AMD推土機(jī)架構(gòu)回顧

AMD嘔心瀝血研發(fā)的”推土機(jī)“模塊化架構(gòu)讓玩家產(chǎn)生了極大的期待，實(shí)際表現(xiàn)不盡如人意。

AMD新一代Zen架構(gòu)的處理器已經(jīng)被提上了日程，為其苦苦支撐多年的推土機(jī)架構(gòu)即將退出歷史舞臺(tái)，雖然在推土機(jī)架構(gòu)唱主角的這幾年里，AMD在和Intel的競(jìng)爭(zhēng)中節(jié)節(jié)敗退，終究還算是守住了江山一隅?；剡^(guò)頭來(lái)再好好審視AMD推土機(jī)架構(gòu)，其實(shí)這款產(chǎn)品的規(guī)格也并非像它在市場(chǎng)上的表現(xiàn)那么不堪，只能說(shuō)兩家公司的規(guī)模和技術(shù)研發(fā)實(shí)力差距實(shí)在太大，推土機(jī)的失敗也算是非戰(zhàn)之罪。

作為一家營(yíng)收不足Intel公司1/10的“小公司”，AMD公司的斗志以及創(chuàng)新精神讓人敬佩，在HT總線、DDR內(nèi)存、多核處理器等技術(shù)上敢為人先，而在64位X86指令集上更是讓Intel低頭認(rèn)輸，直到現(xiàn)在這個(gè)勝利都是AMD最為驕傲的成績(jī)之一。因此在K10架構(gòu)之后，AMD嘔心瀝血研發(fā)的”推土機(jī)“模塊化架構(gòu)讓玩家產(chǎn)生了極大的期待。但是，最后的結(jié)果大家現(xiàn)在都知道了，推土機(jī)架構(gòu)處理器就像是跳水運(yùn)動(dòng)員一樣，起點(diǎn)很完美，但入水時(shí)浪花太大而撲街，實(shí)際表現(xiàn)不盡如人意。這次高開(kāi)低走也讓AMD心灰意冷，推土機(jī)架構(gòu)在桌面市場(chǎng)小幅升級(jí)到第二代Piledriver打樁機(jī)架構(gòu)之后就草草結(jié)束FX處理器更新，后面兩代架構(gòu)只在Kaveri及Carrizo兩代APU上出現(xiàn)，桌面版到現(xiàn)在為止差不多5年沒(méi)升級(jí)了。

從2011年FX-8150發(fā)布到2015年Carrizo APU問(wèn)世，AMD的模塊化架構(gòu)一共出了Bulldozer推土機(jī)、Piledriver打樁機(jī)、Steamroller壓路機(jī)及Excavator挖掘機(jī)四代，其中前兩代用于FX及APU處理器，2012年之后AMD就不再升級(jí)FX系列的架構(gòu)了（產(chǎn)品型號(hào)倒是有升級(jí)），Steamroller壓路機(jī)及Excavator挖掘機(jī)只有APU上才有用，制程工藝也只從32nm升級(jí)到28nm，而Intel在這幾年中一直升級(jí)了SNB、IVB、Haswell、Broadwell及Skylake等處理器，制程工藝也從32nm一路升級(jí)到22nm、14nm及最新的14nm Plus。

今天我們來(lái)回顧下AMD模塊化架構(gòu)6年來(lái)走過(guò)的路，無(wú)論大家對(duì)它以往的評(píng)價(jià)如何，現(xiàn)在都不重要了，因?yàn)槲覀兌贾浪呀?jīng)是過(guò)去時(shí)了，AMD即將在第一季度推出Ryzen處理器，全新的Zen架構(gòu)、14nm LPP工藝以及AM4平臺(tái)使得Ryzen更有吸引力，它身上也沒(méi)了“推土機(jī)”架構(gòu)的影子，從內(nèi)核到緩存都重新設(shè)計(jì)了。

Bulldozer推土機(jī)

AMD推的第一代模塊化架構(gòu)就是Bulldozer推土機(jī)，以至于“推土機(jī)”都成了AMD整個(gè)模塊化架構(gòu)的代名詞。在推土機(jī)問(wèn)世之時(shí)，其架構(gòu)確實(shí)有很多革命之處，包括全新的SSE5指令集、模塊化多核、彈性浮點(diǎn)單元等設(shè)計(jì)有其獨(dú)到之處，也有讓人耳目一新的感覺(jué)。

