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Core i7 740QM为英特尔移动CPU的高端产品,具有4核8线程和6MB三级缓存,运行频率为1.73GHz,它支持英特尔智能睿频(Turbo Boost)技术, 睿频后可高达2.93GHz。该款CPU采用了45nm的制造工艺,热设计功耗45W,采用了Socket G1封装接口,属于Nehalem四核心产品,并支持超线程和虚拟化技术,支持双通道DDR3-1333内存。
Core i7-740QM于2010年6月份发布,官方千颗批发价378美元。其具体参数见如下表格:
主要参数 | |
型号 | Core i7 740QM |
主要用途 | 笔记本 |
核心数量 | 四核 |
线程数量 | 八线程 |
接口类型 | PGA988 |
核心名称 | Clarksfield |
主频 | 1.73GHz |
Max Turbo Frequency | 2.93 GHz |
Intel® Smart Cache | 6 MB |
外频 | 外频 133MHz |
倍频 | 13X |
DMI | 2.5 GT/s |
二级缓存 | 2048K L2 |
三级缓存 | L3 6144K |
制程工艺 | 45 nm |
最大内存容量 (视内存类型类型) | 8 GB |
内存类型 | DDR3-1066/1333 |
内存通道 | 2 |
最大内存带宽 | 21 GB/s |
物理地址扩展 | 36-bit |
ECC内存支持 | 否 |
集成显示芯片 | 否 |
封装大小 | 37.5mm x 37.5mm |
核心大小 | 296 mm |
晶体管数目 | 774百万 |
功能参数 | |
节能技术 | 支持节能技术 |
TDP功耗 | 45W |
多媒体指令集 | SSE4.1,EM64T,SSE3,SSE,SSE2,MMX,SSE4.2 |
64位计算 | 支持64位计算 |
Intel® Turbo Boost Technology | 支持 |
Intel® vPro Technology | 支持 |
Intel® Hyper-Threading Technology(超线程技术) | 支持 |
Intel® Virtualization Technology (VT-x)(虚拟化技术) | 支持 |
Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d) | 支持 |
Intel® Trusted Execution Technology | 支持 |
AES New Instructions | 不支持 |
Intel® 64 | 支持 |
Idle States | 支持 |
Enhanced Intel SpeedStep® Technology | 支持 |
Thermal Monitoring Technologies(热量监控技术) | 支持 |
Execute Disable Bit(硬件防病毒技术) | 支持 |
Intel Core i7 740QM 是英特尔新开发的一款处理器型号,基于45nm Nehalem微架构,拥有四个核心、八个逻辑线程,原始主频提升到1.73GHz,动态加速单核心最高频率2.93GHz,三级缓存6MB,支持双通道DDR3-1333内存,支持全速单PCI-E 2.0 x16或半速双PCI-E 2.0 x8图形系统,热设计功耗均为45W。
