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我们知道Intel与AMD两大处理器龙头厂商都在积极布局双精

文/圖賴相榮

我們知道Intel與AMD兩大處理器龍頭廠商都在積極佈局雙核心處理器產品，然而AMD決定於上個月25號發布雙核心Opteron處理器的舉動，也導致雙核處理器的戰火提前引爆，結果Intel突然搶先在上個月19號發布了PentiumExtremeEdition840雙核處理器與955X主機板平台來個先聲奪人，雙核處理器的戰火真是一觸即發……

■　何謂「雙核」處理器？

雙核心（Dualcore）或多核心（Multi-core）處理器是指在同一個實體處理器的封裝裡面包含兩個或多個執行核心。

這些執行核心各自擁有獨立的執行單元、快取記憶體，從系統的角度來看，可以視為真正的雙處理器或多處理器系統。

在把兩個核心或多個核心擺入一個處理器封裝的議題上來看，其實有許多實作的方式。

最簡單的就是把兩個或多個原本的單處理器晶粒（Die）原封不動地封裝在一起，再利用外部線路來互相連接，外觀上會看到基板上有兩個或多個晶粒並排在一起，也就是所謂的「Multi-chip」封裝方式；另一種方法是，在晶圓切割的時候，依據兩個或多個核心為單位來切割晶粒，彼此互連的線路也包含在晶粒裡頭，從外觀上來看會變成一個面積比較大的單一晶粒，也就是所謂「Multi-core、SingleDie」的做法；另外，如果在晶片設計之初，就是以雙核心或多核心為目標的話，那麼各執行單元與快取記憶體的佈局會相當緊密，互連方式也相當有效率，各個核心的元件更可能不是對稱性的分布，這種方式理論上整合性最高，效率也最高，它也是屬於Multi-core、SingleDie的設計方式。

至於哪一種設計型式最好，可能很難一概而論，因為在設計成本、製造良率、運算效率上可能無法面面俱到，廠商僅能盡量求取平衡，選擇對自己最有利的設計方式為之。

Smithfield核心是屬於我們上述討論的第二種設計方式，也就是雙核心、單晶粒，並且互連線路是包含在晶粒內部的。

▲雙核處理器的實作方式有很多種，大致可以分為Singledie及Multi-chip兩種類型。

■　PentiumD處理器

原本在Intel發展藍圖上的x20、x30、x40雙核心處理器，在今年春季IDF論壇上已經正式正名為「PentiumD」處理器，包含PentiumD820（2.8GHz）、PentiumD830（3.0GHz）、PentiumD840（3.2GHz）等三款。

「D」字母可能有兩種意涵，一是對應CeleronD處理器，代表Desktop桌上型產品線；另一個就是「Dual」或「Double」之意，宣告它是一款雙核心處理器。

一如外界預測的，PentiumD處理器採用了Smithfield核心。

簡單來說，Smithfield核心就是兩個Prescott-1M（E0Stepping）核心的組合。

覆蓋了IHS散熱片的PentiumD處理器，外觀上雖然和Pentium45xx或6xx相同，不過事實上Smithfield具備大約2億3千萬個電晶體，幾乎是Prescott-1M核心（1億2千5百萬）的兩倍之多。

晶粒面積達到206平方公釐，也接近Prescott-1M核心（112平方公釐）的兩倍。

在Smithfield核心裡頭，兩個Prescott-1M核心是獨立的，擁有自己的執行單元與快取記憶體。

因此可以說，Smithfield具備兩份的12Kmicro-opsL1指令快取及16KBL1資料快取，同時也具備兩份1MBL2快取記憶體（1MB+1MB）。

Smithfield核心也和Prescott-1M一樣，支援800MHzFSB、SSE3指令集、ExecuteDisableBit防毒技術。

不過有過之而無不及地，Smithfield也支援目前Pentium46xx（Prescott-2M）才具備的EM64T64位元技術及EIST（EnhancedIntelSpeedStepTechnology）省電功能，這是比Pentium45xx（J）來得先進的地方。

▲PentiumD830處理器

▲以PentiumD830處理器為例的話，從CPU-Z的偵測結果可以證實，Smithfield確實是由兩個Prescott-1M核心所組成，程式也偵測出了Core1與Core2兩個核心的存在。

▲Smithfield雙核心的執行單元、快取記憶體、匯流排仲裁介面是各自獨立的。

也許您會覺得PentiumD處理器的工作時脈似乎低了點，Pentium4570J與預計推出的Pentium4670都已經上探3.8GHz的高時脈，何以PentiumD就只推出這麼低的頻率版本？

這其實是不得已的做法，由於Smithfield的電晶體數量幾乎倍增，為了讓PentiumD處理器的功耗與發熱量維持在合理範圍，只有降低時脈一途，PentiumD的TDP（ThermalDesignPower）高達130W，已經超越Pentium4570J及Pentium4670的115W上限。

