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篇 名 : 多 核 心 CPU 成 長 日 記 作 者 : 劉 重 安 國 立 溪 湖 高 中 高 三 11 班 趙 芃 凱 國 立 溪 湖 高 中 高 三 11 班 蔡 文 凱 國 立 溪 湖 高 中 高 三 11 班 指 導 老 師 : 潘 秀 欽 老 師 第 1 頁

壹 前 言 微 處 理 器 (CPU, 被 稱 為 中 央 處 理 器 ) 可 說 是 電 腦 系 統 的 大 腦, 掌 管 整 個 電 腦 的 執 行 速 度 及 處 理 能 力, 也 主 宰 了 電 腦 的 世 代 交 替 而 CPU 的 運 算 速 度 直 接 影 響 軟 體 的 處 理 速 度 微 處 理 器 的 發 展 過 程 等 於 是 個 人 電 腦 演 進 史 的 縮 影 這 演 進 史, 正 是 我 們 要 探 討 的 地 方 從 CPU 的 一 開 始, 到 現 在 的 Intel 與 AMD 的 多 核 心 CPU 探 究 CPU 的 歷 史, 觀 看 CPU 的 演 進, 然 後, 了 解 它 貳 正 文 一 簡 介 CPU(Central Processing Unit, 即 中 央 處 理 器 ), 它 是 電 腦 中 最 重 要 的 一 個 部 分, 如 果 把 電 腦 比 作 一 個 人, 那 麼 CPU 就 是 他 的 心 臟 CPU 的 種 類 很 多, 從 超 級 電 腦 到 普 通 家 用 電 器 ; 按 照 其 處 理 信 息 的 字 長, 可 分 為 : 四 位 微 處 理 器 八 位 微 處 理 器 十 六 位 微 處 理 器 三 十 二 位 微 處 理 器 以 及 六 十 四 位 微 處 理 器 等 等 CPU 常 常 是 矩 形 或 正 方 形 的 塊 狀 物, 通 過 密 密 麻 麻 的 眾 多 接 腳 與 主 板 相 連 不 過, 我 們 看 到 的 是 CPU 的 封 裝, 而 CPU 內 部 的 核 心 是 一 片 約 1/4 英 寸 薄 薄 的 硅 晶 片, 密 布 著 百 萬 計 的 電 晶 體, 協 調 完 成 各 種 複 雜 的 運 算 和 操 作 ( 註 一 ) 二 X86 誕 生 x86 架 構 成 立 時 期, 由 8086 至 80486,IBM 要 求 Intel 必 須 授 權 x86 讓 其 它 廠 商 生 產 相 容 CPU, 除 AMD 外, 尚 有 Cyrix( 新 瑞 士 ),IBM UMC( 聯 華 電 子 ) VIA( 威 盛 ) 等 公 司 也 有 生 產 x86 系 列 CPU, 不 過 仍 無 法 憾 動 Intel 的 地 位 x86 萌 芽 期 比 較 突 破 性 的 部 份 是 個 人 電 腦 的 出 現, 讓 電 腦 不 再 是 研 究 室 或 大 公 司 的 玩 物 286 加 入 保 護 模 式 386 加 入 虛 擬 86 模 式 486 將 原 本 外 置 的 浮 點 運 算 器 內 建 三 多 核 心 的 分 道 揚 鑣 全 面 超 越 486 的 新 一 代 586 處 理 器 問 世, 為 了 擺 脫 486 時 代 處 理 器 名 稱 混 亂 的 困 擾, 最 大 的 CPU 製 造 商 Intel 公 司 把 自 己 的 新 一 代 產 品 命 名 為 Pentium( 奔 騰 ) 以 區 別 AMD 和 Cyrix 的 產 品 AMD 和 Cyrix 也 分 別 推 出 了 K5 和 6x86 處 理 器 來 對 付 Intel 第 2 頁

1 Pentium 與 K5 產 品 名 稱 Intel Pentium& Pentium Pro AMD K5 產 出 時 間 1993 年 1994 年 特 性 一 與 x86 家 族 相 容 Pentium 微 處 理 器 與 之 前 的 x86 家 族, 如 8088 80286 80386 80486 等 完 全 相 容, 並 且 可 執 行 之 前 PC 上 數 以 萬 計 的 軟 體, 使 原 先 的 軟 體 仍 可 繼 續 使 用 二 超 級 標 量 式 架 構 (Superscalar Pipeline) 使 Pentium 微 處 理 器 在 一 個 時 鐘 