至強處理器：我這十二年
說起X86服務器，相信你一定會想到英特爾及其針對服務器、工作站的處理器平臺：至強(Xeon)，畢竟X86服務器芯片這塊市場十之八九的份額都在英特爾的手中。而且，更重要的是，在一定程度上，至強代表了X86服務器的技術核心。
眾所周知，英特爾的CPU先后經歷了8086、80286、80386、80486以及此后的奔騰系列、賽揚系列和至強系列，奔騰系列又包括奔騰1、2、3、4，其中，具有里程碑性質的是8086、80486和奔騰。1993年，英特爾公司推出“奔騰”Pentium芯片，被稱為586或P5，含有310萬個晶體管，速度達60 MHz。1995年11月，英特爾推出“新奔騰”Pentium PRO，這是自從1979年以來的芯片家族的第六代，代號為P6，有550萬個晶體管，第一批芯片運行速度為150-200 MHz。這種“新奔騰”就是至強的前身，目標直接定位于商業用高性能計算機、服務器等企業級計算領域。
翻開至強處理器12年的發展歷史，我們看到，這款處理器已經發生了巨大的變化：經過了P6(奔騰III)、Netburst(奔騰4)、酷睿、Nehalem等幾代微架構的變遷，制造工藝從最早的250納米提升了現在的45納米，CPU內核數量從單核發展到了6核，主頻從400MHz提升到3.8GHz，前端總線帶寬從100MHz發展到了1.6GHz，并最終轉換到了全新的QPI直聯架構，指令集和諸如超線程、智能節能、虛擬化等功能不斷推陳出新……
至強的商標雖然經歷了幾代x86和x86-64處理器，但仍然保留了下來，舊型號是將至強放到對應的處理器名字的末尾，如奔騰II至強，奔騰III至強，但2001轉換到奔騰4架構上之后，新型號則一率直接叫至強，這似乎也意味著基于至強的PC服務器正一步步脫離PC的色彩，更加強大，也更加獨立。比較而言，至強 CPU除了多重處理能力、在同一主板上支持多顆處理器外，比對應的桌面級CPU擁有更多的緩存。
筆者按照處理器微架構的不同，將至強這12年的歷史分成了四個階段，分別加以闡述。#P#
1998-2000年 P6微架構時代
包括250納米的奔騰II至強Drake、奔騰III至強Tanner以及180納米工藝的奔騰III至強Cascades，共20多款處理器，插座接口是Slot 2，指令集只有MMX和SSE。
P6時代，CPU主頻幾乎完全代表了產品高低檔的不同——型號中的數字與主頻是一致的，不過，主頻都很低，直到2000年的8月22日才出現了1GHz的“奔騰III至強1000”;前端總線帶寬也很低，只有100MT/s或133MT/s。
也許最讓今天人們感慨的是，P6處理器的功耗低得驚人，最高也不過46.7瓦特，最低的一款只有23瓦特。比較來看，從250納米到180納米制造工藝的進步對于P6主頻提升和功耗降低都是非常明顯的：250納米時代，主頻在400-550MHz之間徘徊，而到了180納米的奔騰III至強Cascades，主頻已經躍升至1GHz，功耗則下降了10瓦特左右，跟今天八九十瓦、甚至100多瓦的CPU相比，只有20-30瓦特的Cascades真的是相當“涼快”!
