)區(qū)分，有CISC型CPU和RISC型CPU兩類，后來(lái)出現(xiàn)了一種64位的VLIM指令系統(tǒng)的CPU，這種架構(gòu)也叫做“IA-64”。目前基于這種指令架構(gòu)的MPU有Intel的IA-64、EM64T和AMD的x86-64。RISC型的CPU是我們比較不熟悉的類型，下面一一介紹；
IBM：
IBM 的四條處理器產(chǎn)品線 —— POWER 體系結(jié)構(gòu)，PowerPC 系列的處理器，Star 系列（很少用于服務(wù)器中），以及 IBM 大型機(jī)上所采用的芯片
POWER 是 Power Optimization With Enhanced RISC 的縮寫，是 IBM 的很多服務(wù)器、工作站和超級(jí)計(jì)算機(jī)的主要處理器。POWER 芯片起源于 801 CPU，是第二代 RISC 處理器。POWER 芯片在 1990 年被 RS 或 RISC System/6000 UNIX 工作站（現(xiàn)在稱為 eServer 和 pSeries）采用，POWER 的產(chǎn)品有 POWER1、POWER2、POWER3、POWER4，現(xiàn)在最高端的是 POWER5。POWER5 處理器是目前單個(gè)芯片中性能最好的芯片。POWER6計(jì)劃 2006 年發(fā)布。
PowerPC 是 Apple、IBM 和摩托羅拉（Motorola）聯(lián)盟（也稱為 AIM 聯(lián)盟）的產(chǎn)物，它基于 POWER 體系結(jié)構(gòu)，但是與 POWER 又有很多的不同。例如，PowerPC 是開(kāi)放的，它既支持高端的內(nèi)存模型，也支持低端的內(nèi)存模型，而 POWER 芯片是高端的。最初的 PowerPC 設(shè)計(jì)也著重于浮點(diǎn)性能和多處理能力的研究。當(dāng)然，它也包含了大部分 POWER 指令。很多應(yīng)用程序都能在 PowerPC 上正常工作，這可能需要重新編譯以進(jìn)行一些轉(zhuǎn)換。從 2000 年開(kāi)始，摩托羅拉和 IBM 的 PowerPC 芯片都開(kāi)始遵循 Book E 規(guī)范，這樣可以提供一些增強(qiáng)特性，從而使得 PowerPC 對(duì)嵌入式處理器應(yīng)用（例如網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備，以及消費(fèi)者設(shè)備）更具有吸引力。PowerPC 體系結(jié)構(gòu)的最大一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它是開(kāi)放的：它定義了一個(gè)指令集（ISA），并且允許任何人來(lái)設(shè)計(jì)和制造與 PowerPC 兼容的處理器；為了支持 PowerPC 而開(kāi)發(fā)的軟件模塊的源代碼都可以自由使用。最后，PowerPC 核心的精簡(jiǎn)為其他部件預(yù)留了很大的空間，從新添加緩存到協(xié)處理都是如此，這樣可以實(shí)現(xiàn)任意的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。IBM 的 4 條服務(wù)器產(chǎn)品線中有兩條與 Apple 計(jì)算機(jī)的桌面和服務(wù)器產(chǎn)品線同樣基于 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)，分別是 Nintendo GameCube 和 IBM 的“藍(lán)色基因（Blue Gene）”超級(jí)計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在，三種主要的 PowerPC 系列是嵌入式 PowerPC 400 系列以及獨(dú)立的 PowerPC 700 和 PowerPC 900 系列。而PowerPC 600 系列，是第一個(gè) PowerPC 芯片。它是 POWER 和 PowerPC 體系結(jié)構(gòu)之間的橋梁。現(xiàn)在的PowerPC970，采用0.13微米SOI工藝制造，其內(nèi)只有一顆CPU核心，帶有512K 芯片內(nèi)L2 cache。
HP：
HP（惠普）公司自已開(kāi)發(fā)、研制的適用于服務(wù)器的RISC芯片——PA-RISC，于1986年問(wèn)世。目前，HP主要開(kāi)發(fā)64位超標(biāo)量處理器PA-8000系列。第一款芯片的型號(hào)為PA-8000，主頻為180MHz，后來(lái)陸續(xù)推出PA-8200、PA-8500、PA-8600、PA-8700、PA-8800型號(hào)。還有一個(gè)就是HP的“私生子”Alpha。（Alpha處理器最早由DEC公司設(shè)計(jì)制造，在Compaq公司收購(gòu)DEC之后，Alpha處理器繼續(xù)得到發(fā)展，后來(lái)又被惠普公司收購(gòu)）
HP于2002年開(kāi)始就公布了其兩大RISC處理器——PA-RISC和Alpha的發(fā)展計(jì)劃，其中PA-RISC與Alpha處理器至少要發(fā)展到2006年，對(duì)基于其上的服務(wù)器的服務(wù)支持將至少持續(xù)到2011年。2006年，HP將會(huì)推出PA-8900。而對(duì)于Alpha的發(fā)展，惠普公司于已經(jīng)于2004年八月份發(fā)布了其面向AlphaServer Unix服務(wù)器的最后一款處理器產(chǎn)品——EV7z。
SUN：
1987年，SUN和TI公司合作開(kāi)發(fā)了RISC微處理器——SPARC。Sun公司以其性能優(yōu)秀的工作站聞名，這些工作站的心臟全都是采用Sun公司自己研發(fā)的Sparc芯片。SPARC微處理器最突出的特點(diǎn)就是它的可擴(kuò)展性，這是業(yè)界出現(xiàn)的第一款有可擴(kuò)展性功能的微處理。SPARC的推出為SUN贏得了高端微處理器市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。
