《电脑四大核心硬件知识详解》之《CPU 知识详解》核 心 类 型

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7、核心类型

　　核心（Die）又称为内核，是 CPU 最重要的组成部分。CPU 中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU 所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种 CPU 核心都具有固定的逻辑结构，一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元，都会有科学的布局。

　　为了便于 CPU 设计、生产、销售的管理，CPU 制造商会对各种 CPU 核心给出相应的代号，这也就是所谓的 CPU 核心类型。

　　不同的 CPU （不同系列或同一系列）都会有不同的核心类型（例如 Pentium 4 的 Northwood，Willamette 以及 K6-2 的 CXT 和 K6-2+ 的 ST-50 等等），甚至同一种核心都会有不同版本的类型（例如 Northwood 核心就分为 B0 和 C1 等版本），核心版本的变更，是为了修正上一版存在的一些错误，并提升一定的性能，而这些变化，普通消费者是很少去注意的。每一种核心类型都有其相应的制造工艺（例如 0.25um、0.18um、0.13um 以及 0.09um 等）、核心面积（这是决定 CPU 成本的关键因素，成本与核心面积基本上成正比）、核心电压、电流大小、晶体管数量、各级缓存的大小、主频范围、流水线架构和支持的指令集（这两点是决定 CPU 实际性能和工作效率的关键因素）、功耗和发热量的大小、封装方式（例如 S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2 等等）、接口类型（例如 Socket 370，Socket A，Socket 478，Socket T，Slot 1、Socket 940 等等）、前端总线频率（FSB）等等。因此，核心类型在某种程度上决定了 CPU 的工作性能。

　　一般说来，新的核心类型，往往比老的核心类型具有更好的性能（例如同频的 Northwood 核心 Pentium 4 1.8A GHz 就要比 Willamette 核心的 Pentium 4 1.8 GHz 性能要高）。但这也不是绝对的。这种情况一般发生在新核心类型刚推出时，由于技术不完善或新的架构和制造工艺不成熟等原因，可能会导致新的核心类型的性能反而还不如老的核心类型的性能。例如，早期 Willamette 核心 Socket 423 接口的 Pentium 4 的实际性能，不如 Socket 370 接口的 Tualatin 核心的 Pentium III 和赛扬，现在的低频 Prescott 核心 Pentium 4 的实际性能，不如同频的 Northwood 核心 Pentium 4 等等。但随着技术的进步以及 CPU 制造商对新核心的不断改进和完善，新核心的中后期产品的性能，必然会超越老核心产品。

　　CPU 核心的发展方向，是更低的电压、更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积（这会降低 CPU 的生产成本从而最终会降低 CPU 的销售价格）、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能（例如集成内存控制器，等等）以及双核心和多核心（也就是一个 CPU 内部有 2 个或更多个核心）等。CPU 核心的进步，对普通消费者而言，最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的 CPU。

　　在 CPU 漫长的历史中，伴随着纷繁复杂的 CPU 核心类型。以下分别就 Intel CPU 和 AMD CPU 的主流核心类型，作一个简介。主流核心类型介绍（仅限于台式机 CPU，不包括笔记本 CPU 和服务器/工作站 CPU，而且不包括比较老的核心类型）。

（一）Intel CPU 的核心类型

　　1) Tualatin

　　这也就是大名鼎鼎的“图拉丁”核心，是 Intel 在 Socket 370 架构上的最后一种 CPU 核心，采用 0.13um 制造工艺，封装方式采用 FC-PGA2 和 PPGA，核心电压也降低到了 1.5V 左右，主频范围从 1GHz 到 1.4GHz，外频分别为 100MHz（赛扬）和 133MHz（Pentium III），二级缓存分别为 512KB（Pentium III-S）和 256KB（Pentium III 和赛扬），这是最强的 Socket 370 核心，其性能甚至超过了早期低频的 Pentium 4系列 CPU。