關(guān)于推土機(jī)的架構(gòu)設(shè)計(jì)在這里就不再贅述了，當(dāng)時(shí)AMD對(duì)多核多線程的設(shè)計(jì)走的是物理多核，不同于傳統(tǒng)的SMT同步多線程，推土機(jī)的模塊化多核被稱(chēng)為CMT物理多核，其設(shè)計(jì)意圖就是希望通過(guò)2個(gè)整數(shù)單元、1個(gè)共享浮點(diǎn)單元解決實(shí)際使用中整數(shù)多于浮點(diǎn)的過(guò)程，理論上這種設(shè)計(jì)要比SMT多線程更有效率。

推土機(jī)架構(gòu)產(chǎn)品中，旗艦型號(hào)是FX-8150，號(hào)稱(chēng)首款桌面8核處理器，頻率3.6-4.2GHz，支持DDR3-1866，8MB L3緩存，規(guī)格比Intel當(dāng)年的SNB旗艦Core i7-2600K還要高，只不過(guò)125W TDP功耗高于后者的95W，畢竟核心數(shù)比SNB還是多了一倍。但是在最終的性能表現(xiàn)上，推土機(jī)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)AMD的期待——2011年早些時(shí)候Intel推出了SNB處理器，在與SNB的對(duì)比中8核推土機(jī)除了在多線程上憑借核心多一倍略有優(yōu)勢(shì)之外，單線程性能上被SNB處理器完勝，在延遲、內(nèi)存帶寬等方面也不如Intel處理器。更重要的是，AMD的推土機(jī)使用的是GlobalFoundries的32nm SOI工藝，雖然同期Intel SNB處理器也是32nm工藝，但8核推土機(jī)核心面積高達(dá)315mm2，晶體管數(shù)量才12億，Intel 4核SNB處理器核心面積216mm2，晶體管數(shù)量11.6億，而且后者還是包含GPU核心在內(nèi)的。

最終的結(jié)果就是8核推土機(jī)架構(gòu)在技不如人的情況下，發(fā)熱、功耗控制更是不如SNB處理器，而GF的32nm工藝產(chǎn)能、良率當(dāng)時(shí)也不給力，多重因素制約下，推土機(jī)首發(fā)表現(xiàn)很難讓市場(chǎng)認(rèn)可，消費(fèi)者并不買(mǎi)賬，唯一值得“炫耀”的就是AMD FX-8150處理器價(jià)格只要200美元左右，比Intel 4核Core i7便宜50%左右，性?xún)r(jià)比是AMD僅存的優(yōu)勢(shì)了。

Piledriver打樁機(jī)

第一代模塊化架構(gòu)推土機(jī)并沒(méi)有一鳴驚人，AMD在第二代模塊化架構(gòu)“Piledriver”中對(duì)推土機(jī)架構(gòu)做了修補(bǔ)，2012年10月份正式推出了Vishera平臺(tái)，AMD在此基礎(chǔ)上不僅推出了FX-8150的繼任者FX-8350，還衍生出世界首款5GHz處理器FX-9590，還有TDP降至95W的FX-8370E/8320E處理器。

相比第一代的Bulldorzer架構(gòu)，Piledriver打樁機(jī)硬件單元變化不大，主要提升了一倍的L1 TLB單元、新增HW Divider硬件分配器、改善了S/L操作效率、提升了L2緩存效率及預(yù)測(cè)精度、優(yōu)化了整數(shù)及浮點(diǎn)單元調(diào)度，增加了FMA4、BMI、CVT16、TBM等指令，整體上是對(duì)推土機(jī)架構(gòu)小修小補(bǔ)，目的是提高架構(gòu)效率，降低能耗。從AMD資料來(lái)看，Piledriver相比Bulldozer架構(gòu)減少了10%的動(dòng)態(tài)功耗，同樣的電壓下大幅提升了CPU頻率空間，以FX-8350為例，同樣是在125W TDP下，其基礎(chǔ)頻率從FX-8150的3.6GHz增加到了4GHz，加速頻率4.2GHz。

