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为何如此能超频?解读推土机CPU背后设计实力

在2011年10月中旬,AMD发布了旗舰级CPU产品推土机(Bulldozer)FX系列处理器,除了用户关心的绝对性能之外,推土机FX系列处理器强大的超频能力一直是业界关注的焦点。推土机CPU为什么拥有如此强大的超频能力?为什么AMD需要让这款产品成为新一代的超频明星?在CPU超频世界纪录频频被推土机CPU打破之时,我们也开始寻找一些隐藏在这颗CPU设计过程中的蛛丝马迹。

推土机FX处理器将采用Bulldozer微架构,全系列包含8核、6核以及4核处理器,其超强的可超频能力,全系列处理器均不锁频和丰富的指令集支持。推土机系列人气最高的莫过于FX-8150处理器,其8核处理器将成为目前业界唯一的面向台式机的8核心处理器。

为何如此能超频?解读推土机CPU背后设计实力插图

推土机(Bulldozer)是AMD全新微处理器架构。推土机将采用32nm SOI工艺,采用了模块化(Module)的设计,每个模块包含两个处理器核心。每个Bulldozer Module将会集成2M L2缓存, 8MB的L3缓存,核心面积为30.9平方毫米。

推土机FX系列处理器的超频能力让每一个AMD用户非常自豪,早在2011年AMD就已经对外宣称其推土机FX系列处理器产品在制冷足够的情况下将有着令人惊喜甚至不可思议的表现。事实也证明了这一点,熟悉或者关注DIY超频领域的用户应该,早在两年之前CPU主频的世界纪录就突破了8GHz的大关,去年这个世界纪录的具体数字是8.308GHz,而现在,AMD的FX-8150已经将记录再一次改写并得到了吉尼斯世界纪录组织的认证,近期的CPU主频世界纪录是由AMD的FX-8150在2011年8月31日创造的8.429GHz。

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就在去年底,这一超频纪录再次被推土机系列CPU自己刷新。上图为台湾著名超频玩家Andre Yang现在又取得了8461.51MHz的更好成绩。和AMD官方的做法类似,Andre Yang也使用了顶级型号FX-8150,同样屏蔽成了单模块双核心。根据CPU-Z认证页面的信息,这颗处理器的外频超到了272.95MHz,倍频为31x,核心电压已经加至1.992V,几乎突破了2V,而主板是推土机御用的华硕玩家国度Crosshair V Formula,内存使用海盗船的一条2GB DDR3,频率909.8MHz,时序9-9-9-24。

从架构来看,推土机是一款使用了全新架构的CPU,同时AMD历经长时间大规模重新开发让推土机和以前的所有CPU有极大的区别–推土机每一个整数单元有两个浮点单元包围,我们可以理解它是一颗自然的超线程处理器。作为AMD耗尽心血研发的新一代CPU,Bulldozer堪称K8之后的最大革新(K10架构只能算K8的增强版,架构变化并不多),它改变了传统CPU的设计思路,将CPU模块化,每个模块又可细分为两个微内核,这两个微内核相互独立而又高度共享浮点单元、L2缓存等功能单元。

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得益于对CPU内核的彻底重新设计,AMD开始大手笔改变推土机CPU的流水线架构也就是Athlon 64处理器开始将流水线级,这在当时是一个较为平衡的设计,它远低于Intel为了冲击频率高峰而达到的32级;其后Phenom II X4处理器为了提升频率将流水线级,而到了推土机Bulldozer FX系列处理器,流水线通过添加堆栈、寄存器等访问过程达到了18级。

CPU的流水线可以被比喻为楼梯,不管采用几级流水线,一个周期内所达到的高度都是一个楼层的高度。也就是说楼梯采用的阶数越多,坡度越小,同时路程也越长;这样对于构架一定的情况下,楼梯的阶数必然有一个最佳值,流水线太长会导致分支预测失败后流水线重新载入代价太大,但是流水线太短又会导致CPU难以提升到理想运行频率。

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众所周知,Pentium 4正是在流水管线上的加长设计,使之能够达到如此之高的主频,虽说流水管线的加长会导致数据在管线逗留的时间增长,导致数据出错的可能增加,一旦一个数据出错,其结果就在于整个运算步骤都将重新来过,这样就会造成处理器处理性能的降低。但依靠高效的分支预测体系和Cache机制就可以改善这一点。AMD经过多年探索,认为在多核心之路上仍然不能放弃单核性能,更不能因为提升频率而放弃效率,所以最终将推土机Bulldozer FX系列CPU流水线级,保证了频率和效率的平衡。

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所以最终产品推土机CPU的频率也是非常值得欣喜的,我们可以看到推土机CPU依靠较长的流水线工位推升了运行频率达到稳定运行3-5GHz。AMD首批发布的四款CPU型号分别为FX-4100、FX-6100、FX-8150和FX-8120,全部都采用了不锁倍频设计。

