PCDVD數位科技討論區 - [轉貼兼考古]緬懷我們的童話 NetBurst的成功與教訓

轉自中關村
連結我搞丟了 :cry:

結論就是...
Netburst其實是很先進的, Prescott失敗不是單純Netburst的關係, 而是其它環節的問題
各位參考一下

緬懷我們的童話 NetBurst的成功與教訓

謹以此文與大家一起交流。如有錯誤的地方，還望指出。
　　在CORE上市半年以後，終於在去年底看到了Intel將於2007年底全部停產基於NetBurst架構CPU的消息。但就在一個月前，IBM也暴光了他的下一代POWER6處理器的更多細節——如果有人仔細研究過這些細節，大概會得到一個另人吃驚的資訊——POWER6的架構與NetBurst有著眾多的相似之處！

　在網路上經常可以看到對NetBurst（Pentium4）的斥責以及對K8（Athlon 64）與Core(P8?)的褒獎。也經常可以看到諸如“長流水線低能論”，“高頻無用論”之類的說法。伴隨著主角的離去，它將漸漸的變為只在人們記憶中的存在。但錯誤的認識不應隨著它一起被封存起來。終歸，是時候為它“蓋棺定論”了。

自從2000年Willamette核心的Pentium 4問世以來。Intel已經相繼推出了NorthWood、Prescott等等一系列的基於NetBurst架構的處理器，由此衍生出眾多如Pentium 4、Celeron 4/D、XEON、Pentium D/EE等型號的CPU。NetBurst架構壟斷Intel的主流民用級CPU設計長達6年之久，算的上史上壽命最長的微構架之一。
我常常用工廠車間與工人來比喻CPU的流水線設計，雖然也許不夠確切，但也還算直觀。如果用它來形容NetBurst的思路，那就是一個“大艦巨炮”主義下的設計。
　　為一塊CPU（工廠）提升處理能力，最重要的是什麼呢？解決這個問題有著很多的思路，而NetBurst的思想很明確，那就是提升處理器流水線的級數，這個做法相當於是在工廠裏塞進大量的工人。從最初的Willamette，到末期的Prescott，Intel不斷地增加CPU的流水線級數，最終達到了驚人的31級,這比上一代的圖拉丁PentiumⅢ已經多了3倍!

增加流水線級數的好處是顯而易見的，它使得CPU潛在的處理能力有著大幅提升，但也有著很多缺點。我們再拿工廠做例子：如果Prescott是一條流水線，這條流水線上有31位工人，每個人都負責相對較輕的任務，例如第一個人打開蓋子，第二個人擰上螺絲，第三個人......流水線越長，運算就越簡單。這樣的設計對付大資料的任務非常有效，但是對付小資料量的簡單任務時，則有“殺雞用牛刀”的味道。事實上，我們日常用到的指令，多數都是簡單指令，在處理這樣的指令時，超長流水線的設計會存在很大的延遲，單週期處理的指令數有限，效率不高。為了改善這一狀況，唯一的辦法就是提高流水線的速度，減短處理的週期，這樣做的直觀的表現就是CPU的頻率大幅提升。

簡單地總結一下，NetBurst的設計思想無非是三點：低效（相對）、高頻、長流水線，對於“通用型處理器”來講，這樣的設計可以在保持高性能的情況下兼顧各種情況下的運用。單純就思路來說是很容易說明的。但要將這個想法轉化為現實，卻是一件困難的事，就當初的設計水準來講，為NetBurst從紙面到成品的轉變，Intel付出了長期而艱辛的努力。
起初，Intel對NetBurst抱有極大的信心。實際上，在今天受到眾多用戶追捧的Core 2 Duo（以及它的前輩Pentium3、PentiumM）的P8(?)、P6架構，在當時看來只是一種用來過渡到NetBurst的東西,單純從設計思想上分析，兩種架構的優劣很容易看的出來。
　　在長久的等待後，2000年，Intel發佈了第一代的Willamette核心的Pentium4，並大肆宣傳NetBurst的先進性。但是現實卻給了Intel一個不小的打擊，這種打擊不僅來自于它的對手AMD的K7，也來自於Intel自己。雖然Willamette核心的Pentium 4的頻率已經達到了1.7GHz，但是有測試表明，它的性能還不如上一代的PentiumⅢ（圖拉丁）。為了擺脫在民用市場上兩代CPU自相殘殺的尷尬局面，Intel甚至將圖拉丁PentiumⅢ“升格”為伺服器用的“PentiumⅢ-S”，但是這一切的作為都無濟於事。