1999年6月，UltraSPARC III首次亮相。它采用先進(jìn)的0.18微米工藝制造，全部采用64位結(jié)構(gòu)和VIS指令集，時(shí)鐘頻率從600MHz起，可用于高達(dá)1000個(gè)處理器協(xié)同工作的系統(tǒng)上。UltraSPARC III和Solaris操作系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了百分之百的二進(jìn)制兼容，完全支持客戶的軟件投資，得到眾多的獨(dú)立軟件供應(yīng)商的支持。
根據(jù)Sun公司未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃，在64位UltraSparc處理器方面，主要有3個(gè)系列，首先是可擴(kuò)展式s系列，主要用于高性能、易擴(kuò)展的多處理器系統(tǒng)。目前UltraSparc Ⅲs的頻率已經(jīng)達(dá)到750GHz。將推出UltraSparc Ⅳs和UltraSparc Ⅴs等型號(hào)。其中UltraSparc Ⅳs的頻率為1GHz，UltraSparc Ⅴs則為1.5GHz。其次是集成式i系列，它將多種系統(tǒng)功能集成在一個(gè)處理器上，為單處理器系統(tǒng)提供了更高的效益。已經(jīng)推出的UltraSparc Ⅲi的頻率達(dá)到700GHz，未來(lái)的UltraSparc Ⅳi的頻率將達(dá)到1GHz。最后是嵌入式e系列，為用戶提供理想的性能價(jià)格比，嵌入式應(yīng)用包括瘦客戶機(jī)、電纜調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)接口等。Sun公司還將推出主頻300、400、500MHz等版本的處理器。
SGI
MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。1984年，MIPS計(jì)算機(jī)公司成立。1992年，SGI收購(gòu)了MIPS計(jì)算機(jī)公司。1998年，MIPS脫離SGI，成為MIPS技術(shù)公司。
MIPS公司設(shè)計(jì)RISC處理器始于二十世紀(jì)八十年代初，1986年推出R2000處理器，1988年推R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處器R4000。之后又陸續(xù)推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型號(hào)。
隨后，MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點(diǎn)放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為未來(lái)MIPS處理器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。新的架構(gòu)集成了所有原來(lái)NIPS指令集，并且增加了許多更強(qiáng)大的功能。MIPS公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)了高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核（core）MIPS324Kc與高性能64位處理器內(nèi)核MIPS64 5Kc。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對(duì)MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc處理器內(nèi)核。
MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商。1986年推出R2000處理器，1988年推出R3000處理器，1991年推出第一款64位商用微處理器R4000。之后，又陸續(xù)推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型號(hào)。1999年，MIPS公司發(fā)布MIPS 32和MIPS 64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。2000年，MIPS公司發(fā)布了針對(duì)MIPS 32 4Kc的新版本以及未來(lái)64位MIPS 64 20Kc處理器內(nèi)核
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1.主頻
　　主頻也叫時(shí)鐘頻率，單位是MHz，用來(lái)表示CPU的運(yùn)算速度。CPU的主頻＝外頻×倍頻系數(shù)。很多人認(rèn)為主頻就決定著CPU的運(yùn)行速度，這不僅是個(gè)片面的，而且對(duì)于服務(wù)器來(lái)講，這個(gè)認(rèn)識(shí)也出現(xiàn)了偏差。至今，沒(méi)有一條確定的公式能夠?qū)崿F(xiàn)主頻和實(shí)際的運(yùn)算速度兩者之間的數(shù)值關(guān)系，即使是兩大處理器廠家Intel和AMD，在這點(diǎn)上也存在著很大的爭(zhēng)議，我們從Intel的產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，可以看出Intel很注重加強(qiáng)自身主頻的發(fā)展。像其他的處理器廠家，有人曾經(jīng)拿過(guò)一快1G的全美達(dá)來(lái)做比較，它的運(yùn)行效率相當(dāng)于2G的Intel處理器。