推土机CPU在频率方面的努力还远不止默认频率的提升,通过Turbo Core技术,用户能够在日常工作中获得更高的CPU核心运行频率。我们用简单的总结可以将Turbo Core技术的原理阐述清楚:利用P-State电源管理状态切换。我们可以通过FX系列处理器的规格表格来了解一下全系列推土机FX处理器的Turbo Core情况。

与Intel相比,AMD在32nm方面的技术同样是非常完美的。AMD全球晶圆代工厂Global Foundries在90nm时代就和IBM展开了深入的合作。在今年初,GlobalFoundries与IBM再次达成了协议,利用现有资源和工厂共同生产32nm处理器。面对来势汹汹的Intel,IBM和GlobalFoundries终于携起手来,从技术和产能两个方面为AMD的APU和推土机处理器提供全方位支持。

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制造工艺的改进理论上可以带来功耗的降低,使得产品的默认时钟频率可以更高,直接提升性能。相对于45nm工艺,AMD所使用的32nm工艺的NMOS和PMOS晶体管漏电量大幅度很多,如果芯片晶体管数量相同,32nm工艺同比封装尺寸仅是45nm工艺产品的70%。由于上述改进,电路的尺寸和性能均可得到显著优化。这种晶体管可以承受最高的驱动电流,并可以提升极限开关速度,配合应变硅SOI技术有效降低发热。

新的推土机FX系列处理器采用的是最新的32纳米制造工艺,在此之前的Llano APU其实也同样采用了相同的工艺技术。让我们换位思考一下,如果不采用32纳米技术,那么我们将看到极高的功耗和无法控制的芯片面积,所以32纳米就成为必然。

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推土机采用GlobalFoundries的32nm新工艺(之前还一直维持在45nm), 除了SOI(Silicon On Insulator,绝缘硅)技术外,HKMG(高K金属门)工艺也被首次采用。使用HKMG工艺的好处是可以减少栅极的漏电量,降低栅极电容,这也是继续提高制程的关键技术之一。除此之外,11个铜金属层和低K电介质、基于硅锗的拉伸硅、第二代沉浸式光刻等技术也悉数在列,目的就是为了进而使得晶体管的尺寸进一步缩小,减小核心面积,降低整体功耗,提升频率潜力。

传统的CPU为了限制用户自主超频,在倍频方面几乎是无法调整的,即便拥有调整余地也只能向下设置以获得更低功耗。AMD自从Athlon X2黑盒时代打破这一格局,推出了可以向上调节倍频的CPU,以便为用户提供更强的超频潜力,同时更小幅度影响到周边硬件设备,在工艺成熟的背景下提供这种增值服务,也让我们看到了AMD对自家CPU产品的质量信心十足。

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我们知道CPU总频率=外频X倍频,由于CPU的外频调节经常伴随着内存频率、北桥总线、PCI-E频率等一系列频率发生变化,所以大部分被锁定倍频的CPU在超频过程中会影响到内存、显卡、硬盘等硬件的稳定工作,超频幅度被限制。下图中我们看到的是某款990FX系列主板BIOS设置界面,第一项CPU Clock Ratio就是倍频调节选项,直接在这里设置比率,就可以在外频不变的情况下获取更高的核心频率。

为何如此能超频?解读推土机CPU背后设计实力插图8

由于取消了倍频调整的限制,推土机CPU超频更加轻松,在超频过程中对内存、PCI-E频率的影响更小。推土机FX-8150的超频选项和以往的羿龙II没有什么区别,在990FX主板上能够调节的选项主要有倍频、外频、CPB倍频、内存频率等,相对基本上没有什么改变,用户可以通过修改倍频为主要方式进行超频。

为何如此能超频?解读推土机CPU背后设计实力插图9

电压选项方面,目前市面上的高端990FX主板提供CPU PLL电压、内存电压、CPU NB电压和CPU电压等多种选项,调节步进精细,调节范围也比较足,我们通过提升PLL电压和CPU电压来配合超频。上图中我们看到推土机FX-8150最终在1.31V电压下稳定超频到4.5G的水平,超频幅度达25%,可以通过AIDA64的3分钟稳定性测试,此时国际象棋成绩为13759,相比默认频率成绩提升约17.3%。

在32nm工艺的全方位配合下,通过改变CPU逻辑架构,加上完全不锁倍频的设计,AMD为高端DIY玩家带来了一款超频潜能极强的CPU。从目前的媒体与用户测试情况来看,推土机CPU的体制不同,极限频率也不同,推土机架构普遍超频能力比较强,风冷可以稳定达到4.5GHz左右,而配合AMD官方水冷可以稳定达到4.9GHz以上。按照关节能、调外频、倍频、升CPU电压、主板相关供电设置的顺序调节可以很轻松的实现超频。

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