果实成熟了，AMD Athlon64火线出击(上)

果实成熟了

AMD 在2001年的微处理器论坛上，正式披露了"K8"架构的信息，并指出其开发代号为"Hammer" 。而从那时候开始，AMD 的"K7" 处理器也开始大获成功，受到了众多厂家和游戏发烧友的一致推崇。因此对于K8 处理器，大家都怀着热切期待的心情，而它也将是AMD历史上最重要的一次战役。那将表明AMD完全脱离Intel 的影响，不再追随Intel 的步伐。AMD 现在将发布全新的技术架构，并希望藉此成为工业的领先者和改革者。AMD 希望自己不再是作为陪玩的角色而存在着，而是争取成为时代的弄潮儿。AMD 的反逆造就了Athlon 处理器，这也是AMD 目前为止最成功的微处理器。但是在发布Athlon 的早期，谁又能想到它会有如此巨大的成功呢？不仅家庭和企业级的应用获得了优秀的产品，还为Intel 的Pentium 处理器带来了竞争者。竞争对抗的同时，不仅可以为我们带来更好的技术，更快速的设计周期，还有更低廉的价格。AMD 对于个人和企业的计算应用来说，前景是光明的，而从2003年9月份开始，它更将创造另外的新天地。

"K8" 架构有两个系列的CPU，分别是Opteron 和 Athlon 64 ，与传统的x86 架构处理器相比，它们有着根本的区别。Opterons ,Athlon 64s 和Athlon 64 FXs 是AMD 首款采用0.13微米SOI(Silion-on-Insulator:绝缘硅) 技术制造的微处理器；该技术在允许更高时钟频率的同时，还能够保持更低的发热量。为了降低延迟，进一步提升处理器的性能，AMD 还打算把内存控制器从北桥芯片中取出来，并合并到处理器的核心中。AMD 在处理器领域的这个大胆举动是否能够带来预期的效果，不日自见分晓。随着Athlon 64 品牌的推出，表明了AMD 未来处理器的发展方向将是在支持64-bit 模式的同时，兼容32-bit 模式。在AMD 发布Opteron 处理器的时候，Intel 曾经发表过嘲笑的论调，陈述桌面电脑并不需要64-bit的计算。然而,AMD 却坚决让用户进一步使用到更先进的技术，发布用于桌面电脑的Athlon 64 和Athon 64 FX-51 。PC 从这时刻起就吹响了全面进军 64-bit 的号角。

Athlon 64 FX-51 处理器主要是面向高端，它的工作频率为2.2GHz ，定位于游戏爱好者和玩家，当然其价格也是比较昂贵的。而面向主流的Athlon 64 的标称值为3200+ ，实际工作频率为2.0GHz ，并且它的价格因素决定了它将拥有更多的支持者。

AMD Athlon 64 FX 和Athlon 64 的规格和特征

为了充分利用AMD64 指令集架构，64-bit 模式支持以下的功能：

• 支持64-bit 操作系统，提供完全，透明和同时的32-bit 和64-bit 平台的多任务应用。

• 可以支持高达TB 的内存，物理寻址空间也大为增加；目前的x86 架构仅可以支持最高4GB的RAM

• 16个64-bit 常规目的整数寄存器，这是目前应用程序和驱动所能够提供的4倍

• 16个 128-bit XMM 寄存器，提供了两倍于目前SSE/SSE2 执行的寄存器空间，可以有效提升性能

整合的内存控制器：

• 有效地减少内存的延迟，因而可以提高整个系统的性能

先进的Hyper Transport 连接：

• 该特征可以戏剧性地提升I/O 带宽，能够更快速地访问硬盘、USB 2.0、和千兆以太网卡等周边设备

• HyperTransport（超传输）技术可以有限地降低I/O 接口的瓶颈，从而带来更高的性能

大容量的1级(L1)和2级(L2) on-die cache:

• 具有128KB L1 cache 和1MB L2 cache，因此AMD Athlon 64 处理器在大批量的矩阵计算中表现杰出

• 使用大量精深矩阵计算的应用程序，将从L2 cache 中大获裨益

64-bit 处理

• 64-bit 的地址和数据集使得处理器可以处理成TB的空间

• 免除了32-bit的限制，很多应用程序将因此而获得更优越的性能

处理器核心时钟-时钟的改进：

• 与K7相比，在历史计算器中提供了4倍数量的bimodal（双峰) 计算器，和包括更大的TLB(转化Look-Aside 缓存），可以有效降低延迟和改进分支预测的性能