　　2) Willamette

　　这是早期的 Pentium 4 和 P4 赛扬采用的核心，最初采用 Socket 423 接口，后来改用 Socket 478 接口（赛扬只有 1.7GHz 和 1.8GHz 两种，都是 Socket 478 接口），采用 0.18um 制造工艺，前端总线频率为 400MHz，主频范围从 1.3GHz 到 2.0GHz（Socket 423）和 1.6GHz 到 2.0GHz（Socket 478），二级缓存分别为 256KB（Pentium 4）和 128KB（赛扬）。注意，另外还有些型号的 Socket 423 接口的 Pentium 4 居然没有二级缓存！核心电压 1.75V 左右，封装方式采用 Socket 423 的 PPGA INT2，PPGA INT3，OOI 423-pin，PPGA FC-PGA2 和 Socket 478 的 PPGA FC-PGA2 以及赛扬采用的 PPGA 等等。Willamette 核心制造工艺落后，发热量大，性能低下，已经被淘汰掉，而被 Northwood 核心所取代。

　　3) Northwood

　　这是目前主流的 Pentium 4 和赛扬所采用的核心，其与 Willamette 核心最大的改进，是采用了 0.13um 制造工艺，并都采用 Socket 478 接口，核心电压 1.5V 左右，二级缓存分别为 128KB（赛扬）和 512KB（Pentium 4），前端总线频率分别为 400/533/800MHz（赛扬都只有 400MHz），主频范围分别为 2.0GHz 到 2.8GHz（赛扬），1.6GHz 到 2.6GHz（400MHz FSB Pentium 4），2.26GHz 到 3.06GHz（533MHz FSB Pentium 4）和 2.4GHz 到 3.4GHz（800MHz FSB Pentium 4），并且 3.06GHz Pentium 4 和所有的 800MHz Pentium 4 都支持超线程技术（Hyper-Threading Technology），封装方式采用 PPGA FC-PGA2 和 PPGA。按照 Intel 的规划，Northwood 核心会很快被 Prescott 核心所取代。

　　4) Prescott

　　这是 Intel 新的 CPU 核心，最早使用在 Pentium 4 上，现在低端的赛扬 D 也大量使用此核心，其与Northwood 最大的区别是采用了 0.09um 制造工艺和更多的流水线结构，初期采用 Socket 478 接口，以后会全部转到 LGA 775 接口，核心电压 1.25-1.525V，前端总线频率为 533MHz（不支持超线程技术）和 800MHz（支持超线程技术），主频分别为 533MHz FSB 的 2.4GHz 和 2.8GHz 以及 800MHz FSB 的 2.8GHz、3.0GHz、3.2GHz 和 3.4GHz。其与 Northwood 相比，其 L1 缓存从 8KB 增加到 16KB，而 L2 缓存则从 512KB 增加到 1MB，封装方式采用 PPGA。按照 Intel 的规划，Prescott 核心会很快取代 Northwood 核心，并且很快就会推出 Prescott 核心 533MHz FSB 的赛扬。

　　5) Prescott 2M

　　Prescott 2M 是 Intel 在台式机上使用的核心，与 Prescott 不同，Prescott 2M 支持 EM64T 技术，也就是说，可以使用超过 4G 内存，属于 64 位的 CPU，这是 Intel 第一款使用 64 位技术的台式机 CPU。

　　Prescott 2M 核心，使用 90nm 制造工艺，集成 2M 二级缓存，800 或者 1066MHz 前端总线。从目前来说，P4 的 6 系列和 P4EE CPU，使用的是 Prescott 2M 核心。Prescott 2M 本身的性能并不是特别出众，不过，由于集成了大容量的二级缓存和使用较高的频率，性能仍然有提升。此外，Prescott 2M 核心还支持增强型的 Intel SpeedStep 技术(EIST)。这种技术完全与英特尔的移动处理器中的节能机制一样，它可以让 Pentium 4 6 系列处理器在低负载的时候降低工作频率，这样，可以明显降低它们在运行时的工作热量及功耗。


（二）AMD CPU 的核心类型

　　1) Athlon XP 的核心类型

　　Athlon XP 有 4 种不同的核心类型，但都有共同之处：都采用 Socket A 接口，而且都采用 PR 标称值标注。

　　2) Palomino

　　这是最早的 Athlon XP 的核心，采用 0.18um 制造工艺，核心电压为 1.75V 左右，二级缓存为 256KB，封装方式采用 OPGA，前端总线频率为 266MHz。

　　3) Thoroughbred

　　这是第一种采用 0.13um 制造工艺的 Athlon XP 核心，又分为 Thoroughbred-A 和 Thoroughbred-B 两种版本，核心电压 1.65V-1.75V 左右，二级缓存为 256KB，封装方式采用 OPGA，前端总线频率为 266MHz 和 333MHz。

