革命还是渐进 AMD“推土机”架构解读

    10月22日，AMD创新技术大会在京召开，AMD向业界展示了在CPU和GPU设计方面的创新成果和技术趋势。虽然AMD全球首发的Radeon HD6800系列显卡以及“融聚CPU和GPU”的APU设计足够夺人眼球，不过令笔者更加关注的还是AMD的下一代处理器架构“Bulldozer”（“推土机”），毕竟，自1999年K7架构问世以来，这将是AMD最为不同的一代处理器架构。

    或许应该用“革命”这样的形容词，因为“推土机”将是一个全新的处理器架构，基于“推土机”架构的处理器，将和K7之后的所有AMD处理器都不尽相同。

AMD全球服务器首席技术官Don Newell先生介绍Bulldozer架构

    对此，AMD也有自己的官方理由：“推土机”采用的是介于传统的“多核”和同步多线程（simultaneous multithreading，简称SMT）之间的第三种方式。我们知道，之前的AMD皓龙处理器采用的是“芯片多处理器”（chip multiprocessing, 即CMP）设计，每个独立的核心运行一个线程，比如AMD双核、四核皓龙，采用的就是CMP设计；而SMT技术是允许两个或更多的线程共享相同的核心，并发执行，比如像英特尔的Hyper-Threading。

    首先有必要来回顾一下CMP和SMT的优劣势：

SMT和CMP方式对比

    CMP： CMP的方式非常直接，简单来说，CMP是通过“复制”物理核心来扩展处理器在多线程软件中的性能，这是获得最佳性能一种最简单和最有效的方式。但CMP的缺点是制造成本很昂贵，并且也要受到处理器制造工艺的限制，毕竟不能将芯片做的越来越大。并且CMP的方式对负载要求也很高，只有经过适当并行优化的负载才能充分发挥CMP的性能，很多核心的CMP常常会浪费资源，在一些应用中，主频更高、结构更简单的双核和四核处理器就往往可以获得更好的性能。  

    SMT：SMT是一个相对廉价的技术，比如英特尔的Hyper-Threading，允许每个物理核心运行两个同步线程。SMT的设计思想是充分利用每个核心的资源。如果一个物理核心只有一个执行线程，那么在等待内存中的关键代码或数据的时候，线程处于停顿状态，这样核心的利用率是低下的。而SMT技术允许一个物理核心运行两个或更多的线程，可以根据当前的状况动态进行切换，如果一个线程处于停顿状态等待内存，另一个线程的指令则可以使用这个物理核心的所有执行单元，让物理核心利用的更加充分。

    为了让SMT正常工作，处理器的所有代码和存储部分需要被复制或分区。例如，一个双线程SMT处理器需要两套架构寄存器和重命名寄存器，一套给线程A，一套给线程B。另外组成指令窗口的共享指令队列要具备很大的空间，这样指令窗口才能容纳足够多的来自两个线程的指令，让执行单元可以保持在忙碌状态。最后，两个线程任何共享单元，比如处理管线不同部分的指令缓存，都不能被任一个线程独占。换句话说，SMT核心的两个线程需要和另一个紧密的共享资源，保证核心的缓存单元不会空置没有线程利用。

    SMT技术对那些不需要核心线程（threads）全负荷运行的多线程负载比较有意义，对于一个双线程SMT设计来说，如果这两个线程都需要花费很长时间等待主内存，那么这个双线程SMT会表现的就一个CMP双核处理器，甚至更加高效——因为它比CMP双核成本要低得多。在这种理想的状况下，一个双线程SMT核心几乎可以等同于一个双核处理器，并且能耗上还要低的多。

    但SMT的效率根据负载不同会有很大差异，AMD认为在真实的应用情况中，一个双线程SMT核心仅仅等同于1.3个常规核心的效能，因为很多时候线程都在执行资源而不是等待主内存响应，换句话说，如果主内存不再是瓶颈，SMT的执行单元就过剩了，而一个SMT核心也就不再比一个单纯的核心更高效，毕竟SMT核心需要增加一些电路设计，比一个单纯的核心成本要高一些。