再谈Intel CPU微结构–过去，现在和将来

作者 陈怀临 | 2010-09-26 14:35 | 类型 芯片技术, 行业动感 | 11条用户评论 »

【陈怀临注：时光如梭。上次写这篇文章是2008年10月。转眼2年过去。这次做一些修订和校注。】

Intel CPU的产品称呼比较混乱。这一点对于在Intel工作的员工也是如此。下面是笔者在这方面的一些经验。希望对读者同学们有所帮助。

首先，对非专业人士而言，接触的名称通常为CPU的产品品牌（Brand Name），而不是微结构（Micro-Architecture）名称。什么是微结构？就是你看不见的那些东西。例如流水线（Pipeline）的设计，局部总线（Local Bus），缓存（Cache）的设计，存储总线（Memory Bus）等。到目前为止，一般而言，Intel CPU微结构的系列为：i386, i486, P5, P6, Netburst, Pentium-M，Core（Merom 65nm和 Penryn 45nm）。Core微结构的65nm流片有：Merom，Concore，Allendale等；45nm的流片Penryn，Workfiled，Yorkfield等。Penryn是Merom的直系后代。Nehalem是基于Penryn 45纳米流程的直系后代。从Penryn 45nm工艺流程的基础上，Nehalem微结构横空出世。在Nehalem与Core微结构的继承性上，目前英文的wiki上是不精确的。Nehalem最大的特点就是FSB和（或）北桥的消失，QPI的引入和把在Core微结构抛弃（或曰暂停的）HyperThreading从新引入。 Nehalem之后的事情比较清爽：Nehalem, Westmere(Nehalem在32nm工艺下的Tick )，Sandy Bridge，Ivy Bridge（Sandy Bridge在28nm 工艺下的Tick）和Haswell。通常，我们也可以说Nehalem和Westmere都属于Nehalem微结构。Sandy Bridge和Ivy Bridge都属于广义的Sandy Bridge微结构。这种关系就是Intel现在非常重要的Tick Tock的流程。如下图所示，为Intel的TT模型。

Tick其实就是Introduce一个新的工艺和各种PROCESS。Tock就是Introduce一个新的微结构。

工艺与结构的拆分对于Intel这些年来的成功是根本的。这里面的原因其实也很简单：如果一个芯片建立在一个新的工艺 AND又是一个新的微结构上。一旦出了问题，基本上整个公司就歇了一半了。CEO就要买豆腐撞死。没有Baseline的事情，最好不要去做。所以TT模式可以你确保，在一个已经酒精考验的PROCESS下，Tock一下，如果芯片有问题，那就基本上是新的结构出了问题。如果一个基于考验过的微结构在一个新的工艺下（Tick一下），如果芯片有问题，显然是工艺方面有bug。。。。总而言之，这样一个拿着billion美金烧出来的芯片，就可控了。。。

另外，TT模型的另外一个好处就是把工程师队伍有效的运作起来。例如，Core的Merom和Pennyn都是Intel以色列团队主导做的；然后Nehalem和Westmere是美国Oregon团队做的；然后Sandy Bridge和Ivy Bridge又是犹太人主导；再下面再是美国团队做。TT下去，循环往复。。

Intel在这个方面是从血的教训里学来的。当年的最新的NetBurst redesign Prescott在90nm就是Tick(90nm
新工艺与Tock（x86-64Extension）在一起了。一通混战之后，最后发现是Power Leakage问题无法解决，从而导致Intel彻底放弃NetBurst，从新捡起P6微结构。。。

所以，Intel的微结构变化可以简单概括为：
i386, i486, P5, P6, Netburst, Pentium-M，Core（Merom，Penryn ），Nehalem(Nehalem, Westmere), Sandy Bridge(Sandy Bridge, Ivy Bridge), Haswell(Haswell, Rockwell)。
从下面这张Intel解释其Tick Tock的图中读者也可以清晰的认识到这些微结构的家族关系：