　　4) Thorton

　　采用 0.13um 制造工艺，核心电压 1.65V 左右，二级缓存为 256KB，封装方式采用 OPGA，前端总线频率为 333MHz。可以看作是屏蔽了一半二级缓存的 Barton。


　　5) Barton

　　采用 0.13um 制造工艺，核心电压 1.65V 左右，二级缓存为 512KB，封装方式采用 OPGA，前端总线频率为 333MHz 和 400MHz。


（三）新 Duron 的核心类型

　　AppleBred

　　采用 0.13um 制造工艺，核心电压 1.5V 左右，二级缓存为 64KB，封装方式采用 OPGA，前端总线频率为 266MHz。没有采用 PR 标称值标注，而以实际频率标注，有 1.4GHz、1.6GHz 和 1.8GHz 三种。


（四）Athlon 64 系列 CPU 的核心类型

　　1) Sledgehammer

　　Sledgehammer 是 AMD 服务器 CPU 的核心，是 64 位的 CPU，一般为 940 接口，采用 0.13 微米工艺。Sledgehammer 的功能强大，集成三条 HyperTransprot 总线，核心使用 12 级流水线，128K 一级缓存、集成 1M 二级缓存，可以用于单路到 8 路 CPU 服务器。Sledgehammer 集成内存控制器，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时，支持双通道 DDR 内存，由于是服务器 CPU，当然支持 ECC 校验。

　　2) Clawhammer

　　采用 0.13um 制造工艺，核心电压 1.5V 左右，二级缓存为 1MB，封装方式采用 mPGA，采用 Hyper Transport 总线，内置一个 128bit 的内存控制器。采用 Socket 754、Socket 940 和 Socket 939 接口。

　　3) Newcastle

　　其与 Clawhammer 的最主要区别，就是二级缓存降为 512KB（这也是 AMD 为了市场需要和加快推广 64 位 CPU 而采取的相对低价政策的结果），其它性能基本相同。

　　4) Wincheste

　　Wincheste 是比较新的 AMD Athlon 64 CPU 核心，是 64 位的 CPU，一般为 939 接口，0.09 微米制造工艺。这种核心使用 200MHz 外频，支持 1GHyperTransprot 总线，512K 二级缓存，性价比较好。Wincheste 集成双通道内存控制器，支持双通道 DDR 内存，由于使用新的工艺，Wincheste 的发热量比旧的 Athlon 小，性能也有所提升。

　　5) Troy

　　Troy 是 AMD 第一个使用 90nm 制造工艺的 Opteron 核心。Troy 核心是在 Sledgehammer 基础上增添了多项新技术而来的，通常为 940 针脚，拥有 128K 一级缓存和 1MB (1024 KB)二级缓存。同样使用 200MHz 外频，支持 1GHyperTransprot 总线，集成了内存控制器，支持双通道 DDR 400 内存，并且可以支持 ECC 内存。此外，Troy 核心还提供了对 SSE-3 的支持，和 Intel 的 Xeon 相同。总的来说，Troy 是一款不错的 CPU 核心。

　　6) Venice

　　Venice 核心是在 Wincheste 核心的基础上演变而来，其技术参数和 Wincheste 基本相同：一样基于 X86-64 架构、整合双通道内存控制器、512KB L2 缓存、90nm 制造工艺、200MHz 外频，支持 1GHyperTransprot 总线。Venice 的变化主要有三方面：一是使用了 Dual Stress Liner(简称 DSL)技术，可以将半导体晶体管的响应速度提高 24％，这样 CPU 有更大的频率空间，更容易超频；二是提供了对 SSE-3 的支持，和 Intel 的 CPU 相同；三是进一步改良了内存控制器，一定程度上增加处理器的性能，更主要的是增加内存控制器对不同 DIMM 模块和不同配置的兼容性。此外 Venice 核心还使用了动态电压，不同的 CPU 可能会有不同的电压。