所以，CPU的主頻與CPU實(shí)際的運(yùn)算能力是沒(méi)有直接關(guān)系的，主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號(hào)震蕩的速度。在Intel的處理器產(chǎn)品中，我們也可以看到這樣的例子：1 GHz Itanium芯片能夠表現(xiàn)得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一樣快，或是1.5 GHz Itanium 2大約跟4 GHz Xeon/Opteron一樣快。CPU的運(yùn)算速度還要看CPU的流水線的各方面的性能指標(biāo)。
　　當(dāng)然，主頻和實(shí)際的運(yùn)算速度是有關(guān)的，只能說(shuō)主頻僅僅是CPU性能表現(xiàn)的一個(gè)方面，而不代表CPU的整體性能。
2.外頻
　　外頻是CPU的基準(zhǔn)頻率，單位也是MHz。CPU的外頻決定著整塊主板的運(yùn)行速度。說(shuō)白了，在臺(tái)式機(jī)中，我們所說(shuō)的超頻，都是超CPU的外頻（當(dāng)然一般情況下，CPU的倍頻都是被鎖住的）相信這點(diǎn)是很好理解的。但對(duì)于服務(wù)器CPU來(lái)講，超頻是絕對(duì)不允許的。前面說(shuō)到CPU決定著主板的運(yùn)行速度，兩者是同步運(yùn)行的，如果把服務(wù)器CPU超頻了，改變了外頻，會(huì)產(chǎn)生異步運(yùn)行，（臺(tái)式機(jī)很多主板都支持異步運(yùn)行）這樣會(huì)造成整個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
目前的絕大部分電腦系統(tǒng)中外頻也是內(nèi)存與主板之間的同步運(yùn)行的速度，在這種方式下，可以理解為CPU的外頻直接與內(nèi)存相連通，實(shí)現(xiàn)兩者間的同步運(yùn)行狀態(tài)。外頻與前端總線(FSB)頻率很容易被混為一談，下面的前端總線介紹我們談?wù)剝烧叩膮^(qū)別。
3.前端總線(FSB)頻率
　　前端總線(FSB)頻率(即總線頻率)是直接影響CPU與內(nèi)存直接數(shù)據(jù)交換速度。有一條公式可以計(jì)算，即數(shù)據(jù)帶寬＝(總線頻率×數(shù)據(jù)帶寬)/8，數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬取決于所有同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的寬度和傳輸頻率。比方，現(xiàn)在的支持64位的至強(qiáng)Nocona，前端總線是800MHz，按照公式，它的數(shù)據(jù)傳輸最大帶寬是6.4GB/秒。
外頻與前端總線(FSB)頻率的區(qū)別：前端總線的速度指的是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋忸l是CPU與主板之間同步運(yùn)行的速度。也就是說(shuō)，100MHz外頻特指數(shù)字脈沖信號(hào)在每秒鐘震蕩一千萬(wàn)次；而100MHz前端總線指的是每秒鐘CPU可接受的數(shù)據(jù)傳輸量是100MHz×64bit÷8Byte/bit=800MB/s。
其實(shí)現(xiàn)在“HyperTransport”構(gòu)架的出現(xiàn)，讓這種實(shí)際意義上的前端總線(FSB)頻率發(fā)生了變化。之前我們知道IA-32架構(gòu)必須有三大重要的構(gòu)件：內(nèi)存控制器Hub (MCH) ,I/O控制器Hub和PCI Hub，像Intel很典型的芯片組 Intel 7501、Intel7505芯片組，為雙至強(qiáng)處理器量身定做的，它們所包含的MCH為CPU提供了頻率為533MHz的前端總線，配合DDR內(nèi)存，前端總線帶寬可達(dá)到4.3GB/秒。但隨著處理器性能不斷提高同時(shí)給系統(tǒng)架構(gòu)帶來(lái)了很多問(wèn)題。而“HyperTransport”構(gòu)架不但解決了問(wèn)題，而且更有效地提高了總線帶寬，比方AMD Opteron處理器，靈活的HyperTransport I/O總線體系結(jié)構(gòu)讓它整合了內(nèi)存控制器，使處理器不通過(guò)系統(tǒng)總線傳給芯片組而直接和內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。這樣的話，前端總線(FSB)頻率在AMD Opteron處理器就不知道從何談起了。
4、CPU的位和字長(zhǎng)
　　位：在數(shù)字電路和電腦技術(shù)中采用二進(jìn)制，代碼只有“0”和“1”，其中無(wú)論是 “0”或是“1”在CPU中都是 一“位”。
　　字長(zhǎng)：電腦技術(shù)中對(duì)CPU在單位時(shí)間內(nèi)(同一時(shí)間)能一次處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)叫字長(zhǎng)。所以能處理字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理32位的CPU就能在單位時(shí)間內(nèi)處理字長(zhǎng)為32位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。 字節(jié)和字長(zhǎng)的區(qū)別：由于常用的英文字符用8位二進(jìn)制就可以表示，所以通常就將8位稱為一個(gè)字節(jié)。字長(zhǎng)的長(zhǎng)度是不固定的，對(duì)于不同的CPU、字長(zhǎng)的長(zhǎng)度也不一樣。8位的CPU一次只能處理一個(gè)字節(jié)，而32位的CPU一次就能處理4個(gè)字節(jié)，同理字長(zhǎng)為64位的CPU一次可以處理8個(gè)字節(jié)。
5.倍頻系數(shù)