#p#2001-2006年 NetBusrt微架構時代
這是至強歷史上持續時間跨度最長的一代架構了，甚至到2007年一季度還發布了一款基于Netburst架構的產品，包括的處理器型號非常多：180納米的至強Foster，130納米的至強Prestonia和Gallatin，90納米的至強Nocona、Irwindale、Paxville、Cranford、Potomac，以及65納米的Dempsey和Tulsa，一共有70多款處理器，CPU插座有LGA 771、Socket 603。
這時至強已經開始逐漸擺脫PC的影響，型號前面也不在加上“奔騰III”、“奔騰4”的標稱，正在朝面向企業計算的獨立平臺轉化，至強出現了按UP(單路系統)、DP(雙路系統)和MP(多路系統)的劃分方式。可以說，在NetBurst時代，至強發生了脫胎換骨式的蛻變，企業計算的特征越來越明顯，同時在2003年也直接受到了AMD皓龍處理器的強有力挑戰。
在這六年當中，至強的主要特性變化特點有：
1)能效計算：制造工藝從180納米提升到了65納米;伴隨著制造工藝的進步，主頻和功耗之間的關系變得微妙起來，“要獲得高主頻往往得付出高功耗的代價”——180納米(1.4-2GHz，48-77W)、130納米(1.5-3.2GHz，30-90W)、90納米(2.6-3.8GHz，55-165W)、65納米(2.5-3.7GHz，95-150W)，比如主頻3GHz的雙核至強7040(Paxville MP)的TDP功耗就高達165W，“每瓦特性能”的概念開始出現并廣泛流行，同時，英特爾也開始通過一系列技術創新如制造工藝改進、低功耗版處理器、EIST等，來保證平臺更新時“在功耗不變的條件下提升性能”。英特爾甚至在2006年還嘗試動用了用于筆記本電腦的處理器微架構，推出基于Pentium M (Yonah)架構的雙核至強DP處理器(Sossaman)，TDP功耗為31W，使用Socket M插座，不過，主頻最大僅2.166GHz。
2)唯主頻論過時：由于唯主頻論開始過時，至強的命名型號也發生了大的變化，從2006年開始，英特爾不再用“至強UP/DP/MP+主頻”來的方式來命名、區別不同型號，而是分為針對雙路平臺的至強5000系列和針對多路平臺的至強7000系列，如至強50XX(Dempsey)、至強70XX(Paxville MP)、至強71XX(Tulsa)，后面兩位數用來標識CPU的不同，一般數字越大，表示性能越高;而且，由于這一階段還開始出現核心數量、功耗的區別，所以有些產品前面也開始加上Dual Core(雙核)、后面加上Low-voltage(低功耗)等字樣。
3)64位計算：2004年6月，在AMD64位皓龍的競爭推動下，英特爾放棄過去單純依靠安騰主打64位計算市場的策略，推出EMT64的Nocano，走上32位/64位兼容型計算道路;
4)多核計算：2005年開始出現雙核芯，多核計算開始走上快車道;
5)多功能：指令集和CPU的功能得到了頻繁更新，跟P6架構相比，新增了SSE2、SSE3指令集，以及許多過去聞所未聞的新技術，如超線程、EIST(Enhanced Intel SpeedStep Technology)智能降頻節電技術、EMT64兼容32位和64位計算、XD bit(No eXecute)防病毒防惡意攻擊技術、intel-vt硬件輔助虛擬化技術等。
6)均衡計算：隨著處理器的性能越來越強，但前端總線的帶寬提升幅度卻不大，從400、533、667、800提升到1066MT/s，I/O瓶頸也越來越突出，尤其是對于四路以上的系統。在這一階段，雖然AMD已經在2003年推出了“直連架構，集成內存控制器”的皓龍，但英特爾仍然堅持FSB架構。于是，我們看到，為了緩解CPU“吃不飽”的狀況，這一時期英特爾主要是不斷進行大容量L2緩存設計，甚至開始引入大容量L3緩存，如針對多路系統、FSB帶寬僅有667 MT/s的雙核至強7150N(Tulsa)就擁有2x1MB二級緩存和高達16MB的三級緩存。
7)虛擬化：隨著X86服務器虛擬化的流行，英特爾在2006年5月份發布的Dempsey處理器中開始引入其硬件輔助虛擬化技術intel-vt，以緩解VMware等虛擬化軟件的性能損耗，提高虛擬化的效率，此后，英特爾VT得到了長足的發展，直至今天。
總之，這是新舊交替的六年，也是英特爾歷盡蛻變的六年，不僅要面對功耗攀升的棘手問題，還要面對來自AMD的挑戰，期間雙方在64位、雙核、功耗等方面多次交手，雖然各有勝負，但總體來說，英特爾在這一時期失誤頗多，最終讓AMD皓龍在市場中占穩了腳跟。
#p#2006-2008年 酷睿(Core)微架構時代
2006年其實是Netburst和酷睿兩種架構并存的一年。差不多也是從這一年開始，英特爾引入了其新的產品更新策略：Tick-Tock，這其實也是英特爾對市場的一種承諾，即當年更新微架構，下一年更新制造工藝，依次類推，不斷推動處理器技術的發展。于是我們看到2006年是酷睿微架構年，2007是45納米工藝Penryn，2008是Nehalem微架構，2009是32納米工藝的Westmere，2010年是Sandy Bridge全新架構......
