三大技术注定SNB架构酷睿i3引领行业高端

  采用Sandy Bridge架构的Intel Core i3系列处理器是面向主流中低端消费群体的产品，主要有Core i3 2120、Intel Core i3 2100和Intel Core i3 2100T三款产品。目前，Core i3 2100处理器已经上市，800元左右的零售价格成为中低端市场用户最关注的产品。由于Core i3 2100处理器集成了HD Graphic 2000显示核心，并支持Turbo Boost技术，因此在集显性能方面与定位更加高端的四核Core i5在集显性能上并没有太大的差距，而搭配性价比较高的H61/H67，可以组建一套非常完美的家用娱乐平台。关于Core i3 2100的集显性能，请参见《技高一筹!Intel二代智能i3/酷睿i3集显对比》。

  本文，笔者将重点为大家介绍一下Sandy Bridge架构的Core i3处理器的几大技术，通过技术分析，让我们来见证Intel引领行业的高端地位。

  技术一：AVX(高级矢量扩展)与微指令缓存以及RPF(寄存器)

  在Sandy Bridge中最重要的应用恐怕就是AVX(高级矢量扩展)技术，这项新技术据说可以大幅度提升处理器在高密集浮点运算中的性能。intel宣称，使用AVX技术进行矩阵计算的时候将比SSE技术快90%。

AVX(高级矢量扩展)技术

  Sandy Bridge里又增加了一个微指令缓存，用于在指令解码时临时存放。在取硬件获得一个新指令的时候，首先检查它是否存在于微指令缓存中，如是前端关闭缓存为其余管线服务，结束了这个X86管线中非常复杂的过程，能够节约大量功耗。

  和AMD的推土机、山猫一样intel也引入了物理寄存器。Core Duo时代是80-bit，加入SSE指令集后增至128-bit，现在又有了AVX指令集，按照趋势会翻番至256-bit。微指令缓存的彻底改变了原由的模式，微指令在乱序执行引擎中只会携带指向操作数的指针，而非数据本身。有效的减少了转移数据时数据流的吞吐量，降低了功耗减少了核心面积。这样AVX指令集才得以实现，以最小的核心面积代价，Intel将所有SIMD单元都转向了256-bit。AVX支持256-bit操作数，相当消耗晶体管与核心面积，而RPF的使用加大了乱序执行缓冲，能够很好地满足更高吞吐量的浮点引擎。

  借由128bit的整数SIMD数据路径实现每周期内进行两个256-bit AVX操作，而原有128bit通道的功耗并不会因此而改变。AMD推土机架构对AVX的支持则有所不同，使用了两个128-bit SSE路径来合并成256-bit AVX操作，即使八核心(四模块)推土机的256-bit AVX吞吐量也要比四核心SNB少一半。SNB架构中载入和存储地址端口是对称的，都可以执行载入或者存储地址，载入带宽因此翻倍。 SNB的整数执行也有了改进，只是比较有限。ADC指令吞吐量翻番，乘法运算可加速25%。

  技术二：整合图形核心，支持新一代Turbo Boost

  在之前的intel架构中也有整合图形核心存在，比如现在的酷睿i3以及奔腾E6500等。它们虽然也自带了图形核心，但与CPU是双内核封装，只是通过45nm工艺、更多着色硬件、更高频率提升了性能。Sandy Bridge则不然，CPU、GPU封装在同一内核中，全部采用32nm工艺，特别是显著提高了IPC(指令/时钟)。 

  Sandy Bridge GPU有自己的电源岛和时钟域，也支持Turbo Boost技术，可以独立加速或降频，并共享三级缓存。显卡驱动会控制访问三级缓存的权限，甚至可以限制GPU使用多少缓存。将图形数据放在缓存里就不用绕道去遥远而“缓慢”的内存了。这样不仅功耗得到了有效的控制，而且性能也得到了显著的提升。

  之前的intel图形核心GPU的寄存器是临时分配，一个线程被占用较少的时候其它线程会分配剩余的寄存器。这样有的时候会出现线程无寄存器可用的局面，虽然核心面积得到有效控制和利用，但是性能反而会降低不少。而在SNB中每个线程均会固定分配120个寄存器，较之以前提升了近两倍，比Westmere HD Graphics的80个还多一半。