从高级层面角度看,SNB架构只是一次进化,但是如果看看Nehalem/Westmere以来晶体管变化的规模,绝对是一次革命。 Core 2引入了一种叫作循环流检测器(LSD)的逻辑块,检测到CPU执行软件循环的时候就会关闭分枝预测器、预取/解码引擎,然后通过自身缓存的微指令(micro-ops)供给执行单元。这种做法通过在循环执行的时候关闭前端节省了功耗,并改进了性能。SNB里又增加了一个微指令缓存,用于在指令解码时临时存放。这里没有什么严格的算法,指令只要在解码就会放入缓存。预取硬件获得一个新指令的时候,会首先检查它是否存在于微指令缓存中,如是则由缓存为其余的管线服务,前端随之关闭。解码硬件是x86管线里非常复杂的部分,关闭它能够节约大量的功耗。如果这种技术也能引入到Atom处理器架构中,无疑也能使之受益匪浅。
这个缓存是直接映射的,能存储大约1.5K微指令,相当于6KB指令缓存。它位于一级指令缓存内,大多数程序的命中率都能达到80%左右,而且带宽也相比一级指令缓存更高、更稳定。真正的一级指令和数据缓存并没有变,仍然都是32KB,合计64KB。
这看起来有点儿像Pentium 4的追踪缓存,但最大的不同是它并不缓存追踪,而更像是一个指令缓存,存储的是微指令,而非x86指令(macro-ops)。 与此同时,Intel还完全重新了一个分支预测单元(BPU),精确度更高,并在三个方面进行了创新。
第一,标准的BPU都是2-bit预测器,每个分支都使用相关可信度(强/弱)进行标记。Intel发现,这种双模预测器所预测的分支几乎都是强可信度的,因此SNB里多个分支都使用一个可信度位,而不是每个分支对应一个可信度位,结果就是在分支历史表中同样的位可以对应更多分支,进而提高预测精确度。
第二,分支目标同样做了翻新。之前的架构中分支目标的大小都是固定的,但是大多数目标都是相对近似的。SNB现在支持多个不同的分支目标大小,而不是一味扩大寻址能力、保存所有分支目标,因而浪费的空间更少,CPU能够跟踪更多目标、加快预测速度。
第三,提高分枝预测器精度的传统方法是使用更多的历史位,但这只对要求长指令的特定类型分支有效,SNB于是将分支按照长短不同历史进行划分,从而提高预测精度。
类似于AMD的推土机、山猫,Intel SNB也使用了物理寄存器文件。Core 2、Nehalem架构中,每个微指令需要的每个操作数都有一份拷贝,这就意味着乱序执行硬件(调度器/重排序缓存/关联队列)必须要非常大,以便容纳微指令和相关数据。Core Duo时代是80-bit,加入SSE指令集后增至128-bit,现在又有了AVX指令集,按照趋势会翻番至256-bit。 RPF在寄存器文件中存储微指令操作数,而微指令在乱序执行引擎中只会携带指向操作数的指针,而非数据本身。这就大大降低了乱序执行硬件的功耗(转移大量数据很费电的),同时也减小了流水线的核心面积,数据流窗口也增大了三分之一。
核心面积的精简正是AVX指令(SNB最主要革新之一)集得以实现并保证良好性能的关键所在。以最小的核心面积代价,Intel将所有SIMD单元都转向了256-bit。
AVX支持256-bit操作数,相当消耗晶体管与核心面积,而RPF的使用加大了乱序执行缓冲,能够很好地满足更高吞吐量的浮点引擎。
Nehalem架构中有三个执行端口和三个执行单元堆栈:
SNB允许256-bit AVX指令借用128-bit的整数SIMD数据路径,这就使用最小的核心面积实现了双倍的浮点吞吐量,每个时钟可以进行两个256-bit AVX操作。另外执行硬件和路径的上位128-bit是受电源栅极(Power Gate)控制的,标准128-bit SSE操作不会因为256-bit扩展而增加功耗。
AMD推土机架构对AVX的支持则有所不同,使用了两个128-bit SSE路径来合并成256-bit AVX操作,即使八核心(四模块)推土机的256-bit AVX吞吐量也要比四核心SNB少一半,不过实际影响完全取决于应用程序如何利用AVX。 SNB的峰值浮点性能翻了一番,这就对载入和存储单元提出了更高要求。Nehalem/Westmere架构中有三个载入和存储端口:载入、存储地址、存储数据。
