AMDAthlon64位微处理器体系结构.docx
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AMDAthlon64位微处理器体系结构
AMDAthlon64位微处理器的体系结构
完成人：
吕晴03级5班033344
甘爱梅03级5班033349
徐彦03级5班033348
完成时间：
2006-6-8
摘要：
信息技术的飞速发展，32位计算平台在越来越多的高端应用中显得力不从心，而64位时代的到来，无疑是广大用户的福音。
本文详细介绍了AMD这个全球知名处理器制造厂商所制造的64位最新微处理器产品――Athlon，并从各个方面综合的比较了Athlon与苹果公司，Intel公司产品的差别所在，指出了64位高端微处理器的未来发展方向。
一引言
随着计算机应用的不断深入和半导体芯片制造水平的提高，计算机的应用正在向64位计算演进。
目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。
其中IA-64是Intel独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于Itanium（安腾）以与后续产品Itanium2。
这里的64位技术是相对于32位而言的，这个位数指的是CPUGPRs（General-PurposeRegisters，通用寄存器）的数据宽度为64位，64位指令集就是运行64位数据的指令，也就是说处理器一次可以运行64bit数据。
64bit计算主要有两大优点：
可以进行更大范围的整数运算；可以支持更大的内存。
本次课程报告第一部分介绍64位微处理器地市场背景。
第二部分介绍AMD公司针对64位微处理器的产品特点，主要围绕其公司64位研发历史和研发理念，第三部分详细介绍Athlon的制造工艺和产品特点，第四部分涉与到AMD公司产品和Intel，Apple公司产品的比较。
第五部分展望了64位微处理器的发展和突破点。
二64位微处理器市场背景介绍
微处理器是现代计算机系统核心和引擎，它不仅提供计算机系统所需的处理能力，而且能够管理缓存、内存和互联子系统、支持整个系统实现多处理器并行计算。
很多人认为目前的主流应用依然是32位软件的天下，64位系统还很遥远，而且不够实用，这种担心在两年前或许还是对的，但在目前看来，已经不必要了。
就拿目前非常流行的数字电影来讲，每一幅细腻逼真的动画画面都离不开高性能的电脑支持。
观众所看到的每一秒的情节大约由24帧画面组成，而每一帧画面就需要50G以上的数据容量。
面对如此庞大的数据量，仅能够支持4G内存容量的32位计算平台已经远远不能够满足应用的需求。
时至今日，32位的系统和应用从386开始已经10年有余了，这种应用已经高度成熟化，但同时这也意味着它已无潜力可挖了，向64位计算平台的过渡已经迫在眉睫。
为了解决企业客户对高运算性能，高可靠性和可用性的需求，64位计算平台应运而生，并在企业计算中得到广泛的作用。
64位技术揭开了信息时代的新篇章，支持全球性Internet和电子商务的大型网站、破译人类基因密码、数字技术的广泛应用、全球性的天气和灾害分析预报、人类对外层空间的探测都离不开各种基于64位微处理器的计算机系统。
64位技术的广泛应用促使数据量爆炸性地增加，推动信息技术应用发生新革命、进入以存储为中心的新时代。
64位微处理器是一种用于装备高端计算机系统的芯片。
这种芯片虽然产量比IA-32体系结构的X86系列为代表的32位芯片少2个数量级、价格也很昂贵（一个芯片的价格往往相当于一个高档的PC机）。
但是，用它来装备的高档计算机系统的市场高达几百亿美元，再加上相关联的外设、存储系统、应用软件和服务市场，规模就更大了。
64位芯片的市场竞争涉与到整个高端计算机市场、大规模信息技术应用领域的竞争。
再加上企业级系统的外围服务器、客户机的选型也往往受到数据中心大型服务器的影响。
因此，可以说除了目前已经作为消费品的家用PC市场外，64位芯片是整个信息技术和计算机应用市场竞争的焦点，是各大计算机厂商必争的兵家要地。
目前主流CPU使用的64位技术主要有AMD公司的AMD64位技术、Intel公司的EM64T技术、和Intel公司的IA-64技术。
其中IA-64是Intel独立开发，不兼容现在的传统的32位计算机，仅用于Itanium（安腾）以与后续产品Itanium2。
但是，RISC技术的复杂性、各厂商产品的封闭性和垄断性，又阻碍了进一步发展。