• 这些规格可以为对CPU敏感的应用程序提供更有效率的管线，显著地改进IPC • 对CPU敏感的游戏将可以从这些核心大获裨益

• 完全支持所有的工业标准，包括SSE2 指令集、3DNow! Professional (SSE和3DNow!的增强版）

• 32-bit 指令集扩展

晶圆厂的位置：AMD 的Fab 30 晶圆长位于德国的Dresden（德累斯顿）

制造工艺:0.13 微米SOI(Silicon-on-insulator:绝缘硅)技术

核心大小：193mm2

晶体管数量:大概1.059亿个

工作电压：1.50V

AMD 处理器之间的对比：

	Athlon 64 FX-51	Athlon 64 3200+	Athlon XP 3200+
接口	Socket 940	Socket 754	Socket 462
实际频率	2.2GHz	2.0GHz	2.2GHz
制造工艺	0.13微米, SOI	0.13微米, SOI	0.13微米
晶体管数目	1.059 亿个	1.059 亿	0.543亿
核心面积	193sq.mm	193sq.mm	101sq.mm
工作电压	1.5V	1.5V	1.65V
内存通道支持	双通道, 128bit	单通道, 64bit	None
内存类型支持	Registered DDR00/ DDR333/ DDR266 SDRAM	DDR400/ DDR333/ DDR266 SDRAM	DDR400/ DDR333/ DDR266 SDRAM
ECC内存	是	是	否
L1 cache 一级缓存	128KB (64KB 数据 and 64KB 指令	128KB (64KB 数据 and 64KB 指令)	128KB (64KB 数据 and 64KB指令)
L2 cache 二级缓存	1024KB (独立的)	1024KB (独立的)	512KB (独立的)
SIMD 技术支持	SSE2/SSE/3DNow!	SSE2/SSE/3DNow!	SSE/3DNow!
AMD64 技术支持	是	是	否

Athlon 64 FX-51

Athlon 64 3200+

9月23日，AMD 的两款希望之星闪亮登场，它们分别是旗舰级的Athlon 64 FX-51，还有面向性能/主流的Athlon 64 3200 + 。FX-51 的实际时钟频率为2.2GHz，而Athlon 3200+ 的为2GHz ；当然它们的区别并不仅限于此。这些从我们上面的图表中有比较清晰的对比：比如说Athlon FX-51 使用了940-pin 的封装，与Opteron 处理器类似；而Athlon 64 3200+ 则是754-pin 的封装。另外Athlon 64 FX-51 的内存控制器的位宽也是Athlon 64 3200+ 的两倍，128bit VS 64 bit ；此外还有Athlon 64 FX-51 需要使用registered 内存，而Athlon 64 3200+ 能够使用标准的unbuffered DDR 内存。Registered 内存需要额外的"buffer"(缓冲)区来隔绝内存芯片与内存控制器，因此可以使用更多的DIMMS 。ECC 内存有额外的bits 储存，可以帮助认识和修复错误，"ECC"-- Error Checking and Correction(检查错误与纠正) 。这里希望大家不要混淆，以为registered 内存就是ECC 的想法。ECC 和registeres 内存是完全不同的类型；我们有可能购买的内存是registered ，但并非ECC，反之亦然。上面的图表并没有说到每个CPU 的封装材料，Athlon 64 FX-51 采用了陶瓷封装材料，与Thunderbird(雷鸟）的是一样；而Athlon 64 3200 + 则采用了有机封装材料，与目前最新的Athlon XP 是一样的。

AMD64 - 64-bit 处理：

Athlon 64 和Opteron 处理器一样，使用了新的x86 ISA（指令集架构)指令集扩展，能够运行64-bit 操作系统。Intel 的64-bit 处理器是Itanium，它使用了新的IA-64ISA，拥有很多优点；但可惜的是它使用了全新的ISA，处理器使用了新的指令集，并不提供向后兼容x86 代码。AMD 则使用了和Intel 不同的途径来实现64-bit 的计算，并且只是简单地扩展x86 ISA 来获得64-bit 内存寻址能力。这样使得Athlon 64 既兼容目前的x86 代码，又向前获得了64-bit 应用的能力。由于Athlon 64 能够运行两种不同类型的code(代码)，x86 和AMD64；因此CPU能够运行在"legacy mode" 和和 "long mode" 两种模式。在"legacy mode"，Athlon 64 将默认运行16bit 或者32-bit 的应用程序；而在"long mode"，则需要兼容64-bit AMD64 的操作系统，这时候它将可以全部发挥64-bit 的计算能力。"Long mode" 里面还有一个兼容的sub-mode(子模式)，可以允许在64-bit 操作系统下面运行32-bit 的应用程序。