　　倍頻系數(shù)是指CPU主頻與外頻之間的相對(duì)比例關(guān)系。在相同的外頻下，倍頻越高CPU的頻率也越高。但實(shí)際上，在相同外頻的前提下，高倍頻的CPU本身意義并不大。這是因?yàn)镃PU與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸速度是有限的，一味追求高倍頻而得到高主頻的CPU就會(huì)出現(xiàn)明顯的“瓶頸”效應(yīng)—CPU從系統(tǒng)中得到數(shù)據(jù)的極限速度不能夠滿足CPU運(yùn)算的速度。一般除了工程樣版的Intel的CPU都是鎖了倍頻的，而AMD之前都沒(méi)有鎖。
6.緩存
　　緩存大小也是CPU的重要指標(biāo)之一，而且緩存的結(jié)構(gòu)和大小對(duì)CPU速度的影響非常大，CPU內(nèi)緩存的運(yùn)行頻率極高，一般是和處理器同頻運(yùn)作，工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)存和硬盤。實(shí)際工作時(shí)，CPU往往需要重復(fù)讀取同樣的數(shù)據(jù)塊，而緩存容量的增大，可以大幅度提升CPU內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)的命中率，而不用再到內(nèi)存或者硬盤上尋找，以此提高系統(tǒng)性能。但是由于CPU芯片面積和成本的因素來(lái)考慮，緩存都很小。
L1　Cache(一級(jí)緩存)是CPU第一層高速緩存，分為數(shù)據(jù)緩存和指令緩存。內(nèi)置的L1高速緩存的容量和結(jié)構(gòu)對(duì)CPU的性能影響較大，不過(guò)高速緩沖存儲(chǔ)器均由靜態(tài)RAM組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在CPU管芯面積不能太大的情況下，L1級(jí)高速緩存的容量不可能做得太大。一般服務(wù)器CPU的L1緩存的容量通常在32—256KB。
　　L2　Cache(二級(jí)緩存)是CPU的第二層高速緩存，分內(nèi)部和外部?jī)煞N芯片。內(nèi)部的芯片二級(jí)緩存運(yùn)行速度與主頻相同，而外部的二級(jí)緩存則只有主頻的一半。L2高速緩存容量也會(huì)影響CPU的性能，原則是越大越好，現(xiàn)在家庭用CPU容量最大的是512KB，而服務(wù)器和工作站上用CPU的L2高速緩存更高達(dá)256-1MB，有的高達(dá)2MB或者3MB。
L3　Cache(三級(jí)緩存)，分為兩種，早期的是外置，現(xiàn)在的都是內(nèi)置的。而它的實(shí)際作用即是，L3緩存的應(yīng)用可以進(jìn)一步降低內(nèi)存延遲，同時(shí)提升大數(shù)據(jù)量計(jì)算時(shí)處理器的性能。降低內(nèi)存延遲和提升大數(shù)據(jù)量計(jì)算能力對(duì)游戲都很有幫助。而在服務(wù)器領(lǐng)域增加L3緩存在性能方面仍然有顯著的提升。比方具有較大L3緩存的配置利用物理內(nèi)存會(huì)更有效，故它比較慢的磁盤I/O子系統(tǒng)可以處理更多的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。具有較大L3緩存的處理器提供更有效的文件系統(tǒng)緩存行為及較短消息和處理器隊(duì)列長(zhǎng)度。
其實(shí)最早的L3緩存被應(yīng)用在AMD發(fā)布的K6-III處理器上，當(dāng)時(shí)的L3緩存受限于制造工藝，并沒(méi)有被集成進(jìn)芯片內(nèi)部，而是集成在主板上。在只能夠和系統(tǒng)總線頻率同步的L3緩存同主內(nèi)存其實(shí)差不了多少。后來(lái)使用L3緩存的是英特爾為服務(wù)器市場(chǎng)所推出的Itanium處理器。接著就是P4EE和至強(qiáng)MP。Intel還打算推出一款9MB L3緩存的Itanium2處理器，和以后24MB L3緩存的雙核心Itanium2處理器。
但基本上L3緩存對(duì)處理器的性能提高顯得不是很重要，比方配備1MB L3緩存的Xeon MP處理器卻仍然不是Opteron的對(duì)手，由此可見(jiàn)前端總線的增加，要比緩存增加帶來(lái)更有效的性能提升。
7.CPU擴(kuò)展指令集
　　CPU依靠指令來(lái)計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。指令的強(qiáng)弱也是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集和精簡(jiǎn)指令集兩部分，而從具體運(yùn)用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的擴(kuò)展指令集，分別增強(qiáng)了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會(huì)把CPU的擴(kuò)展指令集稱為"CPU的指令集"。SSE3指令集也是目前規(guī)模最小的指令集，此前MMX包含有57條命令，SSE包含有50條命令，SSE2包含有144條命令，SSE3包含有13條命令。目前SSE3也是最先進(jìn)的指令集，英特爾Prescott處理器 已經(jīng)支持SSE3指令集，AMD會(huì)在未來(lái)雙核心處理器當(dāng)中加入對(duì)SSE3指令集的支持，全美達(dá)的處理器也將支持這一指令集。
8.CPU內(nèi)核和I/O工作電壓
　　從586CPU開(kāi)始，CPU的工作電壓分為內(nèi)核電壓和I/O電壓兩種，通常CPU的核心電壓小于等于I/O電壓。其中內(nèi)核電壓的大小是根據(jù)CPU的生產(chǎn)工藝而定，一般制作工藝越小，內(nèi)核工作電壓越低；I/O電壓一般都在1.6~5V。低電壓能解決耗電過(guò)大和發(fā)熱過(guò)高的問(wèn)題。
9.制造工藝
　　制造工藝的微米是指IC內(nèi)電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢(shì)是向密集度愈高的方向發(fā)展。密度愈高的IC電路設(shè)計(jì)，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。現(xiàn)在主要的180nm、130nm、90nm。最近官方已經(jīng)表示有65nm的制造工藝了。
