同步多線程，徹底發(fā)揮 CPU 核心的計算能力

　　在 2008 年，Intel 將其 Hyper-Threading 的技術重新導入 Core i 系列 CPU，也就我們現在所熟知的 i3、i5、i7 處理器。所謂的 Hyper-Threading，便是在一個 CPU 核心內部在將其分成兩份。然而，究竟是如何將 CPU 切成兩份呢?根據 Intel 于 2002 年所發(fā)布的Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture便可略知一二。

　　在論文中，Intel 便給出了兩張比較圖。兩個核心最主要的差異，在采用 Hyper-Threading 技術中的 CPU 中，Architecture State 單元會比一般的核心多一個。大致上，Architecture State 單元包含了多數的暫存器以及中斷訊號的控制器等，用以記錄執(zhí)行緒執(zhí)行的資訊，是無法被共用的資料。

　　▲ 左圖為未采用 Hyper-Threading 技術的 CPU Cores，右圖則是采用了 Hyper-Threading 技術的 CPU Cores，其中，兩者間的差異為一個 CPU Core 中有不同數量的 Architecture State 單元。(Source：Intel Technology Journal Vol. 1)

　　因此，在采用這個技術之后，只需要額外的 5% 面積，便可以達成更高的指令集平行化，讓 CPU 盡可能地滿載，釋放 CPU 所有的潛能。根據這一篇論文中所提供的數據，采用這一項技術后，在多執(zhí)行緒的執(zhí)行情況下，將可帶來將近 30% 的效能提升，相當驚人。

　　做為應對，AMD 于 2011 年推出 Bulldozer，其采用的并非是 Intel 所使用的 SMT 技術，而是 Clustered MultiThreaded(CMT)技術。此技術是將一顆 CPU 內部的整數執(zhí)行單元復制一份，讓 CPU 具備在同一核心內部執(zhí)行兩個執(zhí)行緒能力，在后續(xù)要擴增核心的計算能力上，相當的容易，所需要的修改相對的較少。

　　然而，其缺點便是沒有辦法共用執(zhí)行單元，無法享有 SMT 中最重要的優(yōu)點，用兩個 Thread 盡可能讓執(zhí)行單元不會有空閑狀態(tài)。此外，兩個獨立的 L1 Cache 雖然感覺在實作上會比較簡單。但是，為了要維持 Cache 的一致性，便需要擁有額外的 Core 內部資料交換單元，大大的提升控制電路的復雜性。

　　最后，結果便是眾所皆知的，AMD 于 x86 的 CPU 市占率直直落，現今在中高端的筆電市場中，更幾乎看不到采用 AMD CPU 的產品。就在 AMD 要消失在市場之中時，Zen CPU 的消息傳出!

　　Ryzen CPU，硬件架構的重新設計

　　在 2012 年，K8 的主要硬件架構師 Jim Keller 回到 AMD。這一次，他的回歸，讓 AMD 重返榮耀的聲音響起。是否新的 CPU 可以再現 K8 的傳說?這一次的 Ryzen CPU 和先前的 AMD CPU 有何差異?

　　將底層硬件架構做比較，可以發(fā)現 Ryzen CPU，取消了 Bulldozer 所提出的 Integer Cluster，并以類似 Intel Hyper-Threading 的技術取而代之。如此便能讓 CPU 盡可能地達到滿載的狀況。

　　此外，新的 Ryzen CPU 也引進了 Intel 于 Sandy Bridge 架構開始采用的 Micro-op Queue，以減少重新 Decode 的需求，提升單次可執(zhí)行的指令數。借由更多先進的技術，讓 AMD 得以獲得大幅度的效能提升。也因此，AMD 公布 Ryzen CPU 其每個周期可以執(zhí)行的指令比前一代 CPU 多 52%，改善幅度相當大。

　　至于實際的 Ryzen CPU 效能如何呢?現在已經有相當多的評測文章將 Intel Kaby Lake 系列和 Ryzen 系列 CPU 做比較，在這不再多做評比。不過，在一般的應用上，AMD 的 CPU 不會再像之前的 CPU，看不到 Intel CPU 的車尾燈。

　　▲ AMD 于 2016 年 HOT CHIPS 上所發(fā)布的架構圖。從圖中可以發(fā)現，新的架構取消掉 CMT 的技術，讓 CPU 核心變得較不復雜。(Source：AMD)

　　至此，我們已經看完了兩大 x86 巨頭間的廝殺，同時在短短的 17 年間，CPU 產業(yè)已經采用相當多的技術，以滿足與日漸增的計算需求。千禧年后 CPU 的發(fā)展簡史，讓我們見證了一代 CPU 王者的興起沒落以及歸來。

　　▲ 從圖中可以發(fā)現在 AMD Bulldozer 中，一共有兩個整數運算單元，此技術便稱為 Clustered MultiThreaded。(Source：By Shigeru23 (Made by uploader (ref：[1]， [2]， [3])) [GFDLor CC BY 3.0]， via Wikimedia Commons)