收藏：詳談CPU處理器架構(gòu)演進(jìn)（Intel）
來源：智能計(jì)算芯世界
服務(wù)器是CPU載體，其主板上數(shù)據(jù)傳輸流依次為CPU、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)卡，針對圖形加速等特殊場景增加了GPU 。數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)卡封裝與解封、鏈路管理、數(shù)據(jù)編碼與譯碼后，儲存于外存硬盤為主 之中當(dāng)程序需要執(zhí)行時，將數(shù)據(jù)從外存經(jīng)由一級存儲器，傳至CPU。其中一級存儲器分為容量相對較大的主存儲器（內(nèi)存 DRAM ）和容量較小但速度接近 CPU 的高速緩存。
CPU發(fā)揮“大腦”的功能，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算， CPU 與 GPU 、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)卡間并不能直接通信，需要通過內(nèi)存控制芯片、 PCIe 控制芯片和 I/O 處理芯片等實(shí)現(xiàn)，這類通信協(xié)調(diào)芯片構(gòu)成主板上的“芯片組”，芯片組通過各類不同總線（ PCIe 總線、 USB 總線和 SPI總線等）與 CPU 相連。如果說 CPU 是“大腦”、總線就是“神經(jīng)結(jié)構(gòu)”，芯片組就是“神經(jīng)中樞”，決定了主板總線頻率和帶寬，以及擴(kuò)展插槽和擴(kuò)展接口的種類和數(shù)量。
圍繞微架構(gòu)和制造工藝CPU 本身 持續(xù)升級換代；同時由于 CPU 結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)影響芯片組的集成度和總線類型，CPU+ 芯片組 總線”構(gòu)成“ CPU 平臺升級”；平臺升級帶動服務(wù)器 主板和其他配件同步換代。
服務(wù)器 CPU 廠商 在新一代 CPU 正式發(fā)布之前 一般 提前 2 年左右將平臺雛形、投放和測試性能以及樣片給客戶，做同步測試（兼容性和生態(tài)）和研發(fā)，確保芯片與使用該芯片的服務(wù)器同步上市。因而，除 CPU 和芯片組之外，還需要關(guān)注平臺升級對其他服務(wù)器硬件的影響:
主板方面， 包括 PCIe 總線、內(nèi)存、 GPU和 SSD。CPU 內(nèi)部集成 PCIe 控制器和內(nèi)存控制器， PCIe 總線點(diǎn)對點(diǎn)連接 CPU 與各類高速設(shè)備，包括 GPU 、 SSD 和網(wǎng)卡等，伴隨 PCIe 升級至5.0 ，新一代 CPU 平臺產(chǎn)品將兼容 PCIe5.0 標(biāo)準(zhǔn)，帶動各類高速設(shè)備同步升級；而內(nèi)存將從 DDR4 型號升級至DDR5，相關(guān)廠商或?qū)⒅鸩竭M(jìn)入量產(chǎn)階段。
配件方面， 包括電源和散熱方案，主要原因是 CPU性能提升帶來的功耗增加。
服務(wù)器CPU 架構(gòu)包括 X86 、 ARM 和 MIPS 等， x86 為當(dāng)前服務(wù)器 CPU 主流架構(gòu)，幾乎占據(jù)目前服務(wù)器全部市場份額，代表性廠商為 Intel 和 AMD 。國內(nèi)方面，海光、兆芯和申威等也參與 X86 架構(gòu) CPU 的國產(chǎn)化替代，目前主要定位政務(wù)市場。短期來看， Intel 在服務(wù)器市場歷史深厚，全球 CPU 市占率在95%左右。未來 2~3 年內(nèi)， Intel 仍有望保持行業(yè)龍頭的地位，因而圍繞其 CPU 平臺的升級仍是影響服務(wù)器硬件產(chǎn)業(yè)鏈周期性變化的關(guān)鍵因素。
Intel以 Xeon 為品牌名稱持續(xù)推出系列產(chǎn)品，產(chǎn)品型號命名復(fù)雜且動態(tài)變化：
1、CPU+ 芯片組總線”構(gòu)成不同的 CPU “平臺”：如已經(jīng)推出 Brickland 、 Grantley 、和Purley 平臺，新一代 Whitley 和 Eagle Stream 預(yù)計(jì)將在 2020 年和 2021 年相繼發(fā)布；
2、每一代平臺產(chǎn)品具有多個子代，視 CPU 架構(gòu)、工藝、 PCIe 控制器和內(nèi)存控制器的不同 而有 差異：例如， 自 2017 年 7 月規(guī)模商用的 Purley 平臺包括 SkyLake 和 CascadeLake兩代，均采用 14nm 工藝最高 28 核心，但是支持的內(nèi)存通道數(shù)從 6 通道升級至 8 通道，PCIe3. 0接口數(shù)增加。
3、不同平臺的各個子代擁有多種型號 名稱 2017 年 Purley 平臺將產(chǎn)品型號 命名方式由此前連續(xù)使用四代的 E7、E5 變?yōu)椤?至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器(Intel Xeon Scalable Processor系列型號)按 鉑金(Platinum)、金(Gold)、銀 (Silver)、銅(Bronze)定義 。
從Tick Tock 到 PAO Intel CPU 升級按照 2~3 年周期持續(xù)向前推進(jìn)：