唯有待將來轉入65奈米製程之後，雙核心處理器才能順利提高工作頻率，屆時將由Multi-chip封裝、65奈米製程的Presler核心來接續Smithfield。

■　雙核心與Hyper-Threading的差異

以Intel官方的說法認為，雙核心處理器是Hyper-Threading（超執行緒技術）的一種很自然的延伸。

那讀者朋友們不知道有沒有想過，Hyper-Threading與雙核心技術有什麼不同，因為如果說完全一樣，那不是就白忙一場了嗎？

現在Pentium4處理器不就已經支援了Hyper-Threading了嗎？

以系統的角度來看，Hyper-Threading與雙核心處理器都是屬於雙處理器架構，都可以同時執行兩個執行緒（Thread）；但是站在處理器本身的角度來看，可就大大的不同了。

Hyper-Threading雖然在處理器入口端可以允許兩個執行緒同時進入，不過由於實體的執行單元只有一份，兩個執行緒的指令還是需要輪流「排隊」進入執行管線，而不是真正平行地運算。

充其量Hyper-Threading只能算是提高執行單元/管線使用率的一種技巧，所以我們還是稱它為「邏輯」處理器。

至於雙核心處理器，由於實體上具備兩個執行核心，也具備兩份L1、L2快取記憶體，所以兩個執行緒進入處理器之後，可以真正獲得指令階段的平行處理，效率不是Hyper-Threading所能比擬的，隨後的效能實測部分我們會證明這一點。

▲Hyper-Threading所模擬出來的邏輯處理器（上）與實體雙核心處理器（下）

當然，雙核心處理器受到的限制也和Hyper-Threading是一樣的，在單執行緒設計的應用軟體底下，效能幾乎無法突顯，因為其中一個核心等於是完全閒置在那裡，毫無用武之地。

所幸，在目前多工（Multi-tasking）作業系統環境普及之下，Hyper-Threading或雙核心處理器仍然有所助益，當許多應用程式在前景或背景同時執行的時候，起碼可以加快不少反應時間，讓前景程式不致過度受到背景程式的干擾。

也許您也想到了，如果在雙核心或多核心處理器上再開啟Hyper-Threading那不就更完美了嗎？

事實上這的確可行！

不過在Intel的產品規劃裡頭，PentiumD已經關閉Hyper-Threading功能，系統上還是只能見到兩顆處理器，而且是兩個實體處理器，不是邏輯處理器。

▲站在系統的角度，實體雙核心與Hyper-Threading邏輯雙核心都被視為雙處理器系統，不過它們卻有著本質上的不同。

▲Hyper-Threading能同時接受兩個執行緒的指令，提高執行單元的使用率。

▲實體雙核心則能讓兩個執行緒指令流在各自的執行核心當中運算，達到真正的指令階段平行處理。

■　PentiumExtremeEdition

Intel的桌上型旗艦級產品線—極致版（ExtremeEdition）處理器也即將改朝換代進入雙核心的時代，正式的產品名稱為PentiumExtremeEdition處理器（簡稱PentiumEE或PentiumXE），同樣拿掉了「4」這個數字。

不過說也奇怪，這款處理器竟然比小老弟PentiumD還要來得早推出，已經於上個月19號正式發表了。

原來全是為了因應AMD於上個月25號推出雙核心Opteron處理器的計畫，因此把推出時程整個往前挪，甚至變得比PentiumD還要來得更早。

PentiumEE目前只有一款，就是工作時脈3.20GHz的PentiumEE840。

PentiumEE840與PentiumD8xx具備相同的Smithfield核心，除了雙核心架構之外，Intel還開啟了PentiumEE的Hyper-Threading功能，也就是說，每個核心還可以模擬成兩個邏輯處理器，使得PentiumEE840可以同時接受4個執行緒！

這是PentiumEE與PentiumD之間最大的不同，也是Intel針對旗艦產品線的策略規劃結果。

而維持Intel桌上型最高階產品的價格策略，PentiumEE840的上市價格也是999美元（每千顆量購單價）。

▲PentiumExtremeEdition除了實體雙核心之外，並且還能各自模擬出兩個邏輯處理器，形成4個執行緒的SMT（SimultaneousMulti-threaded）運算能力。

▲實體雙核心再加上邏輯雙核心（Hyper-Threading）則能同時處理四個執行緒的指令流。

■　主機板支援情況？

雙核心的PentiumD與PentiumEE雖然依舊採用LGA775腳位設計，也同樣支援800MHzFSB，不過可惜的是，並不能相容於915P/G、925X、925XE晶片組，也就是不能沿用目前市面上的LGA775主機板。

依據Intel的桌上型產品規劃，PentiumD將搭配945P/G主機板，作為主流市場的雙核心平台；PentiumEE則搭配955X主機板，成為最高階的旗艦級雙核心平台。

而955X晶片組/主機板已經隨著PentiumEE840處理器在上個月發表了，時間上反而也比945系列來得早。

PentiumD處理器與945晶片組則依照原定計畫，預計會在本月底ComputexTaipei2005來臨前推出。

而其他晶片組設計廠商近期與即將推出的LGA775平台產品其實也能夠支援雙核心處理器，只不過在Intel正式推出PentiumD與PentiumEE處理器之前，這項規格並不能提出來加以強調，終端使用者也無從加以驗證。

