【CPU】載不動許多愁，推土機架構失利深入分析

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名望的勇者

電梯直達

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發表於 12-6-16 10:01:35 |只看該作者 |降序瀏覽大字中字小字正體化简体化

　　AMD的推土機架構公佈之時絶對讓人震驚，被譽為自X86體系確立以來架構變化最大的一次，模組化的設計思路很新穎，當時一片叫好之聲。可惜理想很豐滿，現實太骨感，等到真正的推土機上市時，推土機帶給人們的只是失望。　　實際性能上推土機不僅比不過Intel Sdandy Bridge架構，甚至不如自家上一代Phenom II，而功耗和發熱又大幅超出，推土機沒有帶給AMD復興的榮耀，反倒成了滑鐵盧。時至今日，AMD官方多次用CPU性能過剩來安慰自己和客戶，這話不無道理，但是AMD在CPU性能上暫時無力跟Intel爭雄了，最簡單的例子就是國內外各大IT媒體的評測平台基本上都是Intel CPU和主機板了。

圖片來源於Techreport

　　即便過去了這麼久，推土機性能不濟一事依然沒有準確合理的解釋，各方總結起來的原因主要有以下幾點：
1.GlobalFoundries工藝不成熟
　　雖然FX-8150的預設頻率已經達到3.6GHz，Turbo頻率4.2GHz，但是這仍然低於AMD預期，而且GlobalFoundries並不成熟的32nm SOI工藝使得推土機的功耗和發熱巨大，進一步限制了CPU性能提升。
2.軟體最佳化不到位
　　推土機模組化的設計需要系統和軟體的最佳化，否則難以發揮真正的性能。這方面微軟已經推出了任務調度補丁，根據我們的測試，性能確實有一定提升，但是比率非常小，並不足以改變推土機的命運。
3.推土機架構的快取延遲太高
　　還是推土機獨特的架構所致，因為它也使用了長管線設計，被稱為AMD版的Pentium 4，延遲周期太高，有人認為這是性能失利的主要原因，但是從媒體測試Trinity APU的表現來看，即便是做了改進的Piledriver(二代推土機架構)的IPC性能也沒有改變多少。
　　其他理由還有很多，但是這都不是主要原因。Anandtech網站近日撰文分析了推土機架構兵敗的原因，原文很長，這裡只摘錄結論來看。
　　首先他們也認為推土機的高延遲對桌面應用有一定影響，但是這並非導致性能受影響的主要原因，因為Intel首次使用4周期延遲的Nehalem並不比上一代Penryn架構快多少。

主流CPU架構的L2分支預測延遲

尋找元兇：分支預測誤預測懲罰及指令快取命中率
　　在經過對比測試之後，Anandtech認為影響推土機性能更嚴重的是其分支誤預測(Branch Misprediction)帶來的後果以及指令快取命中率(Instruction Cache Hit Rate)問題，這才是主要影響因素。

分支預測性能測試

　　推土機跟Sady Bridge一樣都是長管線設計，但是後者針對可能的分支誤預測做了補救措施，有專門的µop快取以減少預取和解碼過程中的延遲。性能低於預期的SAP、SQL Server以及更嚴重的SPEC CPU2006測試中都表明了推土機在分支誤預測上有嚴重問題。
　　前面的測試證明了AMD推土機工程師在分支預測性能上做的不錯，但是分支誤預測上就不如Intel SNB架構了，即便是Trinity APU使用的Piledriver也沒有明顯改進，性能變化只有1%左右。
　　不知AMD是否會在未來的架構設計中也增加µop快取，它可以減少分支誤預測帶來的懲罰，節省能耗，並給解碼單元減少負擔，看起來是很完美的設計。
　　另一個問題是L1指令快取似乎並不能適應雙執行緒操作，測試中只要在2-way 64KB L1指令快取中進行雙執行緒操作，命中率就明顯下降，看來推土機的模組化設計中快取的結關聯性還是太低，而Intel的做法是雙執行緒應用中使用8-way關聯性快取。
桌面性能以及伺服器性能的平衡
　　文章最後還談到了推土機的設計思路，這是AMD為什麼採用這樣的設計的出發點，因為推土機並非針對桌面應用設計，伺服器負載才是重點。
　　桌面應用要求更高的IPC性能，對分支預測敏感，但是對執行緒數量要求比較低，這些恰好不是推土機的強項，AMD只能使用提高CPU頻率以及Turbo頻率的做法來滿足高級玩家的需要，原本的目標是同功耗下頻率至少要高20-30%，但是最終的結果是隻高了10%，而且功耗也大幅飆升。

伺服器應用是推土機架構特性發揮比較好的領域

　　伺服器應用才是推土機架構最擅長的領域，SPEC CPU2006的測試中推土機表現就很好，這裡對CPU IPC性能不慎敏感，就算CPU的命中失誤比較高，延遲方面所受的影響也比較小，但是它對CPU並行、記憶體占用要求比較高，因此推土機高延遲但是大容量的L2快取在測試中表現就很好。
　　無論那種理由或者缺陷導致了推土機桌面性能不濟，目前的現實就是除非架構有較大變化，否則基於推土機架構演變而來的AMD處理器依然難以跟Intel相提並論。在這一代失利中，不知AMD心裡是否真的不在意CPU性能了，因為他們的重心轉向了APU這樣的全功能、低成本處理器。
　　從實際應用上看AMD的CPU性能過剩論確實很有道理，隨便一顆3GHz左右的雙核或者四核都可以滿足目前的軟體和遊戲需要，但是仍然不希望也不願看到CPU領域是Intel一家獨大，只是推土機架構的CPU路線圖已經延伸到了2015年，未來兩三年內都不會看到AMD有新架構CPU發布，前景實在難料。

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