人们开始意识到开放式系统的观念应该深入到处理器的层次，而不是仅仅停留在计算机和操作系统的层次上。
因此，一个开放式的64位处理器，将会引导整个IT产业的革命，进一步深化开放式系统的发展，成为装备高端计算机系统的主流平台。
自从Intel以其IA－64架构体系吹响了进军64位总线的号角开始，微处理芯片迈向了64位的时代。
自2003年下半年AMD正式发布64位处理器以来，64位计算便成为IT产业的焦点。
６４位技术拥有强大的性能优势。
受虚拟和实际内存尺寸的限制，目前主流的32位处理器在应付大量的数据流时，已经力不从心。
拥有更强寻址能力的64位处理器，配合大容量、高速度的内存，在工作频率相同的情况下，执行效能远远强于32位处理器。
目前的32位系统，可以达到的最大内存寻址能力为4GB，而64位系统的寻址能力则彻底突破了这一瓶颈，达到了令所有32位系统望尘莫与的4.5TB。
这意味着，出现内存溢出、寻址错误的几率被大大减小了，而寻址能力被大大提升了，这对于系统稳定性和运行效率的提升，都是大有裨益的。
另一方面，芯片制造技术不断提高，制造成本不断降低，台式机的内存配置每两年以GB为单位增加一倍，而价格却一路下滑。
在这种形势下，计算机系统无疑将整体向64位方向发展，这个变化将影响未来十年个人电脑发展的方向。
三、AMD的64位时代
2003年，AMD公司推出全球第一款64位个人电脑处理器，型号为AMDAthlon64FX的处理器既可确保要求极高的32位应用程序能够发挥卓越的性能，也可支持未来一代的64位软件。
AMDAthlon64FX处理器专为电子游戏玩家、个人电脑发烧友与数字节目创作人而设计，基于该处理器的电脑可令用户在电脑上通过互动方式体验令人难忘的“电影效果”。
客户在运行当前应用时将享有出色的性能，同时无需升级或更换硬件即可为迎接下一代软件做好准备。
对商业用户来说，这可以延长系统使用寿命、简化技术迁移并降低总体拥有成本。
微软、惠普、富士通、华硕、微星、海信、斯康、大恒、四通等国内外许多厂商纷纷为AMDAthlon64FX处理器提供支持，其中微软的64位windowsxp测试版已经推出，将协助AMD发挥64位处理器的强大性能。
AMD64处理器系列集成了内存控制器，使得内存的工作频率能够达到与处理器相同的水平，其反应时间也会更短。
简单的讲，就如同使加工厂的周围成为原材料的生产基地，从而大大缩减运输原材料的时间和产品成本。
另一个好处是，通过将内存控制器集成在处理器中，AMD的64位处理器可以避免由于主板芯片组上的内存控制器性能低下所引起的系统整体性能下降的现象。
即使在AMD提供的64位多处理器解决方案中，每个处理器也都会使用自己的内存控制器来连接内存，从而有效避免了处理器之间争夺总线的情况，也使得多处理器系统可以更加充分的发挥性能。
另外采用先进的HyperTransport数据传输技术的AMD64处理器架构不同于传统的南北桥式共享总线架构，具有更好的扩展性、一致性和更高的带宽（理论上可使数据传输速度提高2～24倍），如同在计算机系统内部的高速公路，大大缓解了系统数据传输的瓶颈现象。
除此之外，AMD公司CEO瑞兹表示，AMD公司计划奉行一种称之为“x86无处不在”的策略，以获得更多的客户。
这一新的策略使AMD公司能够充分利用x86架构现有的软、硬件支持。
生产运行最新版本Windows的手持设备非常容易，瑞兹在主题演讲中就展示了这样一款设备。
现有软、硬件的组合将简单新设备的开发，由于从手持机到8路服务器在内的所有设备都使用基本相同的硬件和软件，将大大减轻企业IT部门的工作量。
经过近一年的努力，AMD在64位计算上基本形成了初具规模的产业结构，64位产品市场逐步形成。
围绕着64位计算的广泛应用也初现端倪。
在软硬件条件基本具备的情况下，国外市场关于AMD64位的硬件产销已有了较大增长，有报道称在美国Emachine基于64位处理器的笔记本单月销量近万台。
四、Athlon详细介绍
4.1Athlon64的3大区分特征
Athlon是我们所熟知的CPU品牌，在此基础上AMD公司推出了新一代的处理器Athlon64。
Athlon64是第一款基于X86指令的64位处理器，它的内在三大特征区分了目前市面上不少于12款的该类处理器。
1）Socket类型
如今已经推出的Athlon64处理器的socket类型主要分为757以与939两种。
这个数字对应于处理器针脚的数目。
当然，Athlon64Socket939多出来的185根针脚不仅仅是摆看的，而是要控制第二条64bitDDR内存通道。