10.指令集
（1）CISC指令集
　　CISC指令集，也稱為復(fù)雜指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的縮寫）。在CISC微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個(gè)操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。其實(shí)它是英特爾生產(chǎn)的x86系列（也就是IA-32架構(gòu)）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是現(xiàn)在新起的X86-64（也被成AMD64）都是屬于CISC的范疇。
要知道什么是指令集還要從當(dāng)今的X86架構(gòu)的CPU說(shuō)起。X86指令集是Intel為其第一塊16位CPU(i8086)專門開(kāi)發(fā)的，IBM1981年推出的世界第一臺(tái)PC機(jī)中的CPU—i8088(i8086簡(jiǎn)化版)使用的也是X86指令，同時(shí)電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力而增加了X87芯片，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。
　　雖然隨著CPU技術(shù)的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486直到過(guò)去的PII至強(qiáng)、PIII至強(qiáng)、Pentium 3，最后到今天的Pentium 4系列、至強(qiáng)（不包括至強(qiáng)Nocona），但為了保證電腦能繼續(xù)運(yùn)行以往開(kāi)發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產(chǎn)的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU（如AMD Athlon MP、）都使用X86指令集，所以就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。x86CPU目前主要有intel的服務(wù)器CPU和AMD的服務(wù)器CPU兩類。
（2）RISC指令集
　　RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ” 的縮寫，中文意思是“精簡(jiǎn)指令集”。它是在CISC指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，有人對(duì)CISC機(jī)進(jìn)行測(cè)試表明，各種指令的使用頻度相當(dāng)懸殊，最常使用的是一些比較簡(jiǎn)單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20％，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80％。復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加微處理器的復(fù)雜性，使處理器的研制時(shí)間長(zhǎng)，成本高。并且復(fù)雜指令需要復(fù)雜的操作，必然會(huì)降低計(jì)算機(jī)的速度。基于上述原因，20世紀(jì)80年代RISC型CPU誕生了，相對(duì)于CISC型CPU ,RISC型CPU不僅精簡(jiǎn)了指令系統(tǒng)，還采用了一種叫做“超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)”，大大增加了并行處理能力。RISC指令集是高性能CPU的發(fā)展方向。它與傳統(tǒng)的CISC(復(fù)雜指令集)相對(duì)。相比而言，RISC的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復(fù)雜指令集少。當(dāng)然處理速度就提高很多了。目前在中高檔服務(wù)器中普遍采用這一指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。RISC指令系統(tǒng)更加適合高檔服務(wù)器的操作系統(tǒng)UNIX，現(xiàn)在Linux也屬于類似UNIX的操作系統(tǒng)。RISC型CPU與Intel和AMD的CPU在軟件和硬件上都不兼容。
目前，在中高檔服務(wù)器中采用RISC指令的CPU主要有以下幾類：PowerPC處理器 、SPARC處理器、PA-RISC處理器、MIPS處理器、Alpha處理器。
（3）IA-64
EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精確并行指令計(jì)算機(jī)）是否是RISC和CISC體系的繼承者的爭(zhēng)論已經(jīng)有很多，單以EPIC體系來(lái)說(shuō)，它更像Intel的處理器邁向RISC體系的重要步驟。從理論上說(shuō)，EPIC體系設(shè)計(jì)的CPU，在相同的主機(jī)配置下，處理Windows的應(yīng)用軟件比基于Unix下的應(yīng)用軟件要好得多。