　　7) SanDiego

　　SanDiego 核心与 Venice 一样，是在 Wincheste 核心的基础上演变而来，其技术参数和 Venice 非常接近，Venice 拥有的新技术、新功能，SanDiego 核心一样拥有。不过 AMD 公司将 SanDiego 核心定位到顶级 Athlon 64 处理器之上，甚至用于服务器 CPU。可以将 SanDiego 看作是 Venice 核心的高级版本，只不过缓存容量由 512KB 提升到了 1MB。当然，由于 L2 缓存增加，SanDiego 核心的内核尺寸也有所增加，从 Venice 核心的 84 平方毫米增加到 115 平方毫米，当然价格也更高昂。


（五）闪龙系列 CPU 的核心类型

　　1) Paris

　　Paris 核心是 Barton 核心的继任者，主要用于 AMD 的闪龙，早期的 754 接口闪龙部分使用 Paris 核心。Paris 采用 90nm 制造工艺，支持 iSSE2 指令集，一般为 256K 二级缓存，200MHz 外频。Paris 核心是 32 位 CPU，来源于 K8 核心，因此也具备了内存控制单元。CPU 内建内存控制器的主要优点，在于内存控制器可以以 CPU 频率运行，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时。使用 Paris 核心的闪龙与 Socket A 接口闪龙 CPU 相比，性能得到明显提升。

　　2) Palermo

　　Palermo 核心目前主要用于 AMD 的闪龙 CPU，使用 Socket 754 接口、90nm 制造工艺，1.4V 左右电压，200MHz 外频，128K 或者 256K 二级缓存。Palermo 核心源于 K8 的 Wincheste 核心，不过是 32 位的。除了拥有与 AMD 高端处理器相同的内部架构，还具备了 EVP、Cool'n'Quiet；和 HyperTransport 等 AMD 独有的技术，为广大用户带来更“冷静”、更高计算能力的优秀处理器。由于脱胎与 ATHLON 64 处理器，所以，Palermo 同样具备了内存控制单元。CPU 内建内存控制器的主要优点，在于内存控制器可以以 CPU 频率运行，比起传统上位于北桥的内存控制器有更小的延时。


（六）双核心类型

　　在2005年以前，主频一直是两大处理器巨头 Intel 和 AMD 争相追逐的焦点。而且处理器主频也在 Intel 和 AMD 的推动下，达到了一个又一个的高峰。就在处理器主频提升速度的同时，也发现在目前的情况下，单纯主频的提升，已经无法为系统整体性能的提升带来明显的好处，并且高主频带来了处理器巨大的发热量。更为不利是，Intel 和 AMD 两家在处理器主频提升上已经有些力不从心了。在这种情况下，Intel 和 AMD 都不约而同地将目光投向了多核心的发展方向。在不用进行大规模开发的情况下，将现有产品发展成为理论性能更为强大的多核心处理器系统，无疑是相当明智的选择。

　　双核处理器就是基于单个半导体的一个处理器上拥有两个一样功能的处理器核心，即是将两个物理处理器核心整合入一个内核中。事实上，双核架构并不是什么新技术，不过此前双核心处理器一直是服务器的专利，现在已经开始普及之中。

　　1) Intel 的双核心处理器介绍

　　目前 Intel 推出的双核心处理器，有 Pentium D 和 Pentium Extreme Edition，同时推出 945/955 芯片组来支持新推出的双核心处理器，采用 90nm 工艺生产的这两款新推出的双核心处理器，使用是没有针脚的 LGA 775 接口，但处理器底部的贴片电容数目有所增加，排列方式也有所不同。

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                          图18

　　桌面平台的核心代号 Smithfield 的处理器，正式命名为 Pentium D 处理器。除了摆脱阿拉伯数字改用英文字母来表示这次双核心处理器的世代交替外，D 的字母也更容易让人联想起 Dual-Core 双核心的涵义。

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图19 揭开外壳后的双核心 Pentium D 处理器

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                  图20 双核心构架内部示意图

　　Intel 的双核心构架，更像是一个双 CPU 平台，Pentium D 处理器继续沿用 Prescott 架构及 90nm 生产技术生产。Pentium D 内核实际上由于两个独立的 Prescott 核心组成，每个核心拥有独立的 1MB L2 缓存及执行单元，两个核心加起来一共拥有 2MB。但由于处理器中的两个核心都拥有独立的缓存，因此必须保证每个二级缓存当中的信息完全一致，否则就会出现运算错误。

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         图21 MCH 协调两颗核心之间的相互调用