如果Socket754控制单条64bit通道上的PC3200内存拥有3.2GB/s的带宽的话，那Socket939就控制两条64bit通道上的内存，拥有累积GB/s的带宽。
在实际应用中性能提升从0％到7％不等。
2）时钟频率
处理器的时钟频率主要通过每秒的周期数量来表示。
它根据型号的不同，分为从1800MHz到2600MHz不等。
此外，缓存大小也是一个重要指标。
最初所有的AMD处理器除了128KB的L1缓存之外，还配备了1024KB的L2缓存。
然而AMD很快就更改了这个配置，后来它们都只装备了512KB的L2缓存，但是频率有所提高。
现在只有高端产品配备了1024KB的L2缓存。
与相同频率的512KB处理器相比，性能提升（根据应用程序的不同）从0％到5％不等。
3）制造工艺
第三个差别在于其制造工艺到底是130nm还是90nm。
对于相同数量的晶体管，更小的制造工艺使得减小Die大小成为可能，理论上还能够减少电消耗。
九月份，AMD悄悄地发布了第一款基于Winchester核心的Athlon64，采用90nm制造工艺。
跟先前130nm的Newcastle一样，这些处理器配备了512KB的L2缓存。
由于更小的制造工艺，Die大小被从150mm2缩小到83mm2，使得相同的晶元有可能多生产75％的处理器。
这个生产成本的降低是有意义的。
虽然基于新制造工艺的处理器最初将具有较低的产能（加上故障产品的数量），但到最后，制造工艺中降低的成本总是有利的。
4.2Athlon核心介绍
核心（Die）又称为内核，是CPU最重要的组成部分。
CPU的核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。
各种CPU核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元，都会有科学的布局。
为了便于CPU设计、生产、销售的管理，CPU制造商会对各种CPU核心给出相应的代号，这也就是所谓的CPU核心类型。
CPU核心的发展方向，是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能以与双核心和多核心等。
CPU核心的进步，对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。
Athlon64系列CPU的核心类型
1）Sledgehammer
Sledgehammer是AMD服务器CPU的核心，是64位的CPU，一般为940接口，采用0.13微米工艺。
Sledgehammer的功能强大，集成三条HyperTransprot总线，核心使用12级流水线，128K一级缓存、集成1M二级缓存，可以用于单路到8路CPU服务器。
Sledgehammer集成内存控制器，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时，支持双通道DDR内存，由于是服务器CPU，当然支持ECC校验。
2）Clawhammer
采用0.13um制造工艺，核心电压1.5V左右，二级缓存为1MB，封装方式采用mPGA，采用HyperTransport总线，内置一个128bit的内存控制器。
采用Socket754、Socket940和Socket939接口。
3）Newcastle
其与Clawhammer的最主要区别，就是二级缓存降为512KB（这也是AMD为了市场需要和加快推广64位CPU而采取的相对低价政策的结果），其它性能基本相同。
4）Wincheste
Wincheste是比较新的AMDAthlon64CPU核心，是64位的CPU，一般为939接口，0.09微米制造工艺。
这种核心使用200MHz外频，支持1GHyperTransprot总线，512K二级缓存，性价比较好。
Wincheste集成双通道内存控制器，支持双通道DDR内存，由于使用新的工艺，Wincheste的发热量比旧的Athlon小，性能也有所提升。
5）Troy
Troy是AMD第一个使用90nm制造工艺的Opteron核心。
Troy核心是在Sledgehammer基础上增添了多项新技术而来的，通常为940针脚，拥有128K一级缓存和1MB（1024KB）二级缓存。
同样使用200MHz外频，支持1GHyperTransprot总线，集成了内存控制器，支持双通道DDR400内存，并且可以支持ECC内存。
此外，Troy核心还提供了对SSE-3的支持，和Intel的Xeon相同。