Piledriver架構(gòu)效率的提升使得AMD在擴(kuò)展新品上有了更多靈活性，TDP增至220W的情況下，他們推出了號(hào)稱(chēng)世界首款5GHz頻率的FX-9590處理器，而同樣是8核配置下又推出了TDP降至95W的FX-8370E/8320E處理器。遺憾的是，AMD這兩波產(chǎn)品都沒(méi)有獲得市場(chǎng)認(rèn)可，消費(fèi)者并不買(mǎi)賬，AMD后面索性不再折騰FX系列處理器了，從Piledriver架構(gòu)之后事實(shí)上放棄了FX產(chǎn)品線，新品升級(jí)都沒(méi)了。

除了略顯悲催的FX系列處理器之外，Piledriver還用在了Trinity APU上，第一代Llano APU因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系沒(méi)趕上推土機(jī)架構(gòu)，使用的還是K10架構(gòu)CPU核心，Trinity直接上了第二代模塊化架構(gòu)。用于APU的Piledriver架構(gòu)砍掉了L3緩存，核心數(shù)也從8核降至4核，還增加了GPU核心，TDP功耗也降至100W以?xún)?nèi)。

AMD的第二代模塊架構(gòu)Piledriver改善了推土機(jī)架構(gòu)的效率、功耗，但并沒(méi)有根本性變化，并不足以扭轉(zhuǎn)AMD的困境，相反Intel當(dāng)年推出了22nm工藝的IVB處理器，而且用上了FinFET工藝，GlobalFoundries的32nm SOI工藝即便成熟起來(lái)了，AMD跟Intel之間的性能、功耗差距實(shí)際上越來(lái)越大了。

Steamroller壓路機(jī)

Piledriver在FX系列處理器上的失利讓AMD放棄了高性能平臺(tái)，高端市場(chǎng)已經(jīng)無(wú)力再跟Intel對(duì)干，8核打4核、定價(jià)更低的情況下依然無(wú)法獲得玩家青睞，AMD第三代模塊化架構(gòu)Steamroller索性只用在了Kaveri APU上。

早前AMD官方路線圖中表示Piledriver的重點(diǎn)是優(yōu)化效率，Steamroller才被視作性能增強(qiáng)版，發(fā)布之前官方及小道消息都在強(qiáng)調(diào)Steamroller架構(gòu)性能有明顯提升，比前代提升至少30%，甚至可以對(duì)標(biāo)Intel的Haswell架構(gòu)，這才是模塊化架構(gòu)本來(lái)應(yīng)該有的樣子，之前的架構(gòu)名不副實(shí)。Kaveri的最終成品是我們之前已經(jīng)熟悉的A10-7850K及后續(xù)衍生出來(lái)的A10-7870K等，其CPU使用了4個(gè)Steamroller核心，AMD增加了L1數(shù)據(jù)緩存到96KB，整數(shù)單元擁有獨(dú)立的解碼單元，分支預(yù)測(cè)更有效率，增強(qiáng)了指令的數(shù)據(jù)預(yù)取性能，核心思路還是提高單核執(zhí)行能力，推動(dòng)每瓦性能比進(jìn)一步提升。具體到產(chǎn)品上來(lái)看，Kaveri APU除了CPU、GPU架構(gòu)升級(jí)之外，內(nèi)存頻率也提升到DDR3-2133MHz，支持了PCI-E 3.0，而且制程工藝也從之前的32nm SOI升級(jí)到了28nm SHP，AMD從這一代節(jié)點(diǎn)開(kāi)始放棄SOI工藝，而28nm雖然也不是最適合CPU的高性能工藝，但AMD已經(jīng)顧不了這么多了，現(xiàn)在的重點(diǎn)是APU產(chǎn)品線，F(xiàn)X系列已經(jīng)不聞不問(wèn)了。Kaveri在AMD APU產(chǎn)品線表現(xiàn)算是很不錯(cuò)的了，CPU、GPU架構(gòu)及工藝升級(jí)使之具備更好的性能、功耗表現(xiàn)，雖然CPU性能依然不能跟Intel同代相提并論，但憑借GPU的優(yōu)勢(shì)，Kaveri戰(zhàn)戰(zhàn)Core i3或者部分Core i5處理器還是可以的，能滿(mǎn)足一般家庭使用。