　　为了解决这一问题，Intel 将两个核心之间的协调工作交给了外部的 MCH（北桥）芯片。虽然缓存之间的数据传输与存储并不巨大，但由于需要通过外部的 MCH 芯片进行协调处理，毫无疑问的会对整个的处理速度带来一定的延迟，从而影响到处理器整体性能的发挥。

　　由于采用 Prescott 内核，因此 Pentium D 也支持 EM64T 技术、XD bit 安全技术。值得一提的是，Pentium D 处理器将不支持 Hyper-Threading 技术。原因很明显：在多个物理处理器及多个逻辑处理器之间正确分配数据流、平衡运算任务并非易事。比如，如果应用程序需要两个运算线程，很明显每个线程对应一个物理内核，但如果有 3 个运算线程呢？因此为了减少双核心 Pentium D 架构复杂性，英特尔决定在针对主流市场的 Pentium D 中取消对 Hyper-Threading 技术的支持。

　　同出自 Intel 之手，而且 Pentium D 和 Pentium Extreme Edition 两款双核心处理器名字上的差别也预示着这两款处理器在规格上也不尽相同。其中，它们之间最大的不同，就是对于超线程（Hyper-Threading）技术的支持。Pentium D 不能支持超线程技术，而 Pentium Extreme Edition 则没有这方面的限制。在打开超线程技术的情况下，双核心 Pentium Extreme Edition 处理器能够模拟出另外两个逻辑处理器，可以被系统认成四核心系统。


　　2) AMD 的双核心处理器介绍

　　AMD 推出的双核心处理器，分别是双核心的 Opteron 系列和全新的 Athlon 64 X2 系列处理器。其中，Athlon 64 X2 是用以抗衡 Pentium D 和 Pentium Extreme Edition 的桌面双核心处理器系列。

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                  图22

　　AMD 推出的 Athlon 64 X2 是由两个 Athlon 64 处理器上采用的 Venice 核心组合而成，每个核心拥有独立的 512KB(1MB) L2 缓存及执行单元。除了多出一个核芯之外，从架构上相对于目前 Athlon 64 在架构上并没有任何重大的改变。

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         图23 Athlon 64 X2（左侧）与普通 Athlon 64 的对比

　　双核心 Athlon 64 X2 的大部分规格、功能与我们熟悉的 Athlon 64 架构没有任何区别，也就是说，新推出的 Athlon 64 X2 双核心处理器，仍然支持 1GHz 规格的 HyperTransport 总线，并且内建了支持双通道设置的 DDR 内存控制器。

　　与 Intel 双核心处理器不同的是，Athlon 64 X2 的两个内核并不需要经过 MCH 进行相互之间的协调。 AMD 在 Athlon 64 X2 双核心处理器的内部提供了一个称为 System Request Queue(系统请求队列)的技术，在工作的时候，每一个核心都将其请求放在 SRQ 中，当获得资源之后，请求将会被送往相应的执行核心。也就是说，所有的处理过程都在 CPU 核心范围之内完成，并不需要借助外部设备。

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   图24 AMD Athlon 64 X2 内部示意图

　　对于双核心架构，AMD 的做法是将两个核心整合在同一片硅晶内核之中，而 Intel 的双核心处理方式则更像是简单的将两个核心做到一起而已。与 Intel 的双核心架构相比，AMD 双核心处理器系统不会在两个核心之间存在传输瓶颈的问题。因此，从这个方面来说，Athlon 64 X2 的架构要明显优于 Pentium D 架构。

　　虽然与 Intel 相比，AMD 并不用担心 Prescott 核心这样的功耗和发热大户，但是同样需要为双核心处理器考虑降低功耗的方式。为此 AMD 并没有采用降低主频的办法，而是在其使用 90nm 工艺生产的 Athlon 64 X2 处理器中，采用了所谓的 Dual Stress Liner 应变硅技术，与 SOI 技术配合使用，能够生产出性能更高、耗电更低的晶体管。

　　AMD 推出的 Athlon 64 X2 处理器给用户带来最实惠的好处就是，不需要更换平台，就能使用新推出的双核心处理器，只要对老主板升级一下 BIOS 就可以了。这与 Intel 双核心处理器必须更换新平台才能支持的做法相比，升级双核心系统会节省不少费用。