总的来说，Troy是一款不错的CPU核心。
6）Venice
Venice核心是在Wincheste核心的基础上演变而来，其技术参数和Wincheste基本相同：
一样基于X86-64架构、整合双通道内存控制器、512KBL2缓存、90nm制造工艺、200MHz外频，支持1GHyperTransprot总线。
Venice的变化主要有三方面：
一是使用了DualStressLiner（简称DSL）技术，可以将半导体晶体管的响应速度提高24％，这样CPU有更大的频率空间，更容易超频；二是提供了对SSE-3的支持，和Intel的CPU相同；三是进一步改良了内存控制器，一定程度上增加处理器的性能，更主要的是增加内存控制器对不同DIMM模块和不同配置的兼容性。
此外Venice核心还使用了动态电压，不同的CPU可能会有不同的电压。
7）SanDiego
SanDiego核心与Venice一样，是在Wincheste核心的基础上演变而来，其技术参数和Venice非常接近，Venice拥有的新技术、新功能，SanDiego核心一样拥有。
不过AMD公司将SanDiego核心定位到顶级Athlon64处理器之上，甚至用于服务器CPU。
可以将SanDiego看作是Venice核心的高级版本，只不过缓存容量由512KB提升到了1MB。
当然，由于L2缓存增加，SanDiego核心的内核尺寸也有所增加，从Venice核心的84平方毫米增加到115平方毫米，当然价格也更高昂。
4.3Venice核心特点介绍
接下来将详细的介绍Athlon中Venice核心的特点：
DualStressLiner（DSL）技术
晶体管越微细化，运行速度就越高，但同时也会引发泄漏电流增加、开关效率降低，从而导致耗电和发热量的增加。
而DualStressLiner通过向晶体管的硅层施加应力，同时实现了速度的提高与耗电量的降低。
换句话说，DSL能改变硅之间的原子格，从而让晶体管获得更快的响应时间与更低的热量。
在一种情况下硅原子是被“拉开”的，而在另一种情况下则是“挤在一起”的，这通过把它们移到一个具有要么伸展，要么压紧的原子格的氮化物封闭层上来实现。
与Intel使用的应变硅不同，来自AMD和IBM的DSL能够被用于两种类型的晶体管：
NMOS和PMOS（具有n和p通道）而无需使用极难获得的硅锗层，硅锗层会增加成本，并且有可能影响芯片的产量。
图为：
DualStressLiner（DSL）技术
DSL这种双重性性，让它可以将晶体管的响应速度提升24%。
并且更重要的是，AMD和IBM这项新技术对产量与生产成本并没有任何负面影响。
由于在生产时无需使用新的生产方法，所以使用标准生产设备和材料便可迅速展开量产。
另外，配合使用硅绝缘膜构造（SOI，绝缘体上硅）与应变硅，还可生产性能更高、耗电更低的晶体管。
新的Venice处理器核心是AMD第一款应用DualStressLiner技术的桌面处理器。
这项新技术与目前的SOI技术共同使用可以让基于Venice的处理器能够达到更高的核心工作时钟频率。
AMD工程师们预料，DualStressLiner和SOI一起结合可以让Athlon64处理器的频率潜力有大约16％的增长。
换句话说，基于Venice的CPU应该拥有达到2.8GHz的标称频率。
2、支持SSE3指令集
Venice处理器核心所支持的SIMD指令集有所扩展。
目前基于Venice核心上的Athlon64已经提供对SSE3指令的支持,但是SSE3并不是一个完整的指令集，仅仅只是SSE2指令集的扩展版本。
因此，Venice所支持SSE3指令集包括11条新指令：
（1）ADDPS，HSUBPS，HADDPD，HSUBPD
这几条是优化命令，它们能有效地优化标量向量乘积的计算，可以对程序起到自动优化的作用。
这些指令对处理3D图形相当有用。
（2）ADDSUBPS，ADDSUBPD，MOVSHDUP，MOVSLDUP，MOVDDUP
这几条属于数据处理指令，这些指令可以简化复杂数据的处理过程，由于未来数据处理流量将会越来越大，因此Intel在这里应用的指令集最多、达到了五条。
（3）FISTTP
这属于数据传输命令，它有利于x87浮点转换成整数，并可以大大提高优化的效率。
（4）LDDQU
这属于特殊处理命令，这条指令主要针对视频解码，用来提高处理器对处理媒体数据结果的精确性。
因此，基于Venice核心上的新Athlon64处理器是目前支持最多SIMD指令集的处理器，包括3DNow!