週 期 內, 可 以 執 行 兩 個 指 令 碼, 是 486 的 兩 倍 速 度 三 高 效 能 浮 點 運 算 器 (High Performance Floating Point Unit) 使 Pentium 微 處 理 器 的 浮 點 運 算 比 486 快 3 至 5 倍, 大 幅 提 昇 圖 形 運 算 速 度 四 分 支 指 令 預 測 (Branch Prediction ) 能 讓 Pentium 微 處 理 器 預 先 載 入 下 一 個 可 能 執 行 的 指 令, 如 此 便 可 以 最 快 的 速 度 提 供 給 CPU 執 行 指 令 碼 五 64BIT 資 料 匯 流 排 (64-Bit Data Bus)64 位 元 的 資 料 匯 流 排, 使 資 料 傳 輸 率 高 達 每 秒 528Mbyte, 符 合 多 媒 體 時 代 中 大 量 的 視 訊 資 料 傳 輸 六 支 援 多 重 處 理 器 ( Multiprocessor Support)Pentium 微 處 理 器 內 建 多 處 理 器 功 能, 可 以 在 主 機 板 上 架 構 多 處 理 器, 加 快 執 行 速 度, 讓 使 用 者 同 時 使 用 多 個 CPU 及 Cache Memory( 快 取 記 憶 體 ) 的 資 源 一 K5 採 用 RISC 核 心 架 構, 將 傳 統 x86 指 令, 切 割 成 更 細 小 且 長 度 固 定 的 ROP(RISC OPeration,Risc 運 算 微 碼 ), 解 決 傳 統 x86 架 構, 因 為 指 令 碼 長 度 大 小 不 一, 管 線 分 配 不 均 勻 所 造 成 的 性 能 瓶 頸 二 K5 是 四 線 路 超 純 量 設 計 ( 4WaySuperscalar), 每 週 期 能 同 時 解 碼 並 發 出 四 個 ROP 微 指 令 到 管 線 上, 分 配 給 六 個 執 行 單 元 執 行 這 是 比 Pentium/P6 更 高 層 次 且 更 複 雜 的 超 純 量 架 構, 理 想 狀 態 下,K5 每 個 週 期 應 可 執 行 四 個 指 令, 是 同 時 脈 Pentium 的 兩 倍! 三 內 建 8KB 寫 回 式 資 科 快 取, 以 及 16KB 指 令 快 取 記 憶 體, 搭 配 外 部 64 位 元 資 料 / 記 憶 體 匯 流 排 四 具 備 隨 機 推 測 執 行 能 力 ( Speculative executing), 當 執 行 到 條 件 判 斷 或 分 歧 點 時, 內 建 lkb 分 歧 預 測 緩 衝 區 ( 含 在 16KB 程 式 快 取 區 ), 在 指 令 分 歧 點 的 預 測 位 址, 預 先 抓 取 程 式 碼 進 入 管 線, 維 持 管 線 內 指 令 的 滿 載 狀 態 五 透 過 與 lntel 交 換 授 權 微 碼 指 令 集,K5 與 現 有 的 x86 程 式 碼 完 全 相 容, 並 經 過 視 窗 硬 體 驗 證 實 驗 室 (WHQL,Windows Hardware Qua lify Laboratory) 驗 證, 與 Windows3.1 Windows 95 家 族 作 業 系 統 能 完 全 第 3 頁

七 16Kbytes 的 Cache Memory( 快 取 記 憶 體 )Pentium 的 Dual On-Board Caches( 雙 重 分 離 式 快 取 記 憶 體 ) 是 採 指 令 碼 與 資 料 區 的 Cache Memory 分 離, 因 此 指 令 碼 與 資 料 區 的 Cache 分 開, 各 自 擁 8K 的 容 量, 使 Pentium 微 處 理 器 能 全 速 執 行 指 令, 減 少 等 待 及 搬 移 資 料 的 次 數 及 時 間 相 容 這 時 期,Intel 與 AMD 雖 然 以 不 同 架 構, 不 同 名 稱 推 出 新 一 代 的 CPU, 但 是 腳 位 仍 相 容, 主 機 版 也 大 多 能 相 容, 兩 家 尚 未 分 的 很 徹 底 兩 家 都 新 增 了 超 純 量 設 計 以 及 分 支 預 測 能 力, 這 是 這 時 期 較 重 大 的 兩 項 進 步, 讓 