CPU核心類型的詳細介紹

2020-07-16 13:11:00

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核心（Die）又稱為內核，是CPU最重要的組成部分。CPU中心那塊隆起的芯片就是核心，是由單晶硅以一定的生產工藝制造出來的，CPU所有的計算、接受/存儲命令、處理數據都由核心執行。各種CPU核心都具有固定的邏輯結構，一級緩存、二級緩存、執行單元、指令級單元和總線接口等邏輯單元都會有科學的布局。
為了便于CPU設計、生產、銷售的管理，CPU制造商會對各種CPU核心給出相應的代號，這也就是所謂的CPU核心類型。
不同的CPU（不同系列或同一系列）都會有不同的核心類型（例如Pentium 4的Northwood，Willamette以及K6-2的CXT和K6-2+的ST-50等等），甚至同一種核心都會有不同版本的類型（例如Northwood核心就分為B0和C1等版本），核心版本的變更是為了修正上一版存在的一些錯誤，并提升一定的性能，而這些變化普通消費者是很少去注意的。每一種核心類型都有其相應的制造工藝（例如0.25um、0.18um、0.13um以及0.09um等）、核心面積（這是決定CPU成本的關鍵因素，成本與核心面積基本上成正比）、核心電壓、電流大小、晶體管數量、各級緩存的大小、主頻范圍、流水線架構和支持的指令集（這兩點是決定CPU實際性能和工作效率的關鍵因素）、功耗和發熱量的大小、封裝方式（例如S.E.P、PGA、FC-PGA、FC-PGA2等等）、接口類型（例如Socket 370，Socket A，Socket 478，Socket T，Slot 1、Socket 940等等）、前端總線頻率（FSB）等等。因此，核心類型在某種程度上決定了CPU的工作性能。
一般說來，新的核心類型往往比老的核心類型具有更好的性能（例如同頻的Northwood核心Pentium 4 1.8A GHz就要比Willamette核心的Pentium 4 1.8GHz性能要高），但這也不是絕對的，這種情況一般發生在新核心類型剛推出時，由于技術不完善或新的架構和制造工藝不成熟等原因，可能會導致新的核心類型的性能反而還不如老的核心類型的性能。例如，早期Willamette核心Socket 423接口的Pentium 4的實際性能不如Socket 370接口的Tualatin核心的Pentium III和賽揚，現在的低頻Prescott核心Pentium 4的實際性能不如同頻的Northwood核心Pentium 4等等，但隨著技術的進步以及CPU制造商對新核心的不斷改進和完善，新核心的中后期產品的性能必然會超越老核心產品。
CPU核心的發展方向是更低的電壓、更低的功耗、更先進的制造工藝、集成更多的晶體管、更小的核心面積（這會降低CPU的生產成本從而最終會降低CPU的銷售價格）、更先進的流水線架構和更多的指令集、更高的前端總線頻率、集成更多的功能（例如集成內存控制器等等）以及雙核心和多核心（也就是1個CPU內部有2個或更多個核心）等。CPU核心的進步對普通消費者而言，最有意義的就是能以更低的價格買到性能更強的CPU。
在CPU漫長的歷史中伴隨著紛繁復雜的CPU核心類型，以下分別就Intel CPU和AMD CPU的主流核心類型作一個簡介。主流核心類型介紹（僅限于臺式機CPU，不包括筆記本CPU和服務器/工作站CPU，而且不包括比較老的核心類型）。
INTEL CPU的核心類型
Northwood
這是目前主流的Pentium 4和賽揚所采用的核心，其與Willamette核心最大的改進是采用了0.13um制造工藝，并都采用Socket 478接口，核心電壓1.5V左右，二級緩存分別為128KB（賽揚）和512KB（Pentium 4），前端總線頻率分別為400/533/800MHz（賽揚都只有400MHz），主頻范圍分別為2.0GHz到2.8GHz（賽揚），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都支持超線程技術（Hyper-Threading Technology），封裝方式采用PPGA FC-PGA2和PPGA。按照Intel的規劃，Northwood核心會很快被Prescott核心所取代。
Prescott
這是Intel最新的CPU核心，目前還只有Pentium 4而沒有低端的賽揚采用，其與Northwood最大的區別是采用了0.09um制造工藝和更多的流水線結構，初期采用Socket 478接口，以后會全部轉到LGA 775接口，核心電壓1.25-1.525V，前端總線頻率為533MHz（不支持超線程技術）和800MHz（支持超線程技術），主頻分別為533MHz FSB的2.4GHz和2.8GHz以及800MHz FSB的2.8GHz、3.0GHz、3.2GHz和3.4GHz，其與Northwood相比，其L1 數據緩存從8KB增加到16KB，而L2緩存則從512KB增加到1MB，封裝方式采用PPGA。按照Intel的規劃，Prescott核心會很快取代Northwood核心并且很快就會推出Prescott核心533MHz FSB的賽揚。
