一、CMP和SMT

首先有必要来回顾一下CMP和SMT的优劣势：

CMP：CMP的方式非常直接，简单来说，CMP是通过“复制”物理核心来扩展处理器在多线程软件中的性能，这是获得最佳性能一种最简单和最有效的方式。但CMP的缺点是制造成本很昂贵，并且也要受到处理器制造工艺的限制，毕竟不能将芯片做的越来越大。并且CMP的方式对负载要求也很高，只有经过适当并行优化的负载才能充分发挥CMP的性能，很多核心的CMP常常会浪费资源，在一些应用中，主频更高、结构更简单的双核和四核处理器就往往可以获得更好的性能。

SMT：SMT是一个相对廉价的技术，比如英特尔的Hyper-Threading，允许每个物理核心运行两个同步线程。SMT的设计思想是充分利用每个核心的资源。如果一个物理核心只有一个执行线程，那么在等待内存中的关键代码或数据的时候，线程处于停顿状态，这样核心的利用率是低下的。而SMT技术允许一个物理核心运行两个或更多的线程，可以根据当前的状况动态进行切换，如果一个线程处于停顿状态等待内存，另一个线程的指令则可以使用这个物理核心的所有执行单元，让物理核心利用的更加充分。

为了让SMT正常工作，处理器的所有代码和存储部分需要被复制或分区。例如，一个双线程SMT处理器需要两套架构寄存器和重命名寄存器，一套给线程A，一套给线程B。另外组成指令窗口的共享指令队列要具备很大的空间，这样指令窗口才能容纳足够多的来自两个线程的指令，让执行单元可以保持在忙碌状态。最后，两个线程任何共享单元，比如处理管线不同部分的指令缓存，都不能被任一个线程独占。换句话说，SMT核心的两个线程需要和另一个紧密的共享资源，保证核心的缓存单元不会空置没有线程利用。

SMT技术对那些不需要核心线程（threads）全负荷运行的多线程负载比较有意义，对于一个双线程SMT设计来说，如果这两个线程都需要花费很长时间等待主内存，那么这个双线程SMT会表现的就一个CMP双核处理器，甚至更加高效——因为它比CMP双核成本要低得多。在这种理想的状况下，一个双线程SMT核心几乎可以等同于一个双核处理器，并且能耗上还要低的多。

但SMT的效率根据负载不同会有很大差异，AMD认为在真实的应用情况中，一个双线程SMT核心仅仅等同于1.3个常规核心的效能，因为很多时候线程都在执行资源而不是等待主内存响应，换句话说，如果主内存不再是瓶颈，SMT的执行单元就过剩了，而一个SMT核心也就不再比一个单纯的核心更高效，毕竟SMT核心需要增加一些电路设计，比一个单纯的核心成本要高一些。二、推土机架构分析

AMD“推土机”将采用32nmSOI工艺，这让“推土机”相比“马尼库尔”皓龙处理器可以在不增加功耗的前提下增加33%的核心数量、增加50%的吞吐量。与AMD之前所有处理器都有所不同的是，“推土机”采用了“模块化”的设计，每个“模块”包含两个处理器核心，这有些像一个启用了SMT的单核处理器。

每个核心具有各自的整数调度器和四个专有的管线，两个核心共享一个浮点调度器和两个128位FMAC乘法累加器。所不同的，在K10架构中，ALU和AGU共享三个管线（平均1.5个），“推土机”中每个核心整数单元管线的数量增加为4个，2个AGU专有、2个ALU专有。L1缓存也有所不同，在K10架构中，每个核心具有64KB L1指令缓存和64KB L1数据缓存；而“推土机”每个核心具有16KBL1数据缓存、每个模块具有64KB双向L1指令缓存，至于减小的L1缓存是否会影响性能还有待观察。两个核心共享L2缓存，模块之间共享L3缓存及北桥。

AMD“推土机”模块

“模块”和“核心”，这让我们不免会产生混淆，实际对于用户们来说，没必要去刻意的关注“模块”的概念，这只不过是AMD在设计上的称谓，而当产品投放市场的时候，依旧会以核心数量为标识，比如我们说采用推土机架构的“Interlagos”服务器处理器具有16个核心，而不会说是8个模块。对于为何采用这种“模块”设计的主要原因，AMD表示是“为了减少CPU的冗余电路”。

如果采用CMP的方式，随着核心数量的增加，CPU的核心面积也会越来越大，重复的电路也会越来越多，功耗也会随之增加——因为CMP是采用复制核心的方式。而采用“模块”设计可以大大减少冗余电路，这对核心的大量增加很有意义。比如“推土机”，两个核心共享浮点部分，对于大部分服务器应用来说，整数运算的部分要远远高于浮点运算（高性能计算除外），所以将浮点执行单元共享并不会影响大多数应用中的性能。而整数部分则不是共享的，否则会造成瓶颈。

上文我们回顾过CMP和SMT设计的特点，我们可以把AMD“推土机”架构看做是介于这两种之间的一种设计：两个线程（核心）共享浮点执行单元，但是各自具有独立的整数执行资源。这看上去像是SMT的另一种形式，或者说是经过AMD改良的一种“AMD式的第三种方式”。但与传统的SMT设计不同，SMT仅仅复制的是核心的存储部分，一个线程一个存储模块（registerfile），而AMD“推土机”架构中，每个线程复制的是完整的整数执行单元硬件，一个线程具有一个存储模块（registerfile）和一组完整的整数执行单元。

AMD“推土机”核心架构的一些特性

每个线程具有独立的整数执行单元是AMD“推土机”和双线程SMT设计的主要区别。不过从“推土机”的设计来看，这并不像真正意义上的“CMP双核”，毕竟两个核心还要共享浮点执行单元，或者可以称之为“1.5核”。这样设计的好处就是能够大大节省晶体管的数量、降低核心面积和功耗，同时降低成本。即使不是真正的“双核”，但不难想象这样的设计要比SMT更加高效，相比之下，传统的SMT设计可以称之为是一种“1.2核”的设计。

AMD表示平均计算下，一个单独的“推土机”核心执行两个线程可以达到1.8核CMP的效率，但是，这样的数字也是要依赖于负载情况。虽然“推土机”的模块设计要比传统的SMT设计在执行效率上更高，但是增加的整数执行单元也提高了成本和能耗。另外，没有意外的话，AMD“推土机”应该具备很好的浮点计算性能。AMD表示虽然FPU是被两个线程共享的一个部分，如果给予足够的内存带宽，芯片将具有很高的浮点运算能力。2100433B