CPU 在 一 個 迴 圈 裡 能 執 行 超 過 1 個 指 令,486 以 前 就 是 很 死 板 的 一 個 迴 圈 1 個 指 令, 所 以 時 脈 多 少 就 是 能 跑 多 快, 但 是 增 加 那 兩 個 技 術 後, 同 時 脈 下 硬 是 比 486 以 前 的 CPU 還 要 快 上 許 多 2 Pentium 與 K6 產 品 名 稱 Intel PentiumMMX&PentiumII AMD K6 產 出 時 間 1996 年 推 出 PentiumMMX 1997 年 推 出 PentiumII 1997 年 推 出 K6 Pentium MMX: AMD K6: 特 性 Pentium MMX 以 450 萬 顆 電 晶 體, 採 用 0.35 微 米 的 CMOS 省 電 製 程 製 作 而 成, 是 世 界 上 第 一 顆 具 備 MMX 指 令 集 的 Pentium 級 處 理 器 (MMX 據 稱 是 MultiMedia extension 的 簡 稱 ) 它 跟 以 往 的 Pentium 的 差 別 在 於 : 除 了 內 建 57 組 MMX 指 令 集 能 執 行 針 對 MMX 開 發 的 多 媒 體 軟 體 之 外,P55C 把 內 部 L1 快 取 記 憶 體 增 加 一 倍, 從 原 來 的 16KB 增 加 到 32KB, 同 時 強 化 程 式 的 分 歧 預 測 與 管 線 位 階, 所 以 Pentium MMIX 執 行 一 般 應 用 程 式, 也 比 同 時 脈 的 傳 統 Pentium AMD K6 是 由 一 個 具 備 有 八 百 八 十 萬 顆 電 晶 體 的 晶 片 所 製 成, 採 用 了 最 先 進 的 O.35 微 米 五 層 金 屬 矽 片 的 製 程 技 術 生 產, 並 且 在 封 裝 技 術 上, 採 用 了 C4 ( 控 制 倒 壓 晶 片 連 接 ) 技 術, 以 CPGA ( 陶 瓷 插 針 柵 陣 列 ) 的 封 裝 方 式 來 封 裝, 其 C4 的 技 術 容 許 將 晶 片 的 全 部 面 積, 用 作 輸 入 與 輸 出 的 接 腳 聯 繫, 而 不 像 電 線 焊 接 技 術 只 有 晶 元 的 圓 周 面 才 能 作 輸 入 輸 出 的 接 腳, 所 以 焊 接 至 封 裝 的 訊 號 傳 輸 距 離 較 短, 在 微 處 理 器 的 電 機 效 能 與 訊 號 傳 遞 上, 會 有 較 佳 的 效 果 第 4 頁

(P54C) 快 了 15~20% 左 右 MMX 架 構 是 以 CPU 加 上 57 組 特 殊 的 指 令 而 成 這 57 組 指 令 是 以 浮 點 運 算 單 元 中,ST(O)~ST(7 ) 這 八 組 浮 點 暫 存 器 被 重 新 設 計, 並 稱 為 多 媒 體 暫 存 器 ( MMXRegisters, 從 MMO-MM7), 這 些 暫 存 器 具 備 了 單 一 指 令 平 行 處 理 的 特 性 ( SIMD, SingleInstructionMulti-Data), 可 以 在 一 個 週 期 內, 平 行 地 處 理 四 種 類 型 最 多 八 組 的 64 位 元 寬 度 的 類 比 / 數 位 (AD/DA) 數 據, 像 是 影 像 聲 音 資 料 波 型 等 類 比 轉 數 位 的 資 料, 隨 程 式 的 定 義 ; MMX 處 理 單 元 也 針 對 這 些 數 位 / 類 比 訊 號 資 料, 設 計 出 特 殊 的 運 算 移 位 累 加 等 指 令 與 語 法 Intel Pentium II: K6 具 備 與 PENTIUM 相 同 的 CPU 腳 座 SOCKET 7, 且 加 入 業 界 標 準 的 高 效 能 多 媒 體 指 令 MMX, 並 將 L1 CACHE 第 一 階 內 取 記 憶 體 設 計 為 64KB, 其 中 以 一 個 32KB 記 憶 體 為 高 速 緩 衝 記 憶 體, 而 另 一 個 可 預 先 作 解 碼 的 動 作, 二 個 高 速 緩 衝 記 憶 體 皆 回 寫 雙 埠 式 設 計, 可 在 多 工 時 確 定 其 間 的 資 料 沒 有 錯 誤 比 較 為 P6 家 族 的 第 二 款 處 理 器, 採 用 與 先 前 完 全 不 同 的 Slot A 架 構, 起 先 採 用 S.E.C. 