一代CPU王者的發(fā)展簡史：從技壓英特爾的x86-64位技術(shù)到全新的 Ryzen 架構(gòu)

　　同步多線程，徹底發(fā)揮 CPU 核心的計(jì)算能力

　　在 2008 年，Intel 將其 Hyper-Threading 的技術(shù)重新導(dǎo)入 Core i 系列 CPU，也就我們現(xiàn)在所熟知的 i3、i5、i7 處理器。所謂的 Hyper-Threading，便是在一個(gè) CPU 核心內(nèi)部在將其分成兩份。然而，究竟是如何將 CPU 切成兩份呢?根據(jù) Intel 于 2002 年所發(fā)布的Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture便可略知一二。

　　在論文中，Intel 便給出了兩張比較圖。兩個(gè)核心最主要的差異，在采用 Hyper-Threading 技術(shù)中的 CPU 中，Architecture State 單元會(huì)比一般的核心多一個(gè)。大致上，Architecture State 單元包含了多數(shù)的暫存器以及中斷訊號的控制器等，用以記錄執(zhí)行緒執(zhí)行的資訊，是無法被共用的資料。

　　▲ 左圖為未采用 Hyper-Threading 技術(shù)的 CPU Cores，右圖則是采用了 Hyper-Threading 技術(shù)的 CPU Cores，其中，兩者間的差異為一個(gè) CPU Core 中有不同數(shù)量的 Architecture State 單元。(Source：Intel Technology Journal Vol. 1)

　　因此，在采用這個(gè)技術(shù)之后，只需要額外的 5% 面積，便可以達(dá)成更高的指令集平行化，讓 CPU 盡可能地滿載，釋放 CPU 所有的潛能。根據(jù)這一篇論文中所提供的數(shù)據(jù)，采用這一項(xiàng)技術(shù)后，在多執(zhí)行緒的執(zhí)行情況下，將可帶來將近 30% 的效能提升，相當(dāng)驚人。

　　做為應(yīng)對，AMD 于 2011 年推出 Bulldozer，其采用的并非是 Intel 所使用的 SMT 技術(shù)，而是 Clustered MultiThreaded(CMT)技術(shù)。此技術(shù)是將一顆 CPU 內(nèi)部的整數(shù)執(zhí)行單元復(fù)制一份，讓 CPU 具備在同一核心內(nèi)部執(zhí)行兩個(gè)執(zhí)行緒能力，在后續(xù)要擴(kuò)增核心的計(jì)算能力上，相當(dāng)?shù)娜菀祝枰男薷南鄬Φ妮^少。

　　然而，其缺點(diǎn)便是沒有辦法共用執(zhí)行單元，無法享有 SMT 中最重要的優(yōu)點(diǎn)，用兩個(gè) Thread 盡可能讓執(zhí)行單元不會(huì)有空閑狀態(tài)。此外，兩個(gè)獨(dú)立的 L1 Cache 雖然感覺在實(shí)作上會(huì)比較簡單。但是，為了要維持 Cache 的一致性，便需要擁有額外的 Core 內(nèi)部資料交換單元，大大的提升控制電路的復(fù)雜性。

　　最后，結(jié)果便是眾所皆知的，AMD 于 x86 的 CPU 市占率直直落，現(xiàn)今在中高端的筆電市場中，更幾乎看不到采用 AMD CPU 的產(chǎn)品。就在 AMD 要消失在市場之中時(shí)，Zen CPU 的消息傳出!

　　Ryzen CPU，硬件架構(gòu)的重新設(shè)計(jì)

　　在 2012 年，K8 的主要硬件架構(gòu)師 Jim Keller 回到 AMD。這一次，他的回歸，讓 AMD 重返榮耀的聲音響起。是否新的 CPU 可以再現(xiàn) K8 的傳說?這一次的 Ryzen CPU 和先前的 AMD CPU 有何差異?

　　將底層硬件架構(gòu)做比較，可以發(fā)現(xiàn) Ryzen CPU，取消了 Bulldozer 所提出的 Integer Cluster，并以類似 Intel Hyper-Threading 的技術(shù)取而代之。如此便能讓 CPU 盡可能地達(dá)到滿載的狀況。

　　此外，新的 Ryzen CPU 也引進(jìn)了 Intel 于 Sandy Bridge 架構(gòu)開始采用的 Micro-op Queue，以減少重新 Decode 的需求，提升單次可執(zhí)行的指令數(shù)。借由更多先進(jìn)的技術(shù)，讓 AMD 得以獲得大幅度的效能提升。也因此，AMD 公布 Ryzen CPU 其每個(gè)周期可以執(zhí)行的指令比前一代 CPU 多 52%，改善幅度相當(dāng)大。

　　至于實(shí)際的 Ryzen CPU 效能如何呢?現(xiàn)在已經(jīng)有相當(dāng)多的評測文章將 Intel Kaby Lake 系列和 Ryzen 系列 CPU 做比較，在這不再多做評比。不過，在一般的應(yīng)用上，AMD 的 CPU 不會(huì)再像之前的 CPU，看不到 Intel CPU 的車尾燈。

　　▲ AMD 于 2016 年 HOT CHIPS 上所發(fā)布的架構(gòu)圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，新的架構(gòu)取消掉 CMT 的技術(shù)，讓 CPU 核心變得較不復(fù)雜。(Source：AMD)

　　至此，我們已經(jīng)看完了兩大 x86 巨頭間的廝殺，同時(shí)在短短的 17 年間，CPU 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)采用相當(dāng)多的技術(shù)，以滿足與日漸增的計(jì)算需求。千禧年后 CPU 的發(fā)展簡史，讓我們見證了一代 CPU 王者的興起沒落以及歸來。

　　▲ 從圖中可以發(fā)現(xiàn)在 AMD Bulldozer 中，一共有兩個(gè)整數(shù)運(yùn)算單元，此技術(shù)便稱為 Clustered MultiThreaded。(Source：By Shigeru23 (Made by uploader (ref：[1]， [2]， [3])) [GFDLor CC BY 3.0]， via Wikimedia Commons)