SNB架构中载入和存储地址端口是对称的,都可以执行载入或者存储地址,载入带宽因此翻倍。 SNB的整数执行也有了改进,只是比较有限。ADC指令吞吐量翻番,乘法运算可加速25%。环形总线、三级缓存和系统助手
Nehalem/Westmere每个核心都与三级缓存单独相连,都需要大约1000条连线,而这种做法的缺点是如果频繁访问三级缓存,效果可能不会太好。 SNB又整合了GPU图形核心、视频转码引擎,并共享三级缓存。Intel并没有沿用此前的做法,再增加2000条连线,而是像服务器版的Nehalem-EX、Westmere-EX那样,引入了环形总线(Ring Bus),每个核心、每一块三级缓存(LLC)、集成图形核心、媒体引擎、系统助手(System Agent)都在这条线上拥有自己的接入点,形象地说就是个"站台"。
这条环形总线由四条独立的环组成,分别是数据环(DT)、请求环(QT)、响应环(RSP)、侦听环(SNP)。每条环的每个站台在每个时钟周期内都能接受32字节数据,而且环的访问总会自动选择最短的路径,以缩短延迟。随着核心数量、缓存容量的增多,缓存带宽也随时同步增加,因而能够很好地扩展到更多核心、更大服务器集群。
这样,SNB每个核心的三级缓存带宽都是96GB/s,堪比高端Westmere,而四核心系统更是能达到384GB/s,因为每个核心都在环上有一个接入点。 三级缓存的延迟也从大约36个周期减少到26-31个周期。此前预览的时候我们就已经感觉到了这一点,现在终于有了确切的数字。三级缓存现在被划分成多个区块,分别对应一个CPU核心,都在环形总线上有自己的接入点和完整缓存管线。每个核心都可以访问全部三级缓存,只是延迟不同。此前三级缓存只有一条缓存管线,所有核心的请求都必须通过它,现在很大程度上分而治之了。 和以前不同的是,三级缓存的频率现在也和核心频率同步,因而速度更快,不过缺点是三级缓存也会随着核心而降频,所以如果CPU降频的时候GPU又正好需要访问三级缓存,速度就慢下来了。
经过环形总线、三级缓存的变化,非核心(Uncore)概念还在,但是Intel改称之为系统助手,基本就相当于曾经的北桥芯片: PCI-E控制器,可提供16条PCI-E 2.0信道,支持单条PCI-E x16或者两条PCI-E x8插槽;
重新设计的双通道DDR3内存控制器,内存延迟也恢复了正常水平(Westmere将内存控制器移出CPU、放到了GPU上);
此外还有DMI总线接口、显示引擎、电源控制单元(PCU)。
系统助手的频率要低于其他部分,有自己独立的电源层。
Intel的集成显卡似乎总是个笑话,但这次确实不一样了。SNB的CPU性能相比现在提升了10-30%,进化到第六代的GPU图形性能则会轻松翻好几番。 Westmere虽然也自带了图形核心,但与CPU是双内核封装,只是通过45nm工艺、更多着色硬件、更高频率提升了性能,SNB则将CPU、GPU封装在同一内核中,全部采用32nm工艺,特别是显著提高了IPC(指令/时钟)。
SNB GPU有自己的电源岛和时钟域,也支持Turbo Boost技术,可以独立加速或降频,并共享三级缓存。显卡驱动会控制访问三级缓存的权限,甚至可以限制GPU使用多少缓存。将图形数据放在缓存里就不用绕道去遥远而"缓慢"的内存了,这对提升性能、降低功耗都大有裨益。 不过这么做并没有说起来这么简单。NVIDIA GF100核心费了九牛二虎之力,SNB其实也差不多,同样进行了全新设计。
顺便提一下Intel的独立显卡工程Larrabee。它的重点是广泛使用全面可编程硬件(除了纹理硬件),SNB则是全面使用固定功能硬件,功能特性和硬件单元相对应,这样的好处是性能、功耗、核心面积都大大优化,损失则是缺乏弹性。显然,Intel世界的中心仍旧是CPU,不能让GPU过分强大,这和NVIDIA的理念正好相反。
可编程着色硬件被称为EU,包含着色器、核心、执行单元等,可以从多个线程双发射时取指令。内部ISA映射和绝大多数DX10 API指令一一对应,架构很像CISC,结果就是有效扩大了EU的宽度,IPC也显著提升。
