CPU中推土机架构是什么及CMP和SMT介绍

　　CMP和SMT

　　CMP：CMP的方式非常直接，简单来说，CMP是通过“复制”物理核心来扩展处理器在多线程软件中的性能，这是获得最佳性能一种最简单和最有效的方式。但CMP的缺点是制造成本很昂贵，并且也要受到处理器制造工艺的限制，毕竟不能将芯片做的越来越大。并且CMP的方式对负载要求也很高，只有经过适当并行优化的负载才能充分发挥CMP的性能，很多核心的CMP常常会浪费资源，在一些应用中，主频更高、结构更简单的双核和四核处理器就往往可以获得更好的性能。

　　SMT：SMT是一个相对廉价的技术，比如英特尔的Hyper-Threading，允许每个物理核心运行两个同步线程。SMT的设计思想是充分利用每个核心的资源。如果一个物理核心只有一个执行线程，那么在等待内存中的关键代码或数据的时候，线程处于停顿状态，这样核心的利用率是低下的。而SMT技术允许一个物理核心运行两个或更多的线程，可以根据当前的状况动态进行切换，如果一个线程处于停顿状态等待内存，另一个线程的指令则可以使用这个物理核心的所有执行单元，让物理核心利用的更加充分。

　　为了让SMT正常工作，处理器的所有代码和存储部分需要被复制或分区。例如，一个双线程SMT处理器需要两套架构寄存器和重命名寄存器，一套给线程A，一套给线程B。另外组成指令窗口的共享指令队列要具备很大的空间，这样指令窗口才能容纳足够多的来自两个线程的指令，让执行单元可以保持在忙碌状态。最后，两个线程任何共享单元，比如处理管线不同部分的指令缓存，都不能被任一个线程独占。换句话说，SMT核心的两个线程需要和另一个紧密的共享资源，保证核心的缓存单元不会空置没有线程利用。

　　推土机架构分析

　　AMD“推土机”将采用32nmSOI工艺，这让“推土机”相比“马尼库尔”皓龙处理器可以在不增加功耗的前提下增加33%的核心数量、增加50%的吞吐量。与AMD之前所有处理器都有所不同的是，“推土机”采用了“模块化”的设计，每个“模块”包含两个处理器核心，这有些像一个启用了SMT的单核处理器。每个核心具有各自的整数调度器和四个专有的管线，两个核心共享一个浮点调度器和两个128位FMAC乘法累加器。

　　所不同的，在K10架构中，ALU和AGU共享三个管线(平均1.5个)，“推土机”中每个核心整数单元管线的数量增加为4个，2个AGU专有、2个ALU专有。L1缓存也有所不同，在K10架构中，每个核心具有64KB L1指令缓存和64KB L1数据缓存;而“推土机”每个核心具有16KBL1数据缓存、每个模块具有64KB双向L1指令缓存，至于减小的L1缓存是否会影响性能还有待观察。两个核心共享L2缓存，模块之间共享L3缓存及北桥。

　　AMD“推土机”模块

　　“模块”和“核心”，这让我们不免会产生混淆，实际对于用户们来说，没必要去刻意的关注“模块”的概念，这只不过是AMD在设计上的称谓，而当产品投放市场的时候，依旧会以核心数量为标识，比如我们说采用推土机架构的“Interlagos”服务器处理器具有16个核心，而不会说是8个模块。对于为何采用这种“模块”设计的主要原因，AMD表示是“为了减少CPU的冗余电路”。

　　如果采用CMP的方式，随着核心数量的增加，CPU的核心面积也会越来越大，重复的电路也会越来越多，功耗也会随之增加——因为CMP是采用复制核心的方式。而采用“模块”设计可以大大减少冗余电路，这对核心的大量增加很有意义。比如“推土机”，两个核心共享浮点部分，对于大部分服务器应用来说，整数运算的部分要远远高于浮点运算(高性能计算除外)，所以将浮点执行单元共享并不会影响大多数应用中的性能。而整数部分则不是共享的，否则会造成瓶颈。

　　上文我们回顾过CMP和SMT设计的特点，我们可以把AMD“推土机”架构看做是介于这两种之间的一种设计：两个线程(核心)共享浮点执行单元，但是各自具有独立的整数执行资源。这看上去像是SMT的另一种形式，或者说是经过AMD改良的一种“AMD式的第三种方式”。但与传统的SMT设计不同，SMT仅仅复制的是核心的存储部分，一个线程一个存储模块(registerfile)，而AMD“推土机”架构中，每个线程复制的是完整的整数执行单元硬件，一个线程具有一个存储模块(registerfile)和一组完整的整数执行单元。