整合DDR 内存控制器：

Athlon 64 的主要规格和性能增强特征之一，就是整合了内存控制器。在传统的处理器上面，支持其芯片组的北桥芯片里面构建了内存控制器，可以通过FSB(前端总线）与CPU 进行交流。而在Athlon 64 ，内存控制器被整合到了处理器的核心里面，这意味着内存的通信不需要再通过芯片组，因而它获得了与CPU 同步的速度。这样就可以显著地降低延迟，并且带来巨大的性能增益。但是，不可否认把内存控制器整合到处理器也有消极的一面，那就不可以支持更新的内存技术，例如DDR2 ；这样，想需要使用更新规格的内存，就必须把处理器给换掉。

先进的Hyper Transport 连接：

AMD 使用了Hyper Transport 技术来取代芯片和芯片之间的互连，这也是目前最快的桌面处理器接口；它可以通过200FSB（在Athlon XP 相当于400MHz，而在Pentium 4 则相当于800MHz) 的速度与主板的芯片组，内存子系统和AGP 总线等等进行连接。Athlon 64 使用的HyperTransport 连接则更是快到离谱，高达800MHz(等效于1600MHz) 。当运行在最快速度的时候，但个HyperTransport 连接可以提供最大6.4GB/s 的带宽。

大容量的L1&L2 on-die Cache:

在今年的二月份，AMD 发布了"Barton"核心的Athlon XP 处理器，它与旧版本的"Thoroughbred" 核心相比，主要的区别是提供了双倍的on-die L2 cache ；Bartons 有512KB 的L2，而"Thoroughbred" 则只有256KB 。Athlon 64 则更进一步，提供了1MB(1024KB) 的on-die cache；大容量的L2 可以带来性能的增长，特别是在处理器需要与主内存进行大量数据交流的时候，表现出来的优势更为明显。但是大容量的L2 cache 也有一定的负面效果，比如它的核心面积达到了193mm2，几乎是Athlon XP 的两倍。当然更大的核心面积，就预兆着昂贵的价格，AMD 声称它们将在明年的时候转向0.09微米的制造工艺生产，到时候可以处理器的核心面积可以降到120mm2 。

更大的TLBs,更好的分支预测，更多的计数器：

Pentium 4 能够具有非常高的时钟频率，是因为它与20层深度的管线；同样的道理，Athlon XP 的时钟频率一直提不上去，是因为它仅有10层管线。但是即使如此，因为Athlon XP 单位时钟内能够处理器更多的指令，因此能够提供与Pentium 4 相近的性能（管线越短，效率越高）。 Athlon 64 处理器，AMD 把管线的深度加深到了12 层，那么它会因此而降低核心的IPC（Instructions Per Clock：每个时钟处理的指令）吗？然而，由于核心架构的改进，这样的问题并没有发生。Athlon 64 有更多的TLBs(Translation Look-Aside Buffers：转移Look-Aside 缓冲)，能够有效地降低延迟和改进分支预测。与K7相比，它还在历史计算器中提供了4倍数量的bimodal（双峰) 计算器，因此即使它采用了更深的管线，在大部分环境中，每个时钟的处理指令数目仍旧超越了Athlon XP 。在后面你将看到Athlon 64 FX-51 与 Athlon XP 3200+ 的对比测试，虽然它们的实际工作频率都是2.2GHz，但很明显，前者以明显的优势胜出。

支持的硬件和芯片

Kingston(金士顿）支持Athlon 64 FX 内存

为了测试Athlon 64 FX-51，我们使用了华硕生产的nForce 3 150 SK8N 主板，搭配了使用5ns Infineon 芯片的1GB PC3200 registered DDR SDRAM 内存。在显示卡方面我们想使用ATI 的芯片，但是我又想在32-bit 和64-bit 版本的操作系统下面测试，而NVIDIA 提供了64-bit 版本的驱动程序，因此我们使用了256MB NVIDIA GeForce FX 5900 Ultra 。散热片是由Ajigo 制造的，采用铜和铝的混合物，散热效果非常不错，Athlon 64 FX-51 的核心温度保持在35 - 40 度之间。

