温故知新Nehalem微架构 - 亲民版“爱妻”号，Core i5深度剖析与评测

◆ 温故知新Nehalem微架构

　　Nehalem微架构采用可扩展的架构，主要是每个处理器单元均采用了Building Block模组化设计，组件包括有：核心数量、SMT功能、L3缓存容量、QPI连接数量、IMC数量、内存类型、内存通道数量、整合GPU、能耗和时钟频率等，这些组件均可自由组合，以满足多种性能需求，比如可以组合成双核心、四核心甚至八核心的处理器，而且组合多个QuickPath Interconnct（QPI）连接更可以满足多路服务器的需求。

　　正因为这样的模组化设计，英特尔可以灵活的制造出各种差异化的核心，比如支持三通道DDR3的Bloomfield（研发代号）核心、支持双通道DDR3的Lynnfield和Clarkdale核心，而且这些核心间还存在是否支持超线程、Turbo Boost技术等区别，Clarkdale部分产品还会整合GPU图形单元。

　　严格来说，Nehalem微架构仍是基于上一代Core微架构改进而来的，但它的改进是全方位的。我们可以把这些重要特性分为计算内核（Core）和非计算内核（Uncore）的上的特性。

　　Nehalem在非计算内核的设计改动令人瞩目，主要的有三级包含式Cache设计、使用QPI总线和整合内存控制器等重要改进。计算内核的设计来源于之前的Core微架构，并对其进行了优化和加强，主要为 重拾超线程技术、支持内核加速模式Turbo Boost和支持SSE4.2（新增7条扩展指令）等方面。

　　· 三级包含式Cache设计

　　Nehalem在缓存结构上作了重要改进，采用了三层缓存模式的，其中L1高速缓存置于核心之内，具备64KB大小（32KB数据和32KB指令），在核心中还具备有256KB的L2高速缓存，L1和L2缓存都是每个处理核心所独占的，各个核心之间的L2高速缓存不会共享（和Core不同）。另外还有L3缓存，其容量高达8MB，L3缓存内的数据可以供各核心共享。

　　· 放弃FSB使用QPI总线

　　在Nehalem上英特尔抛弃了FSB，改而采用了高性能高动态可升级设计的QuickPath Interconnect(QPI)总线。QPI总线是基于封包传输，拥有高带宽、低延迟的特点的点对点互联技术，最高速度达到6.4GT/s。每一条连接（link）是20bit位宽，其中16bit是用于数据，其它用于CRC、流量控制等，因此每条连接可以一次传输2Byte的数据。由于QPI总线可以双向传输，那么一条QPI总线连接理论最大值就可以达到25.6GB/s的数据传送，单向则是12.8GB/s。QPI数据包是80bit的长度，发送需要用4个周期。

　　显然QPI的带宽是远远高于FSB的，以目前最高规格的1600MHzFSB来计算，其带宽为12.8GB/s（64bit/8×1600），QPI的带宽轻易就达到了它的2倍 。

　　· 整合内存控制器

　　将内存控制器整合到CPU中是Nehalem又一创举，虽说AMD早就这么做了，但对Intel来说还是头一次。Nehalem的IMC（Integrated Memory Controller，整合内存控制器）可以支持3通道的DDR3内存，不再支持DDR2。3通道DDR3内存技术的出现，使得Nehalem拥有了足够大的内存带宽，这绝对有助于喂饱饥渴的处理核心，也使得SMT技术得以重归。 同时IMC能够很显著的降低内存延迟，这对整个系统性能的提升是非常有帮助的。

　　因为内置了DDR3内存控制器，Nehalem需要更多的针脚，Bloomfield核心的Core i7-900系列支持三通道DDR3，需要的针脚最多，这也是为什么它要用LGA1366插槽的主要原因。而Lynnfield和Clarkdale核心只支持双通道DDR3，处理器需要的针脚也下降了，因此改用LGA1156接口。

　　· 重拾超线程技术

　　Nehalem拥有比Core体系更大的内存带宽和更大的高速缓存，因此到了Nehalem，Intel重拾超线程技术：Simulate Multi Threading（SMT，同步多线程技术），SMT是超线程技术的学术名称，Nehalem的超线程性能比起老前辈来要更为强大。

　　Nehalem的同步多线程是2-way的，每核心可以同时执行2个线程。对于执行引擎来说，在多线程任务的情况下，就可以掩盖单个线程的延迟。SMT功能的好处是只需要消耗很小的核心面积代价，就可以在多任务的情况下提供显著的性能提升，比起完全再添加一个物理核心来说要划算得多。Nehalem的优势是有更大的缓存和更大的内存带宽，这样就更能够有效的发挥。

　　· 内核加速模式Turbo Boost

　　由于Nehalem的特殊设计，使得它有一个很重要的技术，也很有实用性，那就是Turbo Boost技术，它能让内核运行动态加速。可以根据需要开启、关闭以及加速单个或多个内核的运行。如在一个四核的Nehalem处理器中，如果一个任务只需要两个内核，则可以关闭另外两个内核的运行，同时把工作的两个内核的运行主频提高，这样动态的调整可以提高系统和CPU整体的能效比率。

　　Turbo Mode安全可靠，最大限度的发挥了CPU的能力，而这一切都是自动实现的。它的出现，是给那些希望提高处理器性能，同时又不肯（不会）自己动手超频的用户的绝佳礼物。

　　· SSE4.2

　　Intel的SSE（Streaming SIMD Extensions, 流式单指令多数据扩展）技术有效增强了CPU的向量和矩阵运算能力，最初由Pentium MMX时代的SIMD技术引入，后来发展成SSE/SSE2/SSE3/SSSE3等。成熟的Penryn中集成的SSE4.1占据了大部分的指令，共有47条，新的Nehalem中的SSE4指令集更新很少，只有7条指令，这样一共有54条指令，称为SSE4.2。

　　SSE4.2新增的7条指令集的用途各有不同，比如有面向CRC-32和POP Counts等特定应用的，有特别针对XML等的流式指令，新指令集可以将256条指令合并在一起执行，加速字符串和文本处理，从而让XML类工作的性能提高3倍。