抽象数学运算由EU内的硬件负责,性能得以同步提高。Intel表示,正弦(sine)、余弦(cosine)操作的速度比现在的HD Graphics提升了几个数量级。
Intel此前的图形架构中,寄存器文件都是即时重新分配的。如果一个线程需要的寄存器较少,剩余寄存器jiuihui分配给其他线程。这样虽能节省核心面积,但也会限制性能,很多时候线程可能会面临没有寄存器可用的尴尬。在芯片组集成时代,每个线程平均64个寄存器,Westmere HD Graphics提高到平均80个,SNB则每个线程固定为120个。
所有这些改进加起来,SNB里每个EU的指令吞吐量都比现在的HD Graphics增加了一倍。
SNB集成的GPU图形核心分为两大版本,分别拥有6个、12个EU。首批发布的移动版全部是12个EU,桌面版则根据型号不同而有两种配置,可能是高端12个、低端6个。得益于每个EU吞吐量翻番、运行频率更高、共享三级缓存等特点,即使只有六个的时候性能也会相当令人满意。
除了GPU图形核心,SNB中还有一个媒体处理器,专门负责视频解码、编码。
新的硬件加速解码引擎中,整个视频管线都通过固定功能单元进行解码,和现在正好相反。Intel据此宣称,SNB在播放视频的时候功耗可降低一半。 视频编码引擎则是全新的。具体细节没有公布,但是Intel现场拿出了一段3分钟长的1080p 30Mbps高清视频,将其转换成640×360 iPhone格式,结果整个过程耗时仅仅14秒钟,转换速度高达400FPS左右,而这只花费了大约3平方毫米的核心面积。 Intel与软件产业合作密切,相信这种视频转码技术会很快得到广泛支持。
Lynnfield Core i7/i5首次引入了智能动态加速技术"Turbo Boost"(睿频),能够根据工作负载,自动以适当速度开启全部核心,或者关闭部分限制核心、提高剩余核心的速度,比如一颗热设计功耗(TDP)为 95W的四核心处理器,可能会三个核心完全关闭,最后一个大幅提速,一直达到95W TDP的限制。 现有处理器都是假设一旦开启动态加速,就会达到TDP限制,但事实上并非如此,处理器不会立即变得很热,而是有一段时间发热量距离TDP还差很多。
SNB利用这一点特性,允许单元控制单元(PCU)在短时间内将活跃核心加速到TDP以上,然后慢慢降下来。PCU会在空闲时跟踪散热剩余空间,在系统负载加大时予以利用。处理器空闲的时间越长,能够超越TDP的时间就越长,但最长不超过25秒钟。 不过在稳定性方面,PCU不会允许超过任何限制。
之前我们也已经说过了,SNB GPU图形核心也可以独立动态加速,最高可达惊人的1.35GHz。如果软件需要更多CPU资源,那么CPU就会加速、GPU同时减速,反之亦然。
Sandy Bridge家族仍然沿用酷睿i3/i5/i7的品牌+子系列的命名方式,编号上采用四位数字,其中第一位均为"2",表示第二代Core i系列,编号末尾往往有一个代表不同含义的字母:K代表不锁定倍频,均为高端产品;S代表性能优化,原始频率比没有字母后缀的低很多,但是单核心加速最高频率基本相同,另外热设计功耗都是65W;T代表功耗优化,热设计功耗只有45W或35W。
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Core i7 Extreme 965采用了与i7系列中其他产品不同的黑色包装,使人很轻易的就联想到了“黑盒”这个名词。作为最高端产品,其不仅在包装上采用了不同的设计,Intel更为这颗处理器提供了全球联保的承诺。
此外在包装中还附带了Intel原厂散热器。通过观察原装散热器的底部,可以看出为了更好的提升散热能力,该散热器使用了比较高效的全铜底座设计。
由于Core i7 965 Extreme处理器采用了十分出色的微架构,再加上其延续了酷睿2处理器优秀的超频能力,因此其超频性能十分令人期待。