的 黑 色 卡 夾 式 包 裝, 但 卻 因 散 熱 不 佳, 其 後 期 的 產 品 則 採 用 S.E.C.C. 包 裝, 將 原 先 的 Aluminum Thermal Plate 散 熱 片, 改 成 和 目 前 Celeron 處 理 器 相 同 的 散 熱 片, 且 將 黑 色 塑 膠 外 殼 去 除, 採 單 邊 式 接 觸 卡 匣, 改 用 和 Celeron 相 同 的 方 式 固 定 在 主 機 板 上 PentiumMMX&PentiumII 兩 者 基 本 上 是 差 不 多 的 產 品, 都 是 P6 架 構, 比 較 大 的 差 異, 是 腳 位 上 的 不 同, 與 製 程 不 同 所 產 生 的 時 脈 與 快 取 大 小 的 差 異, 同 時 也 藉 由 PentiumII 開 始 不 與 其 它 廠 商 共 用 AMD K6 使 用 與 PENTIUM 相 同 的 CPU 腳 座 SOCKET 7, 但 Intel 自 PENTIUM II 以 後, 不 願 再 與 AMD 相 容, 因 而 走 向 slot1 與 socket370,amd 則 持 續 固 守 SOCKET 7, 打 著 能 持 續 升 級 的 口 號, 讓 使 用 者 不 必 為 了 第 5 頁

相 同 腳 位 Intel 不 與 其 它 廠 商 共 用 腳 位 的 意 圖 很 明 顯, 就 是 不 讓 他 們 有 生 存 空 間, 可 是 PentiumII 卻 未 能 如 願, 因 為 PentiumII 將 L2 快 取 做 在 外 面, 導 至 效 能 與 MMX 比 起 來, 沒 多 大 進 步,Intel 一 舉 擊 垮 它 牌 CPU 的 美 夢 未 能 成 真 3 Intel Pentium II Celeron 與 AMD K6-2: 升 級 電 腦 而 必 須 更 換 主 機 版, 這 個 策 略 加 上 低 價, 使 的 AMD 在 Intel 一 波 波 攻 勢 下 生 存 下 來 在 PentiumII 與 K6 時 代, 由 於 AMD 處 理 器 急 起 直 追, 主 因 是 因 為 AMD 處 理 器 價 格 比 較 低 廉,Intel 意 識 到 低 價 處 理 器 的 市 場 相 當 龐 大, 因 而 推 出 Celeron 處 理 器 產 品 名 稱 Intel Pentium II Celeron AMD K6-2 產 出 時 間 1998 年 推 出 Pentium II Celeron 1998 年 推 出 K6-2 此 款 處 理 器 和 和 K6 家 族 第 一 個 成 員 最 大 不 同 的 地 方 在 於 新 增 的 24 組 3D Now! 指 令 集, 一 道 指 令 可 以 同 時 處 理 多 筆 的 浮 點 運 算 資 料, 使 的 在 處 理 3D 影 像 或 做 大 量 浮 此 款 處 理 器 和 和 K6 家 族 第 一 個 成 員 最 大 不 同 的 地 方 在 於 新 增 的 24 組 3D Now! 指 令 集, 一 道 指 令 可 以 同 時 處 理 多 筆 的 浮 點 運 算 資 料, 使 的 在 處 理 3D 影 像 或 做 大 量 浮 點 運 算 時 增 加 了 特 性 點 運 算 時 增 加 了 不 少 效 能, 補 足 不 少 效 能, 補 足 了 AMD 於 浮 點 運 算 了 AMD 於 浮 點 運 算 方 面 嚴 重 方 面 嚴 重 落 後 Intel 的 缺 點, 且 效 能 落 後 Intel 的 缺 點, 且 效 能 也 直 逼 Pentium II,AMD 視 其 為 低 階 市 場 的 主 力, 其 便 宜 的 價 格 與 不 錯 的 性 能 為 AMD 公 司 打 下 不 少 也 直 逼 Pentium II,AMD 視 其 為 低 階 市 場 的 主 力, 其 便 宜 的 價 格 與 不 錯 的 性 能 為 AMD 公 司 打 下 不 少 低 階 市 場 的 天 下 低 階 市 場 的 天 下 K6-2 原 對 手 為 Pentium II, 而 後 當 Intel 推 出 Pentium III,AMD 