NVIDIA 的 nForce3 芯片组系列

NVIDIA 在支持Athlon XP 处理器的nForce2 芯片组大获成功，现在它又推出支持Athlon 64 的版本 --nForce 3 。事实上，早在4月份Opteron 处理器发布的时候，nForce 3 就已经准备好了。与nForce2 的传统南北桥结构不同，nForce3 是单芯片的解决方案。这是由于内存控制器部分被集成到了处理器的核心，因此nForce 3 芯片组的功能主要是负责IDE,以太网，AGP，USB和声卡的处理。此外，又由于它是单芯片的方案，不需要与其它外部的芯片进行数据交流因此可以有效降低延迟。我们测试使用的主板是由ASUS 生产的SK8N，支持10/100 Et 。ernet,AGP 8X，3个ATA-133 信道，AC 97 等功能。可惜的是，nForce 2的优秀音频处理单元并没有出现在nForce 3 上；另外考虑到市场定位（爱好者/游戏玩家），它也没有集成显示芯片。

除了nForce 3 150，NVIDIA 还将发布其它的nForce 3 产品线 --- nFOrce 3 250 和250Gb ，它们除了具备nForce 3 150 的所有规格之外，还具有其它一些显著的特征。nForce 3 250 ，支持4端口SATA，USB 2.0 x8，还具有nVIDIA RAID 的能力。nForce 3 250Gb 则还提供千兆位以太网，和具有HT 接口的高速NVIDIA 控制器设计。既然高速的HyperTransport 连接可以在CPU 和内存间提供高达3.6GB/s 的带宽，Gigabit 的传输并不会利用到PCI 的带宽。NVIDIA 声称 nForce 3 的Gigabit Ethernet 可以运行在256MB/s （接受和传输的流同步以128MB/s 的速度运行）。NVIDIA 还将提供新的"Forceware Platform Software" 软件包，该软件包不仅提供了统一的驱动架构，还有RAID 管理软件，系统工具和新的混音器。

VIA 的K8T800 芯片组

威盛电子(VIA Technologies)支持Athlon 64 的芯片组是K8T00 ，此外在发布Opteron 的时候，它也正式发布了该款芯片组。K8T800与VIA 的其它经典芯片组有着很多类似的地方，比如说采用了双芯片的方案，具有南北桥。VT8237 南桥支持 8 USB 2.0 端口, VIA Six-TRAC AC'97 Audio（音频）, 8X AGP 和10/100 Ethernet, plus ATA-133 和 native SATA 功能 (with RAID) 。南北桥之间通过8X V-Link 进行连接，可以提供533MB/s 的带宽，但北桥通过高速的16-bit/800MHz（1600MHz DDR) HyperTransport 连接。 VIA 把800MHz HyperTransport 连接称为"Hyper8" 技术，可以在处理器和主板芯片之间提供高达6.4GB/s 的带宽。VIA 非常注重该特征，因为它们是首间在芯片中提供全速HyperTransport 连接的公司。目前的nForce 3 仅提供了600MHz HyperTransport 连接，因此预计K8T800 将有更好的性能。

当然，目前支持Athlon 64 处理器的不仅有VIA 和 NVIDIA 。AMD 自己也开发了AMD8000系列，但估计只会用于服务器和工作站的领域。SiS(矽统)和Acer(宏基）的子公司ALi 也宣布了支持Athlon 64 和Opteorn 的相关芯片组。SiS755 的规格与VIA K8T800类似，但755南北桥间提供了更高的带宽(1GB/s)，ALi 的M1687也提供了与K8T800 相似的功能。

Windows XP 的64-bit 版本

为了充分发挥AMD64 指令集架构，我们需要最关键的东西就是64-bit 操作系统和软件。然而，从目前的情况来看，AMD64 即使在没有64-bit 操作系统和软件的支持，也依然能够雄霸天下，64-bit 的支持将使蛋糕更牢地在握。但是，在这里我们也尝试使用beta 的Windows XP 64-bit 版本，而我们敢说Microsoft 在这里走出了很正确的一步。