许多网友都非常关注Turbo Boost功能为例:最先发布的酷睿i7900(Core i7 900)系列处理器旗舰型号Core i7 965处理器所具备的Turbo Boost功能,幅度由3.2GHz--3.46GHz,而Lynnfield核心的Core i7处理器高端型号,则可以由2.93GHz起跳提升至3.6GHz,这样的幅度确实令人感到振奋。下面重新回顾一下基于Nehalem架构设计 的Lynnfield核心所具备的几个重要的特性。
一:通吃单与多线程处理的Turbo
毫无疑问,Turbo Boost技术是针对当前应用程序在多核心处理器上具备不同表现的现状所开发的一项重要技术。
Turbo Boost,顾名思义,可以在原先的性能水平上获得额外的提升,该技术的基础是来自Nehalem架构中分布广泛的节能环节及核心智能动态调节的设计方式。对于INTEL传 统的多核心处理器,无论其是否被程序所充分调用,多个核心通常都处于同步的频率状态,即使某个程序只能使用到四核心处理中的一个核心,该核心也只能运作在 标准的状态下,其他核心即使维持在同样的频率下,也无法对其构成任何协助。
而Turbo Boost技术改变了这种状况。得益于这项技术的加入,无论所使用的应用程序对于多核心处理器的适应性表现如何,都可以获得相应的性能提升。如果所运行的软件可以充分调用到所有的核心,则四颗核心可以运作在标准的频率之下,如果所运行的软件只可以调用到四颗核心中的两个核心,则Nehalem 架构允许处理器智能的暂时关闭(以极低的能耗运作,接近关闭)其余两颗空闲的核心,降低处理器的总能耗及发热量,而根据处理器的能耗及发热量自动调高另外 两颗“繁忙”核心的频率,让程序运作的更快,如果该程序是更加极端的针对单核心设计,则Nehalem架构也允许处理器智能的暂时关闭处理器的其余三颗核 心,而集中力量提升该“繁忙”的核心的最高频率,最大化的提升该软件的运行效率。
这种分档式的Turbo Boost技术可以让Nehalem架构处理器在面对各类应用软件时都能得心应手,以往的多核无用论声音在基于Nehalem架构制造的Bloomfield核心与Lynnfield核心Core i7/i5处理器上,不再适用。
应该说,这样的设计思路原本并不复杂,但能够真正的实现智能化调节且不对处理器的运作造成干扰则需要良好的设计功底与制造实力作为支撑、特别值得一 提的是Intel45纳米制造工艺极其优秀的能耗控制及其业界领先的晶体管切换速度,保证了Turbo Boost技术在实现的同时得以真正的实现智能化,并且核心工作状态的切换速度极快,所有的变化均在极短的时间内完成,用户在操作中也不会察觉。
由于很多软件还优化不到四线程或者八线程,只支持双线程,甚至单线程运行。如果旧式四核心处理器,要么一齐降低频率,降低功耗;要么一齐工作,一齐频率增加,功耗增加较多;而现在Nehalem微架构加入英特尔® 智能加速技术(Intel® Turbo Boost)这个功能后,则能令日常支持双线程的软件运行时,其他两个核心频率降低,在不影响TDP(最大功耗)的情况下,把正在工作的双核心频率超上去,达到更快的速度;如果该软件只支持单线程处理的话,则3个核心会同时降低频率,在不影响TDP的情况下,把正在工作的单核心频率超得更高一些,达到单核心处理最快的效果。不浪费CPU性能和能源。
二:新一代超线程“SMT”技术
SMT(Simultaneous Multi-Threading)技术可以说是INTEL早前超线程技术(Hyper-Threading)的重大革新与延续。如果说在早前的INTEL 奔腾4处理器上,超线程技术的发挥或多或少还受到限制的话,那么在Nehalem架构上,超线程技术的延续:SMT技术则展现了其所具备的惊人实力。