推 出 K7, 因 而 將 K6-2 打 入 低 階 市 場 與 Celeron 對 抗,Celeron 是 增 強 後 與 Pentium II 效 能 逼 進,K6-2 則 原 為 Pentium II 的 對, 因 此 在 低 階 市 場 上 其 兩 者 實 比 較 力 可 說 是 很 接 近 的, 之 後 AMD 推 出 低 階 Duron, 自 此 低 階 處 理 器 定 型, 不 同 於 以 往 將 現 行 處 理 器 降 價 銷 售, 而 是 直 接 將 現 行 主 力 處 理 器 閹 割 後 推 出 ( 可 以 說 是 把 品 質 較 差 的 晶 片 打 入 低 階 市 場 來 賺 ) 這 時 期 Intel 與 AMD 兩 者 彼 此 互 有 消 長, 是 AMD 勢 力 抬 頭 的 時 期, 低 價 處 理 是 最 大 的 功 臣,K6-2 佔 有 率 攀 新 高 第 6 頁

4 兩 強 比 較 至 今 產 品 名 稱 產 出 時 間 介 紹 Intel Pentium III 1999 年 推 出 Pentium III 為 P6 家 族 的 第 三 個 成 員, 採 用 與 Pentium II 相 同 的 Slot 1 架 構, 在 包 裝 上 採 用 新 的 SECC2, 此 款 處 理 器 與 Pentium II 最 大 的 不 同 在 於 增 加 70 項 KNI(Katmai New Instructions) 指 令 集, 加 快 圖 形 及 視 訊 應 用 的 功 能, 與 3D 或 影 像 軟 體 的 執 行 效 率, 且 每 顆 處 理 器 均 內 含 不 同 的 安 全 序 號 Intel 的 KNI 與 AMD 的 3D Now! 指 令 集 相 似, 均 是 在 單 一 時 脈 循 環 中, 處 理 多 個 浮 點 運 算 作 業, 以 加 速 3D 圖 形 的 運 算 AMD K6-3 處 理 器 是 K6 家 族 的 最 後 一 個 成 員, 命 名 為 Sharptooth, 和 家 族 前 一 位 成 員 K6-2 一 樣 採 用 Socket 7 架 構, 此 款 處 理 器 的 時 脈 由 400 開 始 起 跳, 以 0.25 微 米 IC 製 程, 該 款 產 品 皆 為 100 外 頻, 電 壓 為 2.4V, 目 前 市 面 已 推 出 400/450 兩 款 不 同 的 時 脈 的 處 理 器 AMD K6-3 AMD K7 1999 年 推 出 K6-3 1999 年 推 出 K7 此 款 處 理 器 和 K6-2 最 大 不 同 的 地 方, 可 以 說 是 加 上 了 256K 的 快 取, 而 主 機 板 上 的 快 取 記 憶 體, 則 會 自 動 成 為 第 三 層 的 快 取 記 憶 體, 全 速 的 第 二 層 快 取 記 憶 體, 處 理 器 與 快 取 記 憶 體 之 間 的 資 料 同 步 傳 輸, 大 幅 提 升 處 理 器 的 效 能, 再 加 上 內 建 3D Now! 的 指 令, 加 速 了 執 行 繪 圖 3D 運 算 的 能 力, 整 體 上 K6-3 的 效 能 不 比 Pentium 來 得 差,AMD 將 其 定 位 在 高 階 的 個 人 電 腦 處 理 器 市 場,AMD 仍 秉 持 著 同 等 級 的 處 理 器 必 定 比 Intel 的 處 理 器 便 宜 25%, 相 信 此 款 處 理 器 得 到 不 少 人 的 青 睞 採 用 了 全 新 的 Slot A 的 架 構, 以 卡 夾 式 包 裝, 從 上 圖 的 外 表 看 來 與 Pentium 的 Slot One 架 構 非 常 相 似,Slot A 與 Slot One 彼 此 的 插 腳 內 部 電 路 設 計 是 不 相 同 的,Pentium 處 理 器 是 依 據 P6 架 構 設 計, 而 K7 是 採 用 Alpha EV6 架 構, 兩 者 不 相 容, 但 K7 所 採 用 的 Slot A 架 構, 在 第 7 頁