從今天看來，Willamette是NetBurst實踐的初代產物，在設計上很不成熟。當初受到毒龍頻率首先突破1GHz的刺激，從Willamette開始追求更高的頻率。受限於當時的180nm工藝及平臺的限制，過小的L2以及還是不夠高的頻率，加上不成熟的Socket423介面，使得Willamette飽受批評。
　　這裏要向大家解釋一下L2對於Pentium 4的重要性，經常看到有人拿Athlon 64與Pentium 4的L1、L2直接進行比較。實際上，因為Athlon 64集成MC（記憶體控制器），拿兩者直接對比毫無意義。Pentium 4採用較小的L1，並引入了一級追蹤緩存來代替一級資料緩存，如果以鏢來比喻L1，那麼L2便是靶子，大的L2可以大幅提高資料的命中率。
　　Intel並沒有因為起初的不順而放慢腳步，在接近兩年的研究後，於2002年1月推出了新的NorthWood（北木）核心，“北木”被認為是Pentium4系列裏最成功的一個架構。

　隨著新的130nm工藝引入、前端匯流排的飆升、HT超線程技術、以及雙通道DDR記憶體的出現，這都幫助Intel在北木時代開始鑄造經典的Pentium 4形象。事實上就性能來說，北木已戰勝了K7-巴頓。如果不是市面上大量出現了廉價白板巴頓2500+，也許AMD的歷史就該重寫了。
　　事實上在流水線的設計上，北木與威廉幾乎完全一致。但是性能上卻差距很大。這也從側面證明了流水線的長短與處理器性能不直接掛𦏸，如果有合適的環境，NetBurst將有更大的發揮空間。
　　威廉與北木“兩代”架構充分的論證了NetBurst的可行性，也大大增加了Intel繼續研發NetBurst的信心。在兩年後，2004年2月，末代Prcscott核心Pentium 4問世。這同樣是一個經典的架構，但恐怕也將是歷史上受爭議的架構之一。
　　Prcscott採用了90nm制程，31級流水線的設計，集成了更多的電晶體，頻率也飆升至3.8GHz。自發佈以來使用至今，並根據介面、制程、單雙核的區別衍生出了Smithfield、Presler、Cedar Mill等幾個架構。其中65nm的Presler、Cedar Mill，將是NetBurst最後的版本。
　　因為有了北木成功的經驗，人們對Prescott抱有很高的期望。但是P4 E系列的表現卻令人大跌眼鏡。雖然有更大的L1、L2緩存、更先進的90nm工藝、塞進了更多的電晶體、採用了更長的流水線，但同頻率下的P4E系列與P4C系列比起來，性能提升十分有限，甚至有一定退步。

　　與性能有限的提升比起來，由於集成了更多的電晶體並運行在更高的頻率，Prescott的發熱以及功耗卻有不小的提升。而在同一時間，AMD推出了新的K8架構——新的Athlon 64，事實求事的講，在民用領域，Prescott系的Pentium 4與K8架構的Athlon 64相比，它的應用並不成功。
　　關於Prescott Pentium 4與K8 Athlon 64的優劣，牽扯到了太多方面的原因，不是只拿NetBurst就能講的清楚的。Pentium 4後期的不成功，其實不應將責任全部推給NetBurst。
基於NetBurst微架構的所有CPU將於2007年底全部停產，Intel也基本不再繼續對其進行開發。屈指算來，從2000年威廉的發佈到07年底的停產，它陪伴我們將有7年的時間。這7年，NetBurst為我們帶來了太多寶貴經驗與教訓，值得我們反思。這裏將以Prescott為基礎進行一些討論，其中一些內容其實無關於NetBurst，但也是Pentium 4系列發展中遇到的問題。