Core架構盡管歷時才3年左右，但英特爾一共推出了近90款CPU，包括：65納米針對單路平臺的的雙核Allendale(至強3000系列)、雙核Conroe(至強3000系列)、四核Kentsfield(至強3200系列)，針對雙路平臺的雙核Woodcrest(至強5100系列)和四核Clovertown(至強5300系列)，針對四路以上平臺的Tigerton(雙核至強7200系列、四核至強7300系列)，以及45納米針對單路平臺的雙核Wolfdale(至強3100系列)和四核Yorkfield(至強3300系列)，針對雙路平臺的雙核Wolfdale-DP(至強5200系列)、四核Harpertown(至強5400系列)，還有針對四路平臺的四核/六核Dunnington(至強7400系列)等十來個類別。
和Netburst微架構相比，Core時代至強處理器的變化主要有：
1) 制造工藝從65納米升級到了45納米(統稱為Penryn)，使用了高K材料，這一工藝的進步為英特爾在CPU中集成更多的晶體管、提高主頻、降低功耗、進行下一代微架構創新等提供了基礎;
2) 多核計算得到進一步發展，出出四核(最早出現在Clovertown至強5300系列中)與六核(最出現在Dunnington至強7400系列中)產品;
3) 指令集得到進一步發展，新增SSE4.1，在虛擬化、智能節能等方面也得到了進一步增強;
4) 針對單路服務器的處理器統一到至強3000系列名下;
5) 為了將CPU功耗控制在可接受的范圍以內，英特爾一方面通過多核設計來提升性能，另一方面通過工藝進步來實現主頻與功耗的平衡，跟Netburst相比來看，主頻甚至有所降低，但功耗基本得到了有效控制，65納米(1.6-3GHz，35-150瓦特)45納米(1.866-3.5GHz，20-150瓦特);
6) 由于Core時代仍然采用前端總線結構，為了提升I/O帶寬，降低I/O延遲，英特爾一方面提升總線帶寬(1066、1333、1600 MT/s)，另一方面繼續采用大容量L2和L3緩存設計，如六核心的至強7460主頻為2.667GHz，FSB為1066MT/s，L2緩存為3x3MB，L3緩存為16MB。
7) 這一時期的CPU插座也發生了變化，主要有LGA 771、LGA 775和Socket 604。
#p#2009年 Nehalem微架構時代
雖然Nehalem微架構在2008年就已經在個人電腦的i7處理器上得到采用，但在服務器上的應用卻是今年3月30日Nehalem-EP至強處理器的發布——包括45納米的針對單路系統的雙核/四核Bloomfield(至強3500系列)以及針對雙路系統的雙核/四核Gainestown(至強5500系列)。
對英特爾而言，基于45納米的Nehalem代表了一個全新時代的到來：放棄傳統前端總線架構，轉向QPI直連架構，打破傳統I/O瓶頸的束縛，QPI帶寬高達4.8-6.4 GT/s，遠遠高于FSB時代的1.6 GT/s!
如果說當年的奔騰Pro開創了X86工業標準服務器大批量生產和普及的時代，那么，至強5500則是15年來性能提升幅度最顯著的一代，其性能是2005年單核至強的9倍，是上一代至強5400的2.5倍，同時空閑狀態下的平臺功耗降低了50%，其背后采用了一系列技術包括45納米工藝、全新內存子系統、快速通道互聯技術(QPI)、智能節能技術、全新I/O子系統。在性能方面，智能加速技術可以滿足對CPU主頻比較敏感的應用需求，超線程技術則可以滿足高度并行的應用需求，針對能耗方面，則有集成功率門限、自動低功耗、節點管理器等等。這些創新的技術使得今天的用戶“可以在需要的時候提高性能，也可以在不需要性能的時候自動降低功耗。”
針對四路以上的系統，英特爾將在今年下半年投產、明年初上市八核心Nehalem-EX(估計命名為至強7500，代號Beckton)。Nehalem-EX將擁有23億晶體管，擁有4個QPI鏈接，可以讓服務器從雙路一直輕輕松松地擴展到8路，且無須第三方芯片組技術支持，從而最高可以支持到64核、128個線程，擁有24MB共享L3緩存，每個處理器支持16個內存插槽，引入了原來只在安騰上采用的RAS特性：MCA(機器檢驗體系結構)功能。根據英特爾的測試，Nehalem-EX與上一代的至強7400相比，在性能和帶寬兩方面都實現了“前所未有”的飛躍：內存帶寬高達9倍，數據庫性能超過2.5倍，整數吞吐量超過1.7倍，浮點吞吐量超過2.2倍!
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