Smithfield
這是Intel公司的第一款雙核心處理器的核心類型，于2005年4月發布，基本上可以認為Smithfield核心是簡單的將兩個Prescott核心松散地耦合在一起的產物，這是基于獨立緩存的松散型耦合方案，其優點是技術簡單，缺點是性能不夠理想。目前Pentium D 8XX系列以及Pentium EE 8XX系列采用此核心。Smithfield核心采用90nm制造工藝，全部采用Socket 775接口，核心電壓1.3V左右，封裝方式都采用PLGA，都支持硬件防病毒技術EDB和64位技術EM64T，并且除了Pentium D 8X5和Pentium D 820之外都支持節能省電技術EIST。前端總線頻率是533MHz(Pentium D 8X5)和800MHz(Pentium D 8X0和Pentium EE 8XX)，主頻范圍從2.66GHz到3.2GHz(Pentium D)、3.2GHz(Pentium EE)。Pentium EE和Pentium D的最大區別就是Pentium EE支持超線程技術而Pentium D則不支持。Smithfield核心的兩個核心分別具有1MB的二級緩存，在CPU內部兩個核心是互相隔絕的，其緩存數據的同步是依靠位于主板北橋芯片上的仲裁單元通過前端總線在兩個核心之間傳輸來實現的，所以其數據延遲問題比較嚴重，性能并不盡如人意。按照Intel的規劃，Smithfield核心將會很快被Presler核心取代。
Cedar Mill
這是Pentium 4 6X1系列和Celeron D 3X2/3X6系列采用的核心，從2005末開始出現。其與Prescott核心最大的區別是采用了65nm制造工藝，其它方面則變化不大，基本上可以認為是Prescott核心的65nm制程版本。Cedar Mill核心全部采用Socket 775接口，核心電壓1.3V左右，封裝方式采用PLGA。其中，Pentium 4全部都為800MHz FSB、2MB二級緩存，都支持超線程技術、硬件防病毒技術EDB、節能省電技術EIST以及64位技術EM64T；而Celeron D則是533MHz FSB、512KB二級緩存，支持硬件防病毒技術EDB和64位技術EM64T，不支持超線程技術以及節能省電技術EIST。Cedar Mill核心也是Intel處理器在NetBurst架構上的最后一款單核心處理器的核心類型，按照Intel的規劃，Cedar Mill核心將逐漸被Core架構的Conroe核心所取代。
Presler
這是Pentium D 9XX和Pentium EE 9XX采用的核心，Intel于2005年末推出?；旧峡梢哉J為Presler核心是簡單的將兩個Cedar Mill核心松散地耦合在一起的產物，是基于獨立緩存的松散型耦合方案，其優點是技術簡單，缺點是性能不夠理想。Presler核心采用65nm制造工藝，全部采用Socket 775接口，核心電壓1.3V左右，封裝方式都采用PLGA，都支持硬件防病毒技術EDB、節能省電技術EIST和64位技術EM64T，并且除了Pentium D 9X5之外都支持虛擬化技術Intel VT。前端總線頻率是800MHz(Pentium D)和1066MHz(Pentium EE)。與Smithfield核心類似，Pentium EE和Pentium D的最大區別就是Pentium EE支持超線程技術而Pentium D則不支持，并且兩個核心分別具有2MB的二級緩存。在CPU內部兩個核心是互相隔絕的，其緩存數據的同步同樣是依靠位于主板北橋芯片上的仲裁單元通過前端總線在兩個核心之間傳輸來實現的，所以其數據延遲問題同樣比較嚴重，性能同樣并不盡如人意。Presler核心與Smithfield核心相比，除了采用65nm制程、每個核心的二級緩存增加到2MB和增加了對虛擬化技術的支持之外，在技術上幾乎沒有什么創新，基本上可以認為是Smithfield核心的65nm制程版本。Presler核心也是Intel處理器在NetBurst架構上的最后一款雙核心處理器的核心類型，可以說是在NetBurst被拋棄之前的最后絕唱，以后Intel桌面處理器全部轉移到Core架構。按照Intel的規劃，Presler核心從2006年第三季度開始將逐漸被Core架構的Conroe核心所取代。
Yonah