对于超线程技术(Hyper-Threading)应该说很多用户都不陌生,这个在奔腾四处理器上第一次出现的技术曾经在业界引发了巨大的轰动,在 一颗物理核心上可以模拟两个逻辑线程,根据处理核心执行单元的负载自动分配两个线程的执行状态,从而提升多线程软件的整体效率。
而如今,Nehalem架 构具备更多的执行单元,更宽的指令通道,更大的缓存容量,更加海量的数据带宽,改良后的SMT技术可以将充分支持多线程的执行效率再提升30%以上,这样 的效率提升对于看中多线程性能,诸如:视频压缩,视频制作,图形渲染,工业设计,数据库处理等应用的用户来说是极具诱惑力的。
在Intel的产品线规划中,基于Bloomfield核心与Lynnfield核心的Core i7处理器将独占SMT技术得到四核心八线程的应用优势,基于Lynnfield核心的酷睿i5处理器将不具备SMT技术。
三:智能缓存体系“Smart Cache
智能缓存体系的进化在Nehalem架构上可以说是非常重要的一环,正是由于智能缓存体系的重新设计,使得Intel第一款原生X86架构四核心处理器的性能在他诞生之初就得以发挥到极致,无论是单核心性能还是多核心并行性能都有可靠的保证。
Nehalem架构的一级缓存(L1 Cache)依旧延续自Core微架构,由32KB的指令缓存 32KB的数据缓存所构建。在二级缓存(L2 Cache)上,则改由与每个内核紧密结合的256KB高速缓存承担。由于与处理器内核结合的非常紧密,L1 Cache与L2 Cache连同处理器内核共同构成了Nehalem处理器的"Core"部分。而三级缓存(L3 Cache)则采取模块化设计方案,被称作"Uncore"部分,四核心的Nehalem架构处理器无论是Lynnfield核心还是 Bloomfield核心均搭配的是8MB容量的三级缓存。
Nehalem架构的整个缓存体系使用包含式(Inclusive)设计,三级缓存中包含了所有处理核心的二级缓存所存储的内容,因此当核心A所具 备的256KB二级高速缓存中不包含其所需的核心B正在处理的数据,则可以直接从L3中调取而无需查询包括核心B在内的其他核心的L2 Cache,大大缩短了缓存的延迟周期,如果在L3中也无法找到核心所需的数据,则可以直接确定其余核心的L2 Cache中也不具备,可以立即决定由内存中调取,由此大大降低了数据存取的延迟。
尽管处理器内核与三级缓存采用模块化设计组合,可以根据不同档次处理器的设计,自由添加或者增减处理器内核的数量,三级缓存的大小,但是整个缓存体系的性能表现之强悍确实令人感到惊讶。
除了智能化的设计之外,还必须提到,得益于Intel强大的半导体研发与生产功底,Intel Nehalem架构的处理器上所具备的三级缓存模块至少可以说是所有X86架构处理器所能达到的最高水平,无论在性能还是晶圆面积的控制上都毫无疑问的走在业界的前列。正是由于这样大容量低延迟的三级缓存作为后盾,Nehalem架构处理器得以在有限的晶圆面积内重整Intel X86架构处理器传统的缓存体系设计,同时但却能保证其总容量略有降低的情况下大幅提升Nehalem微架构相对于Core微架构的性能表现。
台式机CPU |
|
系列型号 |
Core i7 XE(酷睿i7) |
接口类型 |
Socket 1366 |
针脚数 |
1366Pin |
核心类型 |
Bloomfield(四核心) |
核心数量 |
四核心 |
制作工艺 |
45纳米 |
主频(GHz) |
3.2 |
前端总线 |
3200MHz |
处理器外频 |
133MHz |
倍频 |
24 |
支持内存类型 |
支持三通道DDR3 1066 |
多媒体指令集 |
MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4.1、SSE4.2 |
二级缓存容量 |
256KB*4 |
虚拟化技术 |
Intel VT |
TDP功耗 |
130W |
工作温度 |
43.2℃-67.9℃ |