Windows XP 64-bit 版本的安装，与我们目前正在使用的32-bit 版本XP 没有什么区别。此外我们听说64-bit 版本的Server 2003 也正在开发之中，因此当明年这些操作系统正式发布的时候，网络的管理和性能也将获得更好的效益。

系统属性

Windowx XP 64-bit 版本的界面就像重新激活了"Luna" 可视化风格的时候。但是当我们进一步使用的时候，发现了其它的区别。细心的读者可能会发现，在系统属性的页面里，系统还原的按键被除去了。此外还有两个独立的"Program Files"，分别放置32-bit 和64-bit 的应用程序目录。Windows XP 64-bit 版本可以在Windows 64 的情况下，通过称为"WoW64"的方法无缝地运行32-bit 的软件。这个名字意味着32-bit 版本的Windows 运行在64-bit 版本的上面，就像我们通常说的，在Macintosh 中， OSX通过"Classic Mode" 运行在 OS9.2 的情况。但是，大部分并非处于这种情况，WoW64 并非传统意义上的full-scale 模拟器；因为Athlon 64 能够天生运行在32-bit 模式。当然，在WinXP 64-bit 版本运行32-bit 的应用程序会有一定的性能损失，这是轻微的，没有传统意义上的full-scale 损失那么厉害。使用WoW64 ，用户能够同时运行32-bit 和64-bit 应用程序，转换器在后台运行，用户没有任何感觉。

为什么需要64-bit?

运行64-bit 操作系统和应用程序的优点是两面的。首先，32-bit 软件和硬件架构的4GB 内存限制将完全消失；目前版本的Windows XP 仅能够寻址4GB 的内存，并且在使用的时候，应用程序只能够利用2GB，另外2GB要保留给操作系统。Microsoft 的服务器版本操作系统，通过著名的PAE(Physical Address Extension：物理地址扩展），可以有能力寻址32GB 的内存，但每个应用程序仍旧最高仅能使用2GB 内存。在Windows XP 64-bit 版本，新的内存限制达到了16TN，或者16,000GB，并且所有内存都可以被操作系统和应用程序利用。也许我们以后将不会再听到Windows XP 64-bit 版本的用户抱怨内存的限制了，但是由于主板和内存的限制很快就又把用户来回到现实。例如，支持Athlon 64 处理器的Asus SK8N 主板仅有4条DIMM 插槽。目前单条的内存模组仅有2GB，插满了主板也才8GB 内存。

64-bit 操作系统和运行64-bit 应用程序更加切实的优点，就是处理代码的效率。64-bit 处理器在执行64-bit 代码和使用64-bit 编译器进行编译的时候，执行起来要比32-bit 模式快上很多；根据不同的应用程序，可以获得5-15% 甚至更高的效率。需要完全获得64-bit 的优点，还有非常重要的前提，就是驱动程序的支持。目前大部分制造商都为新的操作系统重新编译了它们的驱动，但是要想等到64-bit 驱动程序的完全成熟，享受幸福的果实还要假以时日。

CPU-Z: 近距离接触

在我们对Athlon 64 FX-51 进行商业测试之前，我觉得最好花费些时间---使用最新版本的CPU-Z 检测它的内部信息。具体的信息从以下的截屏可以看出来，其中有cache 配置，主板信息和内存时间，但并非所有的东西都可以看得见。

CPU INFO CACHE

主板内存

CPU-Z 报告"FSB"的速度为200MHz ，这是不正确的；因为我们之前已经提到过，Athlon 64 不存在什么"前端总线“的概念。内存控制器被集成到了处理器的内核，因此它运行在与处理器相同的速度。CPU 和芯片组之间通过HyperTransport 连接，它们之间的工作频率高达800MHz 。CPU-Z 报告的200MHz ，是从驱动处理器频率的时钟发生器获得的。缓存信息的页面精确地报告了FX-51 具有1024KB 全速的L2 cache，主板的信息也非常准确（其实我们在进行截屏的时候，把主板的BIOS升级到了最新的版本）。在内存的页面也有些信息进行澄清，内存页面列出内存通道是"Dual"(双) 。FX-51 有128-bit 内存控制器，这是标准Athlon 64 64-bit 内存控制器的两倍，但从技术上来讲，它并非双通道的配置。由于128-bit 的宽度，Athlon 64 FX-51 理论上可以提供6.4GB/s 的峰值传输速率；Athlon 64 3200+ 的64-bit 控制器在峰值的时候，数据传输速率为3.2GB/s 。