多个CPU产品可以来源于同一个微结构。其意思是一代产品。属于同一个微结构的多款CPU基本上可以认为是同一类，或同一代产品。同一个微结构下的多款CPU的原因很多，例如，简单化的版本；某个特定市场的定制版本等。

同一个名称的CPU可以是来自不同的微结构。如Celeron CPU有P6微结构的，Netburst微结构的，Pentium-M微结构的和Core微结构的。如果不懂的话，您购买了一个Netburst微结构的Celeron，在性能价格比上就不好了。在同年代中，您当然应该选择Pentium-M的款式。对Intel的Xeon名称的CPU也一样，读者可以发现，Xeon可以来自不同的微结构技术。

因此，CPU的产品名称基本上没有用。一定要知道其来自哪个微结构。换言之，CPU名称与微结构的映射关系是M:N。

这些微结构名词与我们日常看到的广告上的“Inside Intel”的名称的关系如下：

(本文不讨论IA64体系结构。笔者认为IA64除了在科学计算方面，基本上没有任何意义了。）

<微结构名称>: {CPU品牌（Brand）}+

i386: 80386DX, 80386SX, 80376, 80386SL, 80386EX

i486: 80486DX, 80486SX, 80486DX2, 80486SL, 80486DX4

P5: Pentium, Pentium with MMX

P6: Pentium Pro, Pentium II, Celeron (Pentium II-based), Pentium III, Pentium II and III Xeon, Celeron (Pentium III Coppermine-based), Celeron (Pentium III Tualatin-based)

Netburst：(32位)Pentium 4, Xeon, Mobile Pentium 4-M, Pentium 4 EE, Pentium 4E, Pentium 4F，（64位)Pentium D, Pentium Extreme Edition, Xeon

Pentium-M：Pentium M, Celeron M, Intel Core, Dual-Core Xeon LV, Intel Pentium Dual-Core

Core：（64位）Xeon, Intel Core 2, Pentium Dual Core, Celeron M

Nehalem：Xeon， Core i7，Core i7 Extreme，Core i5。

Westmere：Xeon， Core i7，Core i7 Extreme，Core i5， Core i3，Pentium，Celeron

在基于Nehalem微结构下45nm工艺下流片的CPU有：

Nehalem(45nm)

桌面（Desktop）
Bloomfield (4核，8线程)
Lynnfield（4核，8线程）//存在4/4，无HyperThreading变种
Clarkfield（4核，8线程）

服务器（Server）
Nehalem-EX（8核，16线程）（Beckton）
Nehalem-EP（4核，8线程）(Gainestown) //存在4/4，2/2无HyperThreading变种

下图是Nehalem-EX和Nehalem-EP的结构比较图：

Westmere(32nm)

Westmere-EX (还没有出来。应该10个核，20个线程)
Westmere-EP（6核，12线程）（Gulftown）//存在4/8，4/4变种。XEON 5690为6/12.
Clarkdale（2核，4线程和加了一个45nm的iGFX）//其实是两个die。一个package。
Arrandale（2和，4线程和加了一个45nm的图形卡iGFX）。//其实是两个die。一个package。

下图所示为Westmere的Clarkdale的芯片图。一个Package，二个Die。CPU Die是32nm；Graphic芯片是45nm。换言之，就是混在一起完事交差。读者想想马上要出来的无缝的Sandy Bridge的GPU集成，就知道其中之区别了。

Sandy Bridge估计是明年上市。首发（希望不要交钱或者给什么芯片协会黑金）是2核和4核的。之后会慢慢的温水煮青蛙，8核和10核的都往外涌。。。如果一旦Intel把Steve Jobs拿下，NVDA的GPU出局。天可怜目前6B的NVDA。。。估计最后下场与AMD会差不多。

下图所示为Sand Bridge的Die图。与Westmere + GPU的双芯片（Die)解决方案，我们可以看见，GPU Seamlessly进来了。。。

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