x86星火燎原:新至强的变迁(一)

如果说Pentium Xeon还只是小打小闹,并没有完全赢得市场接受的话,那么从英特尔将“Pentium”去掉,确定“Xeon”(至强)品牌,以和台式机CPU彻底区格开,英特尔Xeon犹如一匹脱缰的野马,高举着x86的大旗,在服务器市场上纵横驰骋,逐步赶上并最终大幅超越RISC架构服务器。因此可以说,英特尔重新命名和定位Xeon,开启了x86服务器的星火燎原之势。而IA架构所推行的标准化策略,也让越来越多的用户开始消除服务器的神秘感,从而使得更多的应用被开发出来,这反过来又推动了服务器市场的发展。

第一节:新至强的变迁

2001年,英特尔公司将Xeon的前面去掉了Pentium,发布了Xeon处理器。当然这并不是和x86脱离了关系,而是更加明晰品牌概念。第一代核心使用当时最新的NetBurst架构,名为“Foster”。跟Pentium 4不同,它的主要市场为工作站。

Prestonia核心至强处理器

Foster采用0.18微米工艺,采用了和奔腾4相同的Willamette核心,具备256KB二级缓存,主频有1.4GHz、1.5Ghz、1.7GHz这几种,前端总线为400MHz。2002年又出现了采用0.13微米工艺的Prestonia核心的Xeon处理器,Prestonia核心最大的优势就是增加了对Hyper-Threading(超线程)的支持,二级缓存增加到512KB,主频从1.8GHz起跳,前端总线为533Mhz。

Foster核心照片

在整个Intel Xeon处理器家族中,可以见到诸如Xeon、Xeon DP和Xeon MP这三种叫法,其实这三种叫法仅代表两种不同的至强处理器子系列,Xeon与Xeon DP是同一系列,其中的“DP”就是“dual processor”(双处理),即支持双处理的处理器的意思,在处理器上标注的仅“Xeon”字样;而Xeon MP中的“MP”是multiprocessor(多处理),也即支持多处理的处理器意思,在处理器上标注的是完整的“Xeon processor MP”字样。

Xeon处理器相对于Pentium III Xeon有更高级的网络功能,及更复杂更卓越的3D图形性能。Xeon MP处理器拥有更高的工作频率、内部整合的三级缓存、对未来超线程技术支持,这些使得Intel Xeon MP处理器成为当时最为强大的服务器动力核心。

Nocona核心至强处理器

2004年,Intel Xeon产品线又有了新的变化。2004年6月28日,采用90纳米工艺的Nocona核心的Xeon处理器上市,它整合Demand Based Switching以及Enhanced Intel SpeedStep技术,能机动调整功率并降低处理器的耗电需求。

Nocona至强处理器是一款32和64位计算的混合模式计算平台,它最显著特性就是在支持32位应用程序的同时,也能运行64位应用程序。因此Nocona至强处理器能够兼容当前市场上所有的基于16位和32位软件,同时对64位架构下开发的应用软件也能够兼容。从内存寻址来说,打破了以往纯32位架构最大232字节寻址能力的极限,最高可实现近4.5TB的寻址能力,如此大量的内存足以满足当时高端工作站、网络服务器、数据服务器的处理需求以及未来软件应用的需求;从技术角度来看,Nocona新至强处理器比传统的32位增加了8组寄存器,可减少CPU对L1、L2缓存以及内存的访问次数,从而提高CPU的工作速度;再加上英特尔处理器既有的耗电低、体积小、辐射少、兼容性强等特点,促成了Nocona至强处理器在计算平台上的优势,可为诸如媒体和游戏等应用带来出色的系统响应能力。

Irwindale至强处理器

2005年,英特尔又推出了Nocona至强处理器的升级版本——Irwindale核心至强。Irwindale至强处理器采用了90nm制程,其时钟频率在3.0GHz至3.6GHz之间,其最大的特点就是英特尔在这款 Xeon 处理器上设计有 2MB 的二级缓存,比Nocona核心的Xeon处理器多了1MB。Irwindale核心Xeon处理器支持SSE、SSE-2、SSE-3,采用了Intel EM64T技术,并且支持Hyper-Threading技术。

Irwindale核心Xeon处理器主频最高已经达到3.6GHz,这也创造了服务器处理器主频的新高峰。不过处理器发展到这个阶段,一味地提升主频不再能带来明显的性能提升,高热量和执行效率的低下也让处理器的发展进入了瓶颈。2005年10月,英特尔发布了其首枚双核心Xeon DP处理器,揭开了多核心处理器的新时代。

最后一代的“Nocona”单核心至强主频最高已近达到了3.8GHz,后期的Nocona单核心至强虽然从130纳米工艺过渡到了90纳米工艺,不过功耗还是达到了110W。单核心至强处理器在不断刷新频率记录的同时,也面临着高功耗、低执行效率的问题,虽然Nocona核心至强的升级版“Irwindale”至强将二级缓存提升到2MB,不过功耗没有降低,性能上也没有明显的提升。

2004年到2005年,单核心至强处理器已经发展到了一个瓶颈,提升频率和缓存并不能有效地提升处理器的能效。在2004年底,英特尔不得不停止了开发4GHz处理器的计划,转而投向双核处理器的研发。

Paxville DP至强处理器

2005年10月10日,英特尔推出了其首款双核心至强处理器,核心代号“Paxville”,主要面向双路服务器平台,故而代号也可称之为“Paxville DP”。Paxville至强依旧采用90纳米工艺,是采用将两颗“Irwindale”核心封装到一颗CPU中的方式,每个核心具备2MB独立的二级缓存,两个核心共享800MHz前端总线,处理器的带宽并没有得到提升。

为了降低功耗,Paxville DP主频降低到2.8GHz,相对于单核心至强的3.8GHz降低了不少。不过在功耗上并没有因此而降低多少,达到了惊人的135W。但是通过DBS按需配电技术的动态调整,Paxville DP在运行中的功耗与单核心的Irwindale至强差距不大,可以使用为单核至强DP服务器设计的电源。

除了DBS按需配电技术外,Paxville DP至强还具有EM64T内存扩展技术、超线程技术和英特尔防病毒技术等。双核心的设计、双倍的二级缓存以及4个线程的并行计算能力使得Paxville DP相对单核至强性能上有了一定的提升。据英特尔测试,在其他配置相同的情况下,2.8GHz Paxville DP的性能比3.6GHz单核至强DP高约50%。

虽然性能上有了一定提升,但Paxville DP从特性上和单核至强没有本质的区别,从能效上看没有十分明显的提升。也正因为如此,用户可以从单核至强平滑升级到Paxville DP,可以保护用户资产。