目前采用Yonah核心CPU的有雙核心的Core Duo和單核心的Core Solo，另外Celeron M也采用了此核心，Yonah是Intel于2006年初推出的。這是一種單/雙核心處理器的核心類型，其在應用方面的特點是具有很大的靈活性，既可用于桌面平臺，也可用于移動平臺；既可用于雙核心，也可用于單核心。Yonah核心來源于移動平臺上大名鼎鼎的處理器Pentium M的優秀架構，具有流水線級數少、執行效率高、性能強大以及功耗低等等優點。Yonah核心采用65nm制造工藝，核心電壓依版本不同在1.1V-1.3V左右，封裝方式采用PPGA，接口類型是改良了的新版Socket 478接口(與以前臺式機的Socket 478并不兼容)。在前端總線頻率方面，目前Core Duo和Core Solo都是667MHz，而Yonah核心Celeron M是533MHz。在二級緩存方面，目前Core Duo和Core Solo都是2MB，而即Yonah核心Celeron M是1MB。Yonah核心都支持硬件防病毒技術EDB以及節能省電技術EIST，并且多數型號支持虛擬化技術Intel VT。但其最大的遺憾是不支持64位技術，僅僅只是32位的處理器。值得注意的是，對于雙核心的Core Duo而言，其具有的2MB二級緩存在架構上不同于目前所有X86處理器，其它的所有X86處理器都是每個核心獨立具有二級緩存，而Core Duo的Yonah核心則是采用了與IBM的多核心處理器類似的緩存方案----兩個核心共享2MB的二級緩存！共享式的二級緩存配合Intel的“Smart cache”共享緩存技術，實現了真正意義上的緩存數據同步，大幅度降低了數據延遲，減少了對前端總線的占用。這才是嚴格意義上的真正的雙核心處理器！Yonah核心是共享緩存的緊密型耦合方案，其優點是性能理想，缺點是技術比較復雜。不過，按照Intel的規劃，以后Intel各個平臺的處理器都將會全部轉移到Core架構，Yonah核心其實也只是一個過渡的核心類型，從2006年第三季度開始，其在桌面平臺上將會被Conroe核心取代，而在移動平臺上則會被Merom核心所取代。
Conroe
這是更新的Intel桌面平臺雙核心處理器的核心類型，其名稱來源于美國德克薩斯州的小城市“Conroe”。Conroe核心于2006年7月27日正式發布，是全新的Core(酷睿)微架構(Core Micro-Architecture)應用在桌面平臺上的第一種CPU核心。目前采用此核心的有Core 2 Duo E6x00系列和Core 2 Extreme X6x00系列。與上代采用NetBurst微架構的Pentium D和Pentium EE相比，Conroe核心具有流水線級數少、執行效率高、性能強大以及功耗低等等優點。Conroe核心采用65nm制造工藝，核心電壓為1.3V左右，封裝方式采用PLGA，接口類型仍然是傳統的Socket 775。在前端總線頻率方面，目前Core 2 Duo和Core 2 Extreme都是1066MHz，而頂級的Core 2 Extreme將會升級到1333MHz；在一級緩存方面，每個核心都具有32KB的數據緩存和32KB的指令緩存，并且兩個核心的一級數據緩存之間可以直接交換數據；在二級緩存方面，Conroe核心都是兩個內核共享4MB。Conroe核心都支持硬件防病毒技術EDB、節能省電技術EIST和64位技術EM64T以及虛擬化技術Intel VT。與Yonah核心的緩存機制類似，Conroe核心的二級緩存仍然是兩個核心共享，并通過改良了的Intel Advanced Smart Cache(英特爾高級智能高速緩存)共享緩存技術來實現緩存數據的同步。Conroe核心是目前最先進的桌面平臺處理器核心，在高性能和低功耗上找到了一個很好的平衡點，全面壓倒了目前的所有桌面平臺雙核心處理器，加之又擁有非常不錯的超頻能力，確實是目前最強勁的臺式機CPU核心。
Allendale
這是與Conroe同時發布的Intel桌面平臺雙核心處理器的核心類型，其名稱來源于美國加利福尼亞州南部的小城市“Allendale”。Allendale核心于2006年7月27日正式發布，仍然基于全新的Core(酷睿)微架構，目前采用此核心的有1066MHz FSB的Core 2 Duo E6x00系列，即將發布的還有800MHz FSB的Core 2 Duo E4x00系列。Allendale核心的二級緩存機制與Conroe核心相同，但共享式二級緩存被削減至2MB。Allendale核心仍然采用65nm制造工藝，核心電壓為1.3V左右，封裝方式采用PLGA，接口類型仍然是傳統的Socket 775，并且仍然支持硬件防病毒技術EDB、節能省電技術EIST和64位技術EM64T以及虛擬化技術Intel VT。除了共享式二級緩存被削減到2MB以及二級緩存是8路64Byte而非Conroe核心的16路64Byte之外，Allendale核心與Conroe核心幾乎完全一樣，可以說就是Conroe核心的簡化版。當然由于二級緩存上的差異，在頻率相同的情況下Allendale核心性能會稍遜于Conroe核心。

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