Intel采用EPIC技術(shù)的服務(wù)器CPU是安騰Itanium（開(kāi)發(fā)代號(hào)即Merced）。它是64位處理器，也是IA－64系列中的第一款。微軟也已開(kāi)發(fā)了代號(hào)為Win64的操作系統(tǒng)，在軟件上加以支持。在Intel采用了X86指令集之后，它又轉(zhuǎn)而尋求更先進(jìn)的64-bit微處理器，Intel這樣做的原因是，它們想擺脫容量巨大的x86架構(gòu),從而引入精力充沛而又功能強(qiáng)大的指令集，于是采用EPIC指令集的IA-64架構(gòu)便誕生了。IA-64 在很多方面來(lái)說(shuō)，都比x86有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。突破了傳統(tǒng)IA32架構(gòu)的許多限制，在數(shù)據(jù)的處理能力，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可用性、可觀理性等方面獲得了突破性的提高。
IA-64微處理器最大的缺陷是它們?nèi)狈εcx86的兼容，而Intel為了IA-64處理器能夠更好地運(yùn)行兩個(gè)朝代的軟件，它在IA-64處理器上（Itanium、Itanium2 ……)引入了x86-to-IA-64的解碼器，這樣就能夠把x86指令翻譯為IA-64指令。這個(gè)解碼器并不是最有效率的解碼器，也不是運(yùn)行x86代碼的最好途徑（最好的途徑是 直接在x86處理器上運(yùn)行x86代碼），因此Itanium 和Itanium2在運(yùn)行x86應(yīng)用程序時(shí)候的性能非常糟糕。這也成為X86-64產(chǎn)生的根本原因。
（4）X86-64 （AMD64 / EM64T）
AMD公司設(shè)計(jì)，可以在同一時(shí)間內(nèi)處理64位的整數(shù)運(yùn)算，并兼容于X86-32架構(gòu)。其中支持64位邏輯定址，同時(shí)提供轉(zhuǎn)換為32位定址選項(xiàng)；但數(shù)據(jù)操作指令默認(rèn)為32位和8位，提供轉(zhuǎn)換成64位和16位的選項(xiàng)；支持常規(guī)用途寄存器，如果是32位運(yùn)算操作，就要將結(jié)果擴(kuò)展成完整的64位。這樣，指令中有“直接執(zhí)行”和“轉(zhuǎn)換執(zhí)行”的區(qū)別，其指令字段是8位或32位，可以避免字段過(guò)長(zhǎng)。
x86-64（也叫AMD64）的產(chǎn)生也并非空穴來(lái)風(fēng)，x86處理器的32bit尋址空間限制在4GB內(nèi)存，而IA-64的處理器又不能兼容x86。AMD充分考慮顧客的需求，加強(qiáng)x86指令集的功能，使這套指令集可同時(shí)支持64位的運(yùn)算模式，因此AMD把它們的結(jié)構(gòu)稱之為x86-64。在技術(shù)上AMD在x86-64架構(gòu)中為了進(jìn)行64位運(yùn)算，AMD為其引入了新增了R8-R15通用寄存器作為原有X86處理器寄存器的擴(kuò)充，但在而在32位環(huán)境下并不完全使用到這些寄存器。原來(lái)的寄存器諸如EAX、EBX也由32位擴(kuò)張至64位。在SSE單元中新加入了8個(gè)新寄存器以提供對(duì)SSE2的支持。寄存器數(shù)量的增加將帶來(lái)性能的提升。與此同時(shí)，為了同時(shí)支持32和64位代碼及寄存器，x86-64架構(gòu)允許處理器工作在以下兩種模式：Long Mode(長(zhǎng)模式)和Legacy Mode(遺傳模式)，Long模式又分為兩種子模式(64bit模式和Compatibility mode兼容模式)。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被引進(jìn)在AMD服務(wù)器處理器中的Opteron處理器。
而今年也推出了支持64位的EM64T技術(shù)，再還沒(méi)被正式命為EM64T之前是IA32E，這是英特爾64位擴(kuò)展技術(shù)的名字,用來(lái)區(qū)別X86指令集。Intel的EM64T支持64位sub-mode，和AMD的X86-64技術(shù)類似，采用64位的線性平面尋址，加入8個(gè)新的通用寄存器（GPRs），還增加8個(gè)寄存器支持SSE指令。與AMD相類似，Intel的64位技術(shù)將兼容IA32和IA32E，只有在運(yùn)行64位操作系統(tǒng)下的時(shí)候，才將會(huì)采用IA32E。IA32E將由2個(gè)sub-mode組成：64位sub-mode和32位sub-mode，同AMD64一樣是向下兼容的。Intel的EM64T將完全兼容AMD的X86-64技術(shù)。現(xiàn)在Nocona處理器已經(jīng)加入了一些64位技術(shù)，Intel的Pentium 4E處理器也支持64位技術(shù)。
應(yīng)該說(shuō)，這兩者都是兼容x86指令集的64位微處理器架構(gòu)，但EM64T與AMD64還是有一些不一樣的地方，AMD64處理器中的NX位在Intel的處理器中將沒(méi)有提供。
11.超流水線與超標(biāo)量
　　在解釋超流水線與超標(biāo)量前，先了解流水線(pipeline)。流水線是Intel首次在486芯片中開(kāi)始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5—6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運(yùn)算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級(jí)流水，即指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果，浮點(diǎn)流水又分為八級(jí)流水。
超標(biāo)量是通過(guò)內(nèi)置多條流水線來(lái)同時(shí)執(zhí)行多個(gè)處理器，其實(shí)質(zhì)是以空間換取時(shí)間。而超流水線是通過(guò)細(xì)化流水、提高主頻，使得在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成一個(gè)甚至多個(gè)操作，其實(shí)質(zhì)是以時(shí)間換取空間。例如Pentium 4的流水線就長(zhǎng)達(dá)20級(jí)。將流水線設(shè)計(jì)的步(級(jí))越長(zhǎng)，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應(yīng)工作主頻更高的CPU。但是流水線過(guò)長(zhǎng)也帶來(lái)了一定副作用，很可能會(huì)出現(xiàn)主頻較高的CPU實(shí)際運(yùn)算速度較低的現(xiàn)象，Intel的奔騰4就出現(xiàn)了這種情況，雖然它的主頻可以高達(dá)1.4G以上，但其運(yùn)算性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上AMD 1.2G的速龍甚至奔騰III。