　　經常看到這樣的說法：“Pentium 4高頻長流水線設計，使得它的效率下降，發熱和功耗上升，資料命中率下降，錯誤率提高，流水線清空帶來的損失巨大，性能損失嚴重。”其實只要對CPU的運算原理有所瞭解，就該知道把風馬牛不相及的幾個要素拼湊在一起的這個說法是多麼的荒唐了。
　　作為一款通用型處理器，無論它架構如何，它的最終目的都是為了運行各種不同的軟體。而任務的處理就不得不提到他所處的環境與條件，要討論這個，不得不先從我們的系統環境說起。
　　如果說我們現在絕大多數人所使用的X86系統、指令集是一個很是落後的古老產物，是上個世紀才用的東西，估計會有很多人難以接受。但事實就是如此。X86原則上是逐週期，逐指令進行操作，一個週期執行一條指令。可我們的需求不止是每週期一個指令，為此，單指令多資料流程——SIMD誕生了。現在我們日常用的民用級CPU一般每個週期能夠執行3～4條指令，這對於民用級的產品來說已經夠用了。SIMD其實不難理解，例如SSE2、SSE3、3D NOW！這些都屬於SIMD。

　　在我們的日常運算裏，用的最多的無非是兩種：整數運算與浮點運算。最早時的CPU其實幾乎不具備浮點運算能力，但Pentium MMX改變了這個現狀，在加入了一個名為MMX的SIMD指令集後，CPU開始具備了初級的浮點運算能力，其實上面提到的幾個指令集，都與浮點運算有關。
　　至於整數與浮點的具體作用，舉幾個簡單的例子，整數運算應用比較多的地方，例如科學計算，浮點運算應用的比較多的地方，例如視頻處理，遊戲等。在這裏再提一下X87—整數浮點轉換指令。估計這是個讓Pentium 4刻骨銘心的名字。
　　那麼，以具體的型號來做下對比，再說Prescott Pentium 4與K8 Athlon 64的性能。就單核的同檔次產品來講，Pentium 4與Athlon 64的表現有著很大差異。如果是專業設計，3DMAX或者是播放高碼率HDTV之類的應用，Pentium 4要領先對手一大截，而如果是遊戲，Athlon 64的表現卻可以讓Pentium 4很鬱悶。經常見到有人拿“長流水線高頻率在大資料量，多工下有優勢，而遊戲講究效率。”來解釋。可是仔細想想，3DMAX可以輕載，要調動到大資料量大高要求的遊戲也不少，似乎這樣的解釋是毫無道理的。
　　業界內有一個大的趨勢，那就是加強整數運算，弱化浮點運算。Pentium4的設計實際上遵從了這個趨勢，強化X86，弱化X87。但就遊戲來講，對浮點運算依舊有著較高的需求。
　　仔細看一下Pentium 4與Athlon 64的設計，Pentium 4擁有3個整數單元（其中有兩個雙倍速的快速執行引擎，等效於4個，近日的G80也採用了類似的技術。）2個浮點單元，串列的流水線設計。Athlon 64擁有3個整數單元，3個浮點單元，3發並行的流水線設計。
　　就SIMD來說，Intel強調整數運算性能，但也推出了如SSE2、SSE3這樣的多媒體指令集（這兩個指令集並非是單純的浮點指令集，而是包含了整數與浮點）。而Athlon 64強化了X87性能，加強浮點運算能力（也許有人想提3D NOW！實際上這已經是很老的東西了，在現在的應用裏作用有限）。
　　從上面的比較中就可以看出造成兩者性能差異的原因了，這似乎與超長流水線沒有什麼關係。Intel曾推出SSE2、SSE3指令集以求加強遊戲性能，但結果卻很不成功。
　　既然談到了軟體，就不得不談“軟體優化”。再搬出工廠做比喻，一般為工廠做優化都會考慮什麼呢？工廠有幾個門，每個門多大，用什麼運輸，流水線怎麼運行，每運行一次週期有多長，有多少工人，哪個工人擰螺絲快，哪個工人擦玻璃快......要為CPU優化是件複雜的任務。CPU架構也直接影響了對它的優化設計，但超長的流水線不一定會增加優化的難度。從本人的認識看來，Prcscott的架構十分煩瑣複雜，甚至於有些怪異到難以理解，例如第11級與12級流水線間上行可以達到256bit，而下行就只有8bit。
　　這樣的設計無疑為廠家為其優化增加了難度，降低了軟體商的熱情。這就是為什麼很多對Pentium 4與Athlon 64都有深入優化的軟體（包括遊戲），P4的性能都不會輸給對方。但是畢竟這麼做的廠家並不多，Prcscott的不成功，軟體是一個很重要的原因。
　　在X86繼任者的問題上，Intel選擇了IA64，而微軟選擇了X64。當初Intel宣稱威廉是末代X86 CPU，顯然沒有預料到今日的X86-64，IA32（EM64T）。雖然至今我們都沒有從“偽64位”技術中獲得多少實質上的性能。
末期的Pentium 4的發熱與功耗令人詬病，有很多人將它直接與長流水線的設計掛𦏸，認為長流水線是導致高熱高能的原因。其實不然，發熱，功耗與流水線設計沒有任何直接關係。真正決定功耗和發熱的主要是三個物理要素：集成的電晶體規模、晶體頻率、制程工藝（電壓）。其實要說明這個很簡單，只要拿同制程，同頻率、集成電晶體數目相近的Athlon 64與Pentium 4比較一下就可以很容易看的出來。在早期的威廉和北木核心時，Pentium 4的發熱功耗其實都處於一個合理的範圍裏，長流水線的設計，只是提供了一個大的頻率的伸縮空間而已。