不過(guò)AMD最大的問(wèn)題還是出在自己身上，Kaveri自身進(jìn)度一拖再拖，發(fā)布時(shí)間從2013年推到了2014年初，真正鋪貨時(shí)間更晚，而后續(xù)產(chǎn)品又出現(xiàn)了脫節(jié)，導(dǎo)致了AMD在2015年又用Kaveri Refresh硬撐一年，這就到了Carrizo一代了。

Excavator挖掘機(jī)

時(shí)間到了2015年，AMD在臺(tái)北電腦展上正式發(fā)布了Carrizo APU，相比Kaveri升級(jí)到了第四代模塊化架構(gòu)Excavator挖掘機(jī)，制程工藝還是28nm SHP不變，但這一次AMD繼續(xù)挖掘工藝潛力，在核心面積從245mm2僅僅增加到250mm2的情況下提高了晶體管密度，31億晶體管要比Kaveri APU的24億多了29%。

在Excavator架構(gòu)上，AMD的重點(diǎn)還是繼續(xù)優(yōu)化效率，降低功耗，從Steamroller壓路機(jī)的高性能庫(kù)轉(zhuǎn)向高密度庫(kù)設(shè)計(jì)，換來(lái)的好處就是同樣的28nm工藝下，CPU內(nèi)核面積可以減少23%，功耗更低，自適應(yīng)電壓技術(shù)的加入減少了10%的電壓波動(dòng)，泄露減少了18%，同樣的功率下頻率可提升10%，或者同樣的頻率下減少20%的功耗。

另一方面，Excavator架構(gòu)還增加了新技術(shù)、新規(guī)范支持，支持AVX2指令集，還有DDR4內(nèi)存，其中Carrizo桌面版中的A12-9800頻率從之前的3.7-4.0GHz提升到了3.8-4.2GHz，TDP功耗反而從95W降低到了65W。

可惜的是，Carrizo的Excavator架構(gòu)雖然日趨成熟，但AMD在進(jìn)度上一直不盡如人意，Carrizo 2015年推出了移動(dòng)版，桌面版本該稍后，但還是各種延期，直到2016年9月份才算是正式發(fā)布桌面版，支持DDR4和AM4平臺(tái)還是挺有新意的，但是AMD的AM4平臺(tái)又因?yàn)閆en處理器延期，Carrizo桌面版發(fā)布了也沒(méi)啥存在感，直到現(xiàn)在你也無(wú)法在零售渠道買(mǎi)到A12-9800處理器，更沒(méi)有AM4平臺(tái)主板可用?？紤]到Ryzen處理器即將在Q1季度問(wèn)世，恐怕AM4平臺(tái)解決了，大家對(duì)Carrizo桌面版APU也沒(méi)啥興趣了，因?yàn)镽yzen處理器更值得期待。

總結(jié)

從Bulldozer推土機(jī)開(kāi)始，AMD的模塊化多核架構(gòu)先后衍生出Piledriver打樁機(jī)、Steamroller壓路機(jī)和Excavator挖掘機(jī)四代，制程工藝從32nm SOI升級(jí)到28nm SHP，功耗、發(fā)熱及性能也越來(lái)越成熟。但是回頭來(lái)看，AMD模塊多核的理念最終是鏡中花水中月，并沒(méi)有如最初期待的那樣對(duì)X86架構(gòu)進(jìn)行革命，反倒是讓AMD在這5年中徹底敗走高性能處理器市場(chǎng)。AMD的模塊化架構(gòu)失利有多方面因素，制程工藝上AMD還要受到GlobalFoundries的掣肘，后者在32nm SOI、28nm及FinFET工藝上磕磕絆絆不斷，直到全盤(pán)使用三星的14nm FinFET工藝之后才算穩(wěn)定下來(lái)。

不過(guò)AMD自身原因才是根源，四代模塊架構(gòu)即便性能打不過(guò)Intel，但也不至于混到這般下場(chǎng)，公平地說(shuō)推土機(jī)等架構(gòu)在多線程性能上還是值得一戰(zhàn)的，但AMD各種進(jìn)度延期導(dǎo)致它們并不能在合適的機(jī)會(huì)問(wèn)世。同樣拖延很久的Zen架構(gòu)很快就要來(lái)了，AMD完全放棄了推土機(jī)架構(gòu)中的物理多核思路，重新回歸SMT多線程，CPU內(nèi)核、緩存系統(tǒng)也重新設(shè)計(jì)，模塊多核已經(jīng)沒(méi)多少存在感了。