12.封裝形式
　　CPU封裝是采用特定的材料將CPU芯片或CPU模塊固化在其中以防損壞的保護(hù)措施，一般必須在封裝后CPU才能交付用戶使用。CPU的封裝方式取決于CPU安裝形式和器件集成設(shè)計(jì)，從大的分類來(lái)看通常采用Socket插座進(jìn)行安裝的CPU使用PGA(柵格陣列)方式封裝，而采用Slot x槽安裝的CPU則全部采用SEC(單邊接插盒)的形式封裝。現(xiàn)在還有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封裝技術(shù)。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，目前CPU封裝技術(shù)的發(fā)展方向以節(jié)約成本為主。
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1、多線程
同時(shí)多線程Simultaneous multithreading，簡(jiǎn)稱SMT。SMT可通過(guò)復(fù)制處理器上的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，讓同一個(gè)處理器上的多個(gè)線程同步執(zhí)行并共享處理器的執(zhí)行資源，可最大限度地實(shí)現(xiàn)寬發(fā)射、亂序的超標(biāo)量處理，提高處理器運(yùn)算部件的利用率，緩和由于數(shù)據(jù)相關(guān)或Cache未命中帶來(lái)的訪問(wèn)內(nèi)存延時(shí)。當(dāng)沒(méi)有多個(gè)線程可用時(shí)，SMT處理器幾乎和傳統(tǒng)的寬發(fā)射超標(biāo)量處理器一樣。SMT最具吸引力的是只需小規(guī)模改變處理器核心的設(shè)計(jì)，幾乎不用增加額外的成本就可以顯著地提升效能。多線程技術(shù)則可以為高速的運(yùn)算核心準(zhǔn)備更多的待處理數(shù)據(jù)，減少運(yùn)算核心的閑置時(shí)間。這對(duì)于桌面低端系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)疑十分具有吸引力。Intel從3.06GHz Pentium 4開(kāi)始，所有處理器都將支持SMT技術(shù)。
2、多核心
多核心，也指單芯片多處理器（Chip multiprocessors，簡(jiǎn)稱CMP）。CMP是由美國(guó)斯坦福大學(xué)提出的，其思想是將大規(guī)模并行處理器中的SMP（對(duì)稱多處理器）集成到同一芯片內(nèi)，各個(gè)處理器并行執(zhí)行不同的進(jìn)程。與CMP比較， SMT處理器結(jié)構(gòu)的靈活性比較突出。但是，當(dāng)半導(dǎo)體工藝進(jìn)入0.18微米以后，線延時(shí)已經(jīng)超過(guò)了門延遲，要求微處理器的設(shè)計(jì)通過(guò)劃分許多規(guī)模更小、局部性更好的基本單元結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。相比之下，由于CMP結(jié)構(gòu)已經(jīng)被劃分成多個(gè)處理器核來(lái)設(shè)計(jì)，每個(gè)核都比較簡(jiǎn)單，有利于優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此更有發(fā)展前途。目前，IBM 的Power 4芯片和Sun的 MAJC5200芯片都采用了CMP結(jié)構(gòu)。多核處理器可以在處理器內(nèi)部共享緩存，提高緩存利用率，同時(shí)簡(jiǎn)化多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
2005年下半年，Intel和AMD的新型處理器也將融入CMP結(jié)構(gòu)。新安騰處理器開(kāi)發(fā)代碼為Montecito，采用雙核心設(shè)計(jì)，擁有最少18MB片內(nèi)緩存，采取90nm工藝制造，它的設(shè)計(jì)絕對(duì)稱得上是對(duì)當(dāng)今芯片業(yè)的挑戰(zhàn)。它的每個(gè)單獨(dú)的核心都擁有獨(dú)立的L1，L2和L3 cache，包含大約10億支晶體管。
3、SMP
SMP（Symmetric Multi-Processing），對(duì)稱多處理結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)稱，是指在一個(gè)計(jì)算機(jī)上匯集了一組處理器(多CPU),各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)以及總線結(jié)構(gòu)。在這種技術(shù)的支持下，一個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)處理器，并共享內(nèi)存和其他的主機(jī)資源。像雙至強(qiáng)，也就是我們所說(shuō)的二路，這是在對(duì)稱處理器系統(tǒng)中最常見(jiàn)的一種（至強(qiáng)MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路）。也有少數(shù)是16路的。但是一般來(lái)講，SMP結(jié)構(gòu)的機(jī)器可擴(kuò)展性較差，很難做到100個(gè)以上多處理器，常規(guī)的一般是8個(gè)到16個(gè)，不過(guò)這對(duì)于多數(shù)的用戶來(lái)說(shuō)已經(jīng)夠用了。在高性能服務(wù)器和工作站級(jí)主板架構(gòu)中最為常見(jiàn)，像UNIX服務(wù)器可支持最多256個(gè)CPU的系統(tǒng)。