零 組 件 上 和 Slot 1 是 相 同 的 AMD K7 Intel Pentium IV AMD K8 1999 年 推 出 K7 2000 年 推 出 Pentium IV 2003 年 推 出 K8 K7 的 效 能, 依 據 K7 的 最 新 官 方 效 能 評 析 報 告 顯 示 同 時 脈 AMD K7 的 微 處 理 器 在 各 項 性 能 方 面 接 超 出 了 Intel Pentium 的 頂 級 處 理 器, 為 AMD 的 微 處 理 器, 首 次 在 各 項 性 能 方 面 超 出 Intel 的 產 品 Pentium4 處 理 器 具 備 400MHz 的 系 統 匯 流 排 速 度 (System Bus), 採 用 新 的 SSE2(Streaming SIMD Extension 2) 指 令 集, 新 加 入 144 組 指 令 集, 亦 改 成 128bit 的 SIMD, 頻 寬 速 度 達 到 舊 有 SSE/MMX 的 2 倍 除 此,Pentium4 並 加 強 第 一 層 (L1) 與 第 二 層 (L2) 快 取 記 憶 體 (Cache) 的 讀 取 速 度, 浮 點 運 算 速 度 也 有 大 幅 的 提 升 Pentium4 處 理 器 採 用 新 的 虛 擬 通 道 技 術 (Hyper Pipeline Technology), 擴 充 一 倍 至 20 階 層 (20 stages, 後 更 新 架 構 為 prescott, 增 加 至 31 階 ) 雖 然 Pentium4 處 理 器 的 核 心 工 作 頻 率 仍 是 為 100MHz, 不 過, 採 用 與 4 倍 速 AGP 相 同 設 計 概 念, 系 統 匯 流 排 的 速 度 已 可 達 到 400MHz, 傳 輸 速 度 可 達 到 每 秒 3.2GB, 是 現 有 PentiumⅢ 處 理 器 的 3 倍, 而 且 在 搭 配 具 400MHz 頻 率 的 Rambus DRAM(RDRAM) 記 憶 體 之 後, 可 將 其 性 能 發 揮 到 淋 漓 盡 致 此 外,Pentium4 內 也 採 用 快 速 運 作 引 擎 (Rapid Execution Engine), 算 數 邏 輯 單 元 ALUs 的 處 理 速 度 (Arithmetic Logic Units) 比 處 理 器 核 心 頻 率 高 出 一 倍, 以 1.5GHz 頻 率 的 Pentium4 處 理 器 為 例,ALUs 運 作 時 脈 可 高 達 3GHz AMD64 技 術 源 自 於 五 大 特 色, 其 中 包 含 了 三 項 創 新 技 術 與 兩 項 特 點 : 創 新 一 : 全 新 的 64 位 元 運 算 創 新 二 : 內 建 記 憶 體 控 制 器 創 新 三 : 高 效 能 傳 輸 方 式 特 點 一 : 全 新 的 病 毒 防 護 功 能 特 點 二 : 全 新 的 低 溫 與 安 靜 設 計 第 8 頁

四 單 核 雙 核 與 四 核 之 比 較 1 單 核 心 單 核 是 指 擁 有 單 一 處 理 單 元 的 處 理 器 這 個 詞 適 用 於 從 早 期 8086 到 Athlon 64 與 英 特 爾 Pentium 4 之 間 的 每 一 顆 CPU 在 製 程 技 術 複 雜 到 可 以 設 計 出 單 裸 晶 上 兩 個 處 理 單 元 之 前, 較 小 的 結 構 優 勢 通 常 用 來 降 低 操 作 電 壓 增 加 時 脈 速 度 或 納 入 更 多 的 功 能 單 元 或 快 取 記 憶 體 提 高 單 核 心 處 理 器 的 時 脈 速 度 可 以 提 高 單 一 應 用 程 式 的 效 能, 但 處 理 器 在 同 一 時 間 只 能 處 理 單 一 任 務 英 特 爾 的 HyperThreading 概 念 會 針 對 作 業 系 統 模 擬 出 多 核 心 的 假 象, 它 的 設 計 在 於 善 用 Pentium 4 與 Pentium D 處 理 器 的 長 管 線 設 計 雖 然 它 只 帶 來 有 限 的 效 能 增 益, 但 的 確 改 善 了 系 統 回 應 性 - 這 點 在 多 工 環 境 上 更 為 重 要, 因 為 電 腦 處 理 一 項 工 作 負 載 時, 使 用 者 還 可 以 做 其 他 事 ( 註 二 ) 2 雙 核 心 擁 有 兩 個 處 理 核 心 代 表 處 理 能 力 加 倍 - 但 