设计理念之变：多核心下的多线程

　　X86架构处理器诞生之后的很长一段时间内，包括AMD和Intel在内的厂商在提升CPU性能方面的思路都大同小异，无非是改进核心架构、提升处理器频率、优化和扩充指令集、加大二级缓存等等。而到了双核乃至多核CPU出现之后，AMD和Intel的处理器走向了截然不同的两种道路：增加物理核心数量和虚拟同步多线程。

　　首先说一下SMT(Simultaneous Multithreading，同步多线程)，放在以前就是我们常说的HT(Hyper-Threading，超线程)技术。虽然这项技术在服务器领域早已应用多年，但在桌面处理器实现还要追溯到Intel的P4时代。但是出现之初并没有在P4处理其上大放异彩，而后的Core 2时代甚至遭到取消，直到上代的Nehalem架构才重新复活，重新命名为SMT，一直延续到最新的Sandy Bridge架构。不过P4时代的HT超线程和目前的SMT多线程在提升效果上已不可同日而语。

　　我们知道，传统CPU一个物理核心只能同步执行一个线程，所以大多数情况下都会处在等待内存以及数据总线的状态，而SMT可以使一个物理核心“同时”执行两个线程，看起来就像两颗“核心”一样。当第一个线程暂停时，将第二个资源准备充分的线程安排给核心处理，达到运算资源利用最大化。从设计原理上来看，SMT的目的也很简单，就是掩盖单个线程的延迟，以充分利用核心运算资源，以防运算单元浪费。

　　Intel的Nehalem架构处理器重拾超线程

　　SMT从成本方面来看相当廉价，因为它采用的是复制内核架构的方法来实现，增加了处理器中存储线程有关数据的单元数量，并在硬件执行单元空闲时将这些数据送往其中处理，以便增加处理器执行单元的利用度，而内部并没有增设一套额外的硬件执行单元。这样不需要增加物理核心，也耗费不了太多的晶体管和核心面积，所以比再另外增加一个物理内核更加划算。而且在操作系统中呈现出来和实实在在的物理核心并没有什么区别，所以我们经常见到四核八线程CPU在资源管理器中有八个“核心”在同时工作。

　　虽然SMT看起来很好，但也不是完美的。毕竟，无论如何充分利用运算资源，一颗核心始终都不可能达到两颗核心的效果。所以SMT的效率要根据实际的应用环境来定，比如遇到内存和缓存需要长时间等待的境况下，SMT就能发挥很好的作用;反之，甚至并不如一颗纯物理核心的执行效率。按照Intel之前公布的数据来看，SMT大约能带来20-30%的性能提升，换句话说也就等效于1.2-1.3个物理核心的效果。

　　相比之下，AMD之前的办法更加简单暴力，那就是CMP(Chip MultiProcessors，增加核心数量)。从理论上来看，直接增加物理核心的方式对CPU的性能帮助比较明显，也更加直接，尤其是在多线程应用环境下。

　　Phenom II X6 1100T就有六个物理内核

　　但这种方式也有很大的代价和瓶颈，毕竟每增加一颗物理核心就需要耗费更多的晶体管与核心面积，功耗也会随之水涨船高，而且核心数量增加到一定程度之后性能提升并不一定与之成比例，很容易受到制造工艺的限制。目前的软件以及游戏对多核心优化程度有限，很多实际应用环境只能利用其中的部分核心，而多余的核心只处在低负载状态，实际上也就被浪费了。

　　由于没有相关的多线程技术，单核性能也处于劣势，AMD只能靠物理多核心来对抗Intel的SMT多线程，反映到市场策略上来看就是，在价格相差不多的情况，AMD的四核/三核打Intel的双核，而六核打Intel的四核。虽然表面上AMD还能依靠这种“田忌赛马”的策略占据不小份额，但我们似乎也从其中感觉到丝丝无奈。

　　既非SMT，也非CMP，推土机采用了另一种设计思路。

　　不过好在推土机就要来了，虽然我们不期望它能一招制胜，但至少可以大大提升AMD的市场竞争力。工欲善其事必先利其器，推土机又依靠什么呢?相比之前的K10架构处理器，推土机在多线程、核心架构、指令支持、运算单元、数据总线等诸多方面都进行了革新，而其中以提高CPU的多核心下的多线程能力为主要设计目标，可见推土机既非照搬Intel的SMT也非自家传统的CMP，而是另辟蹊径，寻求新的设计思路。

　　事实上，在去年的年度高性能处理器研讨会Hot-Chips 22上，AMD就着重提到了推土机的多线程处理能力，而今年的Hot-Chips 23中，就此方面AMD更是不吝言辞，宣传较多。可见，多线程技术是推土机设计理念转变的重中之重。而这种多线程，AMD 称之为CMT(Cluster-Based Multi-Threading，簇式多线程)。如何实现CMT呢?就是我们下面要谈到的推土机模块化设计。