底下我們花點篇幅來討論一下已經發表的955X晶片組。

■　955X晶片組

研發代號Glenwood的955X晶片組全名是955XExpress，市場定位是拿來接續925XE的高階產品線，應用範圍包括高階玩家級個人電腦或個人工作站。

策略上PentiumEE處理器是拿來搭配955X平台的，而且據傳並不能在945平台上使用，不過這還有待證實就是了。

955X晶片組支援1066/800MHzFSB；支援雙通道DDR2-667/533記憶體及ECC偵錯能力，系統記憶體的最高定址容量擴增到8GB，並且透過MPT（MemoryPipelineTechnology）技術來加速記憶體效能，MPT主要透過管線化的技巧來增加每個記憶體通道的使用率；而顯示匯流排方面則依舊提供PCIExpressx16介面。

因此可以說，955X與925XE在北橋部份的主要差異在於記憶體規格。

至於南橋部份的差異就相當大了，因為955X搭配的是全新的ICH7/ICH7R（82801GB/82801GR）南橋，SATA規格已經演進為SATAII（3Gb/s、AHCI），並且支援RAID0、1、0+1、5、MatrixRAID等等磁碟陣列模式（ICH7R）。

另外也新增了AMT（ActiveManagementTechnology）遠端網管功能。

▲955XExpress北橋晶片

▲ICH7R南橋晶片（NH82801GR）

▲955X系統區塊圖

▲技嘉955X主機板（GA-8I955XRoyal）

■　PentiumD830效能實測！

接下來到了我們實際驗證雙核心處理器效能的時刻了！

真是令人既緊張又期待！

不過首先得解決平台的問題。

雖然筆者手邊沒有945P/G、955X主機板可以拿來搭配雙核心處理器，不過卻讓筆者找到了替代方案，那就是甫發表的nVIDIAnForce4SLIIntelEdition晶片組主機板。

這張來自nVIDIA官方提供的nForce4SLIIntelEdition工程樣板雖然還屬於A02.1的晶片組版本，不過已經可以正確支援PentiumD雙核心處理器，測試過程也相當地穩定。

這次我們測試的主角是工作時脈3.0GHz的PentiumD830處理器，我們同時也找來了時脈同樣是3.0GHz的Pentium4530及Pentium4630加入我們的評比當中，作為對照組。

另外我們也分別開啟與關閉Pentium4530及Pentium4630的Hyper-Threading功能進行測試，這樣我們就可以比較虛擬的邏輯雙處理器與實體雙核心之間的差別。

再次強調，PentiumD處理器並不支援Hyper-Threading，所內含的是兩個真正實體的Prescott-1M核心。

而Pentium4630（Prescott-2M）除了新增EM64T與EIST功能之外，與Pentium4530（Prescott-1M）的最大差別就在L2Cache容量上，Pentium4630具備2MBL2Cache，是Pentium4530的兩倍大小。

在我們分析測試結果之前，必須再次提醒大家，參與測試的三款處理器工作時脈都相同，因此效能的差距都是來自本身架構上的差異。

在所有具備多執行緒（Multi-threaded）執行能力的測試軟體/測試項目裡頭，都可以看到Hyper-Threading及PentiumD處理器所帶來的效能增益效果。

而比較數據則可以得到證實，Smithfield實體雙核心的確比Hyper-Threading所模擬出來的邏輯雙處理器來得優越許多，效能差距非常明顯。

如果拿可以同時接受4個執行緒的PentiumEE來比較的話，那差距會更明顯，因為PentiumEE結合了實體雙核心及邏輯雙核心的優點於一身，容筆者待日後取得PentiumEE840處理器的時候，再來補足這部份的數據。

另外筆者也刻意挑選了兩個單執行緒設計的測試軟體（N-Bench3.1及SuperPI）來作個示範，在這類測試軟體或應用程式底下，不論Hyper-Threading或雙核心處理器都佔不了什麼好處，跟關閉HT或單核心處理器的表現幾乎一樣。

因此，雙核心處理器的發展可說與應用軟體或使用模式有著莫大的關連，唯有在多執行緒軟體或多工作業環境底下，才能彰顯雙核心或多核心處理器的優勢。

舉例來說，目前PCGame大體上都還是單執行緒的設計，因此能從雙核處理器上獲得的好處並不明顯。

要具體說明多執行緒軟體的執行狀態並不容易，因為執行緒的概念有點抽象，不過如果我們觀察一下CineBench2003的測試場景，應該就能一目瞭然了。

CineBench2003利用CINEMA4D這套3D繪圖軟體的著色引擎來測試CPU的運算效能。

單執行緒的狀況下，程式由上而下依序進行3D場景的著色運算；在多執行緒的環境下，每個執行緒開始從3D場景的不同部分同時地進行著色，平行處理的概念在這裡表露無遺。

雖然最後都能完成這個場景的著色工作，但是平行處理的好處就在於「節省時間」，也就是多執行緒運算之所以能提高效能的關鍵！

▲單執行緒由上而下依序著色3D場景