只 適 用 於 應 用 程 式 已 執 行 緒 最 佳 化 時, 這 個 規 則 通 常 適 用 於 專 業 軟 體, 以 及 愈 來 愈 多 的 計 算 密 集 程 式 即 使 用 電 腦 來 撰 寫 瀏 覽 Web 及 處 理 文 件 等 辦 公 室 檔 案, 雙 核 處 理 器 仍 然 方 便 許 多 一 方 面, 時 下 的 雙 核 耗 電 量 並 未 比 單 核 型 號 多 出 許 多, 在 另 一 方 面, 第 二 顆 處 理 核 心 不 但 提 供 更 多 效 能, 也 可 提 高 系 統 回 應 性 超 微 雙 核 內 含 兩 個 完 整 功 能 的 處 理 核 心, 內 含 快 取 記 憶 體 整 合 記 憶 體 及 縱 橫 式 ( crossbar) 開 關 ( 共 享 記 憶 體 與 HyperTransport 系 統 介 面 的 存 取 ) 英 特 爾 在 第 一 批 Pentium D 中 也 是 如 法 炮 製, 將 兩 顆 Pentium 4 裸 晶 置 入 一 實 體 處 理 器 內 由 於 記 憶 體 控 制 器 是 主 機 板 的 一 部 分, 即 必 須 使 用 系 統 匯 流 排 來 進 行 跨 核 溝 通 與 記 憶 體 存 取, 這 會 形 成 效 能 上 的 劣 勢 Core 2 Duo 處 理 器 擁 有 更 為 先 進 的 兩 個 核 心, 提 供 較 佳 的 每 時 脈 效 能 與 每 瓦 特 效 能 比, 採 用 共 享 式 L2 快 取, 代 表 兩 個 核 心 可 以 不 需 要 系 統 匯 流 排 交 換 資 料, 雙 核 可 讓 你 同 時 順 暢 地 執 行 數 個 應 用 程 式 3 四 核 心 四 核 仍 未 發 揮 其 完 全 的 潛 力 原 因 之 一 是 執 行 緒 最 佳 化 軟 體 有 限, 其 他 原 因 在 於 架 構 本 身 的 問 題 雖 然 超 微 經 常 批 評 英 特 爾 將 兩 個 雙 核 裸 晶 置 入 單 一 處 理 器 封 裝 內 的 做 法, 並 非 真 正 四 核, 但 這 種 設 計 對 英 特 爾 的 業 務 面 帶 來 正 面 意 義, 而 且 也 充 份 提 供 了 四 核 的 效 能 就 生 產 過 程 而 言, 裸 晶 數 較 少 也 較 容 易 達 到 高 良 率 與 產 量, 而 且 在 同 製 程 的 後 期 還 可 以 創 造 出 更 強 勁 的 產 品 就 效 能 面 觀 察, 這 種 設 計 的 效 能 可 能 出 現 瓶 頸 - 兩 個 裸 晶 透 過 系 統 介 面 直 通, 而 且 在 多 晶 片 的 情 況 下, 也 難 控 制 所 有 的 獨 立 核 心, 這 個 設 計 限 制 會 難 以 達 成 省 電 最 佳 化 的 目 的, 不 易 調 整 獨 立 核 心 時 脈 速 度, 以 符 合 第 9 頁

目 前 應 用 程 式 的 真 正 需 求 真 正 的 四 核 設 計 是 將 四 個 核 心 與 快 取 記 憶 體 置 於 單 一 裸 晶 上 其 間 的 關 鍵 在 於 擁 有 共 享 的 統 一 快 取, 因 此 超 微 為 每 個 核 心 保 留 512 KB L2 快 取, 並 為 所 有 核 心 加 上 一 個 L3 快 取 這 種 設 計 的 優 點 在 於 可 以 關 閉 個 別 核 心, 並 加 速 其 他 核 心, 以 達 成 較 佳 的 單 執 行 緒 效 能 4 八 核 與 十 六 核 更 新 資 訊 A 八 核 心 Intel 在 2009/02/19 正 式 推 出 八 核 心 的 頂 級 桌 上 型 電 腦 平 台 Skulltrail, 可 同 時 搭 載 ATI 和 NVIDIA 繪 圖 卡, 將 電 腦 的 3D 動 畫 高 畫 質 多 媒 體 和 遊 戲 應 用, 推 向 另 一 個 高 效 能 階 段 Skulltrail 的 官 方 名 稱 是 雙 插 槽 極 致 版 桌 上 型 平 台 ( Dual Socket Extreme Desktop Platform), 該 平 台 包 括 四 核 心 的 Core 2 Extreme QX9775 處 理 器, 和 支 援 二 顆 處 理 器 的 D5400XS 主 機 板, 意 即 