  综合之前的多种技术，现在的Sandy Bridge中的GPU每个EU的指令吞吐量都比现在的HD Graphics增加了一倍。

  除了GPU图形核心，Sandy Bridge中还有一个媒体处理器，专门负责视频解码、编码。新的硬件加速解码引擎中，整个视频管线都通过固定功能单元进行解码，和现在正好相反。Intel据此宣称，SNB在播放视频的时候功耗可降低一半。

  视频编码引擎则是全新的。具体细节没有公布，但是在Intel曾经的IDF大会现场中拿出了一段3分钟长的1080p 30Mbps高清视频，将其转换成640×360 iPhone格式，结果整个过程耗时非常短仅用时14秒（intel IDF大会演示），而这只花费了大约3平方毫米的核心面积。Intel与软件产业合作密切，相信这种视频转码技术会很快得到广泛支持。

  Lynnfield Core i3引入了智能动态加速技术“Turbo Boost”(睿频)，能够根据工作负载，自动以适当速度开启全部核心，或者关闭部分限制核心、提高剩余核心的速度，比如一颗热设计功耗(TDP)为 95W的四核心处理器，可能会三个核心完全关闭，最后一个大幅提速，一直达到95W TDP的限制。

  现有处理器都是假设一旦开启动态加速，就会达到TDP限制，但事实上并非如此，处理器不会立即变得很热，而是有一段时间发热量距离TDP还差很多。   SNB利用这一点特性，允许单元控制单元(PCU)在短时间内将活跃核心加速到TDP以上，然后慢慢降下来。PCU会在空闲时跟踪散热剩余空间，在系统负载加大时予以利用。处理器空闲的时间越长，能够超越TDP的时间就越长，但最长不超过25秒钟。

  不过在稳定性方面，PCU不会允许超过任何限制。之前我们也已经说过了，Sandy Bridge GPU图形核心也可以独立动态加速，最高可达惊人的1.35GHz。如果软件需要更多CPU资源，那么CPU就会加速、GPU同时减速，反之亦然。

  技术三：环形总线和三级缓存 

  每次Intel处理器架构的变革都非常让人期待。架构是影响CPU性能的一个重要因素，尤其是Intel处理器对于架构的更新更是非常看重，几乎每次Intel的新架构都能给我们带来一些新的惊喜。

  Nehalem/Westmere每个核心都与三级缓存单独相连，都需要大约1000条连线，而这种做法的缺点是如果频繁访问三级缓存，效果可能不会太好。

   SNB又整合了GPU图形核心、视频转码引擎，并共享三级缓存。Intel并没有沿用此前的做法，再增加2000条连线，而是像服务器版的Nehalem-EX、Westmere-EX那样，引入了环形总线(Ring Bus)，每个核心、每一块三级缓存(LLC)、集成图形核心、媒体引擎、系统助手(System Agent)都在这条线上拥有自己的接入点，形象地说就是个“站台”。

简化图

   这条环形总线由四条独立的环组成，分别是数据环(DT)、请求环(QT)、响应环(RSP)、侦听环(SNP)。每条环的每个站台在每个时钟周期内都能接受32字节数据，而且环的访问总会自动选择最短的路径，以缩短延迟。随着核心数量、缓存容量的增多，缓存带宽也随时同步增加，因而能够很好地扩展到更多核心、更大服务器集群。

   这样，SNB每个核心的三级缓存带宽都是96GB/s，堪比高端Westmere，而四核心系统更是能达到384GB/s，因为每个核心都在环上有一个接入点。

   三级缓存的延迟也从大约36个周期减少到26-31个周期。此前预览的时候我们就已经感觉到了这一点，现在终于有了确切的数字。三级缓存现在被划分成多个区块，分别对应一个CPU核心，都在环形总线上有自己的接入点和完整缓存管线。每个核心都可以访问全部三级缓存，只是延迟不同。此前三级缓存只有一条缓存管线，所有核心的请求都必须通过它，现在很大程度上分而治之了。

   和以前不同的是，三级缓存的频率现在也和核心频率同步，因而速度更快，不过缺点是三级缓存也会随着核心而降频，所以如果CPU降频的时候GPU又正好需要访问三级缓存，速度就慢下来了。