　　在網上一直流傳著“超長流水線清空帶來的性能損失大幅降低Pentium 4性能”的說法。的確，這樣的設計帶來較高的延遲，每當錯誤發生清空流水線帶來的損失也比較大，但是是否是因為這個原因造成了CPU的性能下降？這個問題有待商榷。
　　其實從NetBurst設計初始，Intel就考慮到了這個問題，並且採用了多種設計去降低它所帶來的影響。如亂序推測執行、高動態執行、縮短任務所需的指令、採用追蹤緩存等。其實有很多都並非是NetBurst獨有的。這裏只簡單的講一下一級追蹤緩存。
　　通常來說，一級緩存包括一級資料緩存與一級指令緩存。其中指令緩存負責及時解碼的工作。一級追蹤緩存除了充當了指令緩存解碼的工作外，還可以儲存解碼後的微指令（μOps）。這樣可以減少重複運算，減輕CPU在高負荷時的解碼壓力。事實上，μOps的運用，並沒有達到Intel當初預想的程度。
　　實際上，Pentium 4清空流水線的損失率並不高於Athlon 64。雖然每個週期的損失Pentium 4要大，但是因為Pentium 4的週期短（頻率高），所以在同一段時間內，兩者的損失差距很小。其實要推翻這個說法很簡單，Prcscott比NorthWood流水線長了10級，豈不是損失率要比NorthWood高很多？事實上，同頻率的Pentium 4C與Pentium 4E的損失率基本是相等的。
　　伴隨著Pentium 4的發展，從NorthWood開始出現了“超線程”技術（Hyper-Threading，HT）。單純從技術上來說，這雖然算不上革命，但也能算的上是大幅度的革新。不過它的出現純屬無奈，Pentium 4使用時往往有大量的閒置資源，效率不高。為了解決這個問題，Intel為Pentium 4添加了一段邏輯電路，使他可以類比出另一個獨立的核心來。雖然距離真正的雙核心差距比較遠，但是這種設計思路確實值得稱讚。就它的應用來看，在軟體的配合下，打開HT後CPU性能往往有30%提升。但是在民用軟體裏很少有能用的到它的地方。此外有時打開HT反而性能會下降（這與追蹤緩存不夠大有關）。具體的內容，在這裏就不多做介紹了。
　　NetBurst已經漸漸離我們遠去，在相當長的一段時間內，我們將無法在桌面級民用市場看到類似的產品。儘管NetBurst末期的產品算不上成功，但是這並不妨礙他的設計思想即使在今日也稱的上先進。CPU是一個多元的世界，硬體，軟體，市場，每個因素都不能忽略。我們將懷念NetBurst的成功與教訓，一起開拓明日的世界。