構(gòu)建一套SMP系統(tǒng)的必要條件是：支持SMP的硬件包括主板和CPU；支持SMP的系統(tǒng)平臺(tái)，再就是支持SMP的應(yīng)用軟件。
為了能夠使得SMP系統(tǒng)發(fā)揮高效的性能，操作系統(tǒng)必須支持SMP系統(tǒng)，如WINNT、LINUX、以及UNIX等等32位操作系統(tǒng)。即能夠進(jìn)行多任務(wù)和多線程處理。多任務(wù)是指操作系統(tǒng)能夠在同一時(shí)間讓不同的CPU完成不同的任務(wù)；多線程是指操作系統(tǒng)能夠使得不同的CPU并行的完成同一個(gè)任務(wù)。
要組建SMP系統(tǒng)，對(duì)所選的CPU有很高的要求，首先、CPU內(nèi)部必須內(nèi)置APIC（Advanced Programmable Interrupt Controllers）單元。Intel 多處理規(guī)范的核心就是高級(jí)可編程中斷控制器（Advanced Programmable Interrupt Controllers--APICs）的使用；再次，相同的產(chǎn)品型號(hào)，同樣類型的CPU核心，完全相同的運(yùn)行頻率；最后，盡可能保持相同的產(chǎn)品序列編號(hào)，因?yàn)閮蓚€(gè)生產(chǎn)批次的CPU作為雙處理器運(yùn)行的時(shí)候，有可能會(huì)發(fā)生一顆CPU負(fù)擔(dān)過(guò)高，而另一顆負(fù)擔(dān)很少的情況，無(wú)法發(fā)揮最大性能，更糟糕的是可能導(dǎo)致死機(jī)。
4、NUMA技術(shù)
NUMA即非一致訪問(wèn)分布共享存儲(chǔ)技術(shù)，它是由若干通過(guò)高速專用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是單個(gè)的CPU或是SMP系統(tǒng)。在NUMA中，Cache 的一致性有多種解決方案，需要操作系統(tǒng)和特殊軟件的支持。圖2中是Sequent公司NUMA系統(tǒng)的例子。這里有3個(gè)SMP模塊用高速專用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)起來(lái)，組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有12個(gè)CPU。像Sequent的系統(tǒng)最多可以達(dá)到64個(gè)CPU甚至256個(gè)CPU。顯然，這是在SMP的基礎(chǔ)上，再用NUMA的技術(shù)加以擴(kuò)展，是這兩種技術(shù)的結(jié)合。
5、亂序執(zhí)行技術(shù)
亂序執(zhí)行（out-of-orderexecution），是指CPU允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開(kāi)發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。這樣將根據(jù)個(gè)電路單元的狀態(tài)和各指令能否提前執(zhí)行的具體情況分析后，將能提前執(zhí)行的指令立即發(fā)送給相應(yīng)電路單元執(zhí)行，在這期間不按規(guī)定順序執(zhí)行指令，然后由重新排列單元將各執(zhí)行單元結(jié)果按指令順序重新排列。采用亂序執(zhí)行技術(shù)的目的是為了使CPU內(nèi)部電路滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)并相應(yīng)提高了CPU的運(yùn)行程序的速度。分枝技術(shù)：（branch）指令進(jìn)行運(yùn)算時(shí)需要等待結(jié)果，一般無(wú)條件分枝只需要按指令順序執(zhí)行，而條件分枝必須根據(jù)處理后的結(jié)果，再?zèng)Q定是否按原先順序進(jìn)行。
6、CPU內(nèi)部的內(nèi)存控制器
許多應(yīng)用程序擁有更為復(fù)雜的讀取模式（幾乎是隨機(jī)地，特別是當(dāng)cache hit不可預(yù)測(cè)的時(shí)候），并且沒(méi)有有效地利用帶寬。典型的這類應(yīng)用程序就是業(yè)務(wù)處理軟件，即使擁有如亂序執(zhí)行（out of order execution）這樣的CPU特性，也會(huì)受內(nèi)存延遲的限制。這樣CPU必須得等到運(yùn)算所需數(shù)據(jù)被除數(shù)裝載完成才能執(zhí)行指令（無(wú)論這些數(shù)據(jù)來(lái)自CPU cache還是主內(nèi)存系統(tǒng)）。當(dāng)前低段系統(tǒng)的內(nèi)存延遲大約是120－150ns，而CPU速度則達(dá)到了3GHz以上，一次單獨(dú)的內(nèi)存請(qǐng)求可能會(huì)浪費(fèi)200－300次CPU循環(huán)。即使在緩存命中率（cache hit rate）達(dá)到99％的情況下，CPU也可能會(huì)花50％的時(shí)間來(lái)等待內(nèi)存請(qǐng)求的結(jié)束－ 比如因?yàn)閮?nèi)存延遲的緣故。
你可以看到Opteron整合的內(nèi)存控制器，它的延遲，與芯片組支持雙通道DDR內(nèi)存控制器的延遲相比來(lái)說(shuō)，是要低很多的。英特爾也按照計(jì)劃的那樣在處理器內(nèi)部整合內(nèi)存控制器，這樣導(dǎo)致北橋芯片將變得不那么重要。但改變了處理器訪問(wèn)主存的方式，有助于提高帶寬、降低內(nèi)存延時(shí)和提升處理器性能。