Skulltrail 平 台, 共 可 提 供 八 核 心 的 處 理 效 能 ( 註 三 ) 每 一 顆 Intel Core2 Extreme 處 理 器 QX9775 都 包 含 12MB 的 L2 快 取 記 憶 體 高 速 1600 MHz 系 統 匯 流 排, 四 個 核 心 的 運 算 時 脈 均 為 3.2 GHz ( four cores running at a brisk 3.2 GHz) 搭 配 雙 插 槽 Intel Desktop Board D5400XS 時, 該 平 台 能 輕 易 通 過 最 新 的 評 測 標 準 並 處 理 進 階 工 作 內 容 B 十 六 核 心 Sandtiger 將 採 用 2 顆 原 生 8 核 心 的 晶 片, 讓 核 心 數 提 升 至 16 核 心 Sandtiger 內 建 新 一 代 K11 核 心 架 構 (Bulldozer), 並 採 用 45 奈 米 製 程 與 Direct Connect 2 的 設 計, 每 個 晶 片 將 擁 有 4 個 Hypertransport 連 結 架 構, 第 3 階 快 取 將 達 16MB Sandtiger 處 理 器 將 支 援 PCI Express 2.0 與 G3 記 憶 體 延 伸 架 構, 同 樣 支 援 DDR3 記 憶 體 16 核 心 的 Sandtiger 處 理 器 將 直 接 面 對 英 特 爾 32 奈 米 製 程 的 Westmere 架 構, Westmere 架 構 核 心 數 將 達 16 核 心 AMD Sandtiger 估 計 在 2010 年 將 推 出 16 核 心 ( 註 四 ) 參 結 論 CPU 隨 著 技 術 及 其 他 產 業 不 斷 的 進 步, 除 了 單 位 電 晶 體 量 越 來 越 大, 時 脈 越 來 越 高, 特 殊 功 能 越 來 越 多 之 外 在 未 來 的 發 展, 還 有 可 能 朝 向 單 一 晶 片 電 腦 (Computer on a chip) 的 方 向 發 展 單 一 晶 片 電 腦 就 是 將 所 有 功 能 做 在 一 個 晶 片 上, 因 此 體 積 會 更 小 ; 但 更 重 要 的 是, 各 組 件 間 因 為 不 再 用 導 線 串 接, 因 此 資 料 傳 遞 的 速 度 將 會 快 上 許 多 第 10 頁

單 一 晶 片 電 腦 現 今 仍 有 許 多 困 難 要 加 以 解 決, 如 智 慧 財 產 權 的 問 題 等 數 位 電 子 產 品 工 業 在 21 世 紀 仍 有 許 多 發 展 的 空 間, 也 還 有 許 多 新 的 功 能 可 以 研 究, 新 的 材 料 可 以 尋 找 綜 觀 以 前 到 現 在 的 發 展,CPU 的 趨 勢 傾 向 於 體 積 縮 小 速 率 增 快 雖 然 現 在 的 技 術 仍 有 限, 但 八 核 十 六 核 的 誕 生, 讓 我 們 不 免 看 到 CPU 世 代 的 進 展 而 未 來 的 方 向, 所 產 生 的 功 能 與 新 的 技 術, 更 讓 我 們 雀 躍, 為 CPU 寫 下 歷 史 的 証 明 肆 引 註 資 料 註 一 : 張 凱 鈞 (1999) CPU 徹 底 研 究 台 北 市 : 文 魁 註 二 :My Tom's Hardware 2009 年 03 月 25, 取 自 : http://www.tomshardware.tw/1373,review-1373-2.html 註 三 : 黃 品 如 (2008) Intel 八 核 心 平 台 Skulltrail 上 市 ithome online 電 子 即 時 新 聞 2009 年 03 月 20, 取 自 : http://www.ithome.com.tw/itadm/article.php?c=47567 註 四 : 林 文 彬 (2008) 兩 大 處 理 器 廠 商 預 計 2010 年 推 出 16 核 心 伺 服 器 處 理 器 ithome online 電 子 即 時 新 聞 2009 年 03 月 19, 取 自 : http://www.ithome.com.tw/itadm/article.php?c=47515 第 11 頁