，SSE2和SSE3。
从技术上来看，SSE3对于SEE2的改进非常有限，我们不应该期望SSE3指令集能为新Athlon64带来大幅度的性能提升，而且性能提升也需要有软件支持为前提。
3、改良的整合内存控制器
每推出一款新Athlon64处理器核心，AMD工程师都会改良一下它们的整合内存控制器。
虽然这可以在一定程度上增加处理器的性能，但更主要的是为了增加内存控制器对不同DIMM模块和不同配置的兼容性。
基于Venice的Athlon64处理器能够没有任何限制地与四条单面DDR400SDRAM内存一起运行，并且如果安装了双面DDR400SDRAMDIMM的话，它们能够以2T时钟工作在400MHz下。
除了Venice内存控制器的兼容性得到改进外，内存控制器的性能也有显著的提升。
在Venice运行在性能最佳模式时优，我们明显感受到增强型硬件数据预取和更多的写入联合缓存区（4个代替2个）所带来的性能提升。
所有这些改进正是基于Venice核心的Athlon64处理器在同频下能胜过旧核心的原因，并且如果在系统中安装了四条内存模块的话，那性能提升将会更为明显。
五、Athlon与PowerMacG5、Itantium之比较
5．1AthlonVSPowerMacG5
“拥有PowerMacG5，您就可以在这台世界上最快的个人电脑中顺利的运行各种程序了！
”这是Apple商业广告，说明Apple和AMD已经开始在个人电脑中引入了64位技术，这可以与intel18年前掀起的那场个人电脑革命相提并论，当时intel在16位的个人电脑世界中推出了第一颗32位处理器i386。
对于Apple和AMD这两家公司来说，迈出这一步是非常必要的，因为旧的处理器设计已经快黔驴技穷了，AMD在Barton内核的AthlonXP处理器中，采用了400MHZ的存储总线，并把二级缓存增加了一倍，而在intel的顶级处理器产品中，并没有这样做，另一方面，AMD研发出了64位的处理器“Hammer”。
AMD的基本设想是：
对用于服务器的处理器进行改造，让32位的桌面系统可以在其上运行，并以此来对抗intel的64位处理器Itanium。
现在，用户如果要更换旧的电脑，那么他们会立即选择一个能够在32位技术下得到明显性能提升的电脑，因此，AMD和Apple就必须使用有效的方法来满足用户对这种性能提升的要求。
Apple把处理器的频率从1250MHZ提高为1600到2000MHZ，AMD则把其64位处理器的二级缓存的数量提高了一倍，还增加了对intel的SSE2扩展指令集的支持。
AMD的处理器设计把内存控制器从主板的北桥芯片中移到处理器中，这样就缩短了处理器和内存之间的通信时间，因此系统也就具有了更高的内存吞吐能力，把不兼容性降到了最小的程度。
可以在目前的32位平台下奇妙的平稳运行，是64位的Athlon在技术上的革命性跨越。
原则上，64位处理器不是新事物，只是到目前为止他们都是在服务器的环境下使用。
这样的处理器，比如intel的安腾，无法运行64位系统之外的程序，因此无法满足家用的需要。
AMD目前大约占有pc处理器市场的16％，如果与intel进行成本竞争，它要付出的代价相当昂贵，而血球技术引导的策略无疑可以开辟一条捷径。
而且Athlon处理器现在支持DDRII，在服务器市场，AMD利用64位Opteron处理器与曙光携手建造了每秒10万亿次的超级计算机“曙光4000A”。
与Athlon64和Athlon64FX具有同级别性能的还有扬智（Ali）的M1687和威盛（VIA）的K8T800芯片组，三者在对等测试中不相上下。
但是，Athlon64击败了Apple的PowerMacG5,这种均衡时间上不可避免的发生了倾斜。
因为对于目前的64位平台，市场缺少针对64位优化的应用软件才是关键，AMD的胜出显然赢得了宝贵的软件开发周期。
5．2AthlonVSItantium
之前我们分别介绍了AMD公司和Intel公司的64位微处理器产品，这里，我们可以看到这两家公司在研发64位微处理器上所走的不同方向。
在x86从32位向64位的扩张过程中，Intel和AMD第一次在指令系统这样的根本方面产生了重大区别。
我们知道，从80386开始，指令系统的决定权一直在Intel手中，AMD只能生产所谓的“兼容”处理器，也就是说标准是Intel定的，AMD只是靠着与Intel的交叉授权，依靠自己的勤奋努力，在处理器市场上占有一席之地。
在企业市场上，传统上是RISC厂商和UNIX的天下，Intel想要打进去，并获得与在个人电脑上同样的成功，简直是它梦寐以求的事情。
因为AMD64位处理器的名气实在太大，所以大家似乎都觉得AMD是64位计算的领跑者，其实客观来讲，Intel进军64位处理器比AMD还要早一些，只不过它的策略有所不同。
Intel并不认为个人和移动领域需要64位的体系结构，同时，觉得把x86扩展到64位来与64位厂商的RISC系统拼在声势上要弱一些。
而且，Intel想要在64位企业计算领域一支独秀，也不想把AMD这
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