2006 年， Intel 借意鐘擺擺動周期提出“鐘擺戰(zhàn)略（Tick Tock Tick 年（大年）改制程 工藝 Tock 年(小年）改 架構(gòu)，按照兩年的周期交替推進(jìn)產(chǎn)品升級，該模式下 Intel成功推進(jìn)了 22nm~14nm 系列芯片的迭代。
2016 年， Intel 終止“ Tick Tock ”轉(zhuǎn)而采用“制程架構(gòu) 優(yōu)化”（ PAO ）戰(zhàn)略 P Process年改工藝，Architecture）年改架構(gòu)Optimization ）年優(yōu)化，按照三年的周期交替推進(jìn)產(chǎn)品升級。背后原因主要在于芯片制造工藝升級的進(jìn)度放緩。
新一代產(chǎn)品升級會帶動CPU 性能提升一倍，價格增長 20%~30% 。CPU 由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成 ，在服務(wù)器中性能最重要，成本也最高，視不同參數(shù)而異，均價在 1500 元 片，占服務(wù)器硬件成本的 20% 以上。一個 CPU 可 以封裝多個處理器內(nèi)核， 稱為“多核并行”， 多核 CPU 既可以提高運(yùn)算性能，又可以延長服務(wù)器生命周期。
接下來，重點(diǎn)從Intel 處理器架構(gòu)的演進(jìn)史來看看CPU架構(gòu)發(fā)展。
P6是 Intel 的第六代微架構(gòu)，最早用于1995年的 Pentium Pro 處理器，后面 2000 的 NetBurst 感覺應(yīng)該也算是包含在 P6 這個大系列里面，一直到 2006 年為止。
這個橫跨了將近 10 年的架構(gòu)系列最早是 600nm 的工藝，一直到最后達(dá)到了 65nm，算是不斷摸索完善出來的，也是 Intel 走上比較規(guī)則的架構(gòu)發(fā)展之路的一個起點(diǎn)。
預(yù)測執(zhí)行（Speculation）和亂序執(zhí)行 14 級流水線，第一代奔騰的流水線只有 5 級，P6 的 14 級在當(dāng)時是最深的 片內(nèi)的 L2 cache 物理地址擴(kuò)展，達(dá)到最大 36 位，理論上這個位寬最大可以支持到 64G 的內(nèi)存（雖然制程的地址空間還是只能用到 4G） 寄存器重命名 MMX 和 SSE 指令集擴(kuò)展，開始 SIMD 的思路了
以上這些都是現(xiàn)代處理器中非常重要的設(shè)計(jì)。更重要的是從這里開始，奠定了 Intel 沿著摩爾定律發(fā)展的 Tick-Tock 架構(gòu)演進(jìn)道路：
Tick 改進(jìn)制程工藝，微架構(gòu)基本不做大改，重點(diǎn)在把晶體管的工藝水平往上提升 Tock 改進(jìn)微架構(gòu)設(shè)計(jì)，保持工藝水平不變，重點(diǎn)在用更復(fù)雜、更高級的架構(gòu)設(shè)計(jì)
然后就是一代 Tick 再一代 Tock，交替演進(jìn)。P6 的末尾階段，首次出現(xiàn)了雙核，當(dāng)時的雙核還是基本上像是把兩個單核用膠水粘在一起的感覺。
Core 從 65nm 改到 45nm 之后，基于 45nm 又推出了新一代架構(gòu)叫 Nehalem，這一代的提升引入了相當(dāng)多的新技術(shù)，算是個非常重要的里程碑。
32nm 的下一代 Tock 是 Sandy Bridge，二代 Core i 系列以及第一代 Xeon E3、E5 系列也基于這個架構(gòu)：
Intel Turbo Boost 2.0 增大了 L1 和 L2 cache 共享的 L3 cache 也同時支持片上的核芯顯卡 IMC 強(qiáng)化成了 GMCH（integrated graphics and memory controller），片上顯卡共用主存作為它的顯存 每個核上的運(yùn)算部件增強(qiáng) 分支預(yù)測增強(qiáng) 微操作譯碼部分新增了一個 cache（uop cache） 14 到 19 級指令流水線?。。。ㄩL度區(qū)別基于上面那個 uop cache 是否命中） 多個核間、核芯顯卡、cache 間用了環(huán)狀總線（ring bus） Intel Quick Sync Video，支持視頻的硬解碼 其他指令擴(kuò)展升級等等
Tick 到 22nm 的下一代架構(gòu)叫 Ivy Bridge，三代 Core i 系列和二代 Xeon E 系列：
16 位浮點(diǎn)指令 片內(nèi)硬件隨機(jī)數(shù)生成器 PCIE 3.0 其他各個部分都做了很多提升
22nm 的 Tock 到了 Haswell，四代 Core i 系列和三代 Xeon E 系列：
每個核內(nèi)的部分進(jìn)一步升級，更多的 ALU、各種帶寬增加等等 支持 DDR4 內(nèi)存 提供部分雷電接口（Thunderbolt）支持 完整集成電壓調(diào)節(jié)器（FIVR），把主板上的一部分電源控制做到了片內(nèi) 更高級的功耗控制系統(tǒng)，增加了 L6 和 L7 兩級 CPU 睡眠狀態(tài) 其他指令擴(kuò)展升級等等
14nm 的 Tick 到了 Broadwell，五代 Core i 系列和四代 Xeon E 系列。各種指令集升級、支持了很多新功能特性。14nm 的 Tock 到了 Skylake，進(jìn)入 XXlake 時代，六代 Core i 系列。
Skylake 的第五代 Xeon 擺脫了原本的系列名，而是重新改成了 Bronze、Silver、Gold、Platinum 4 個系列。
最新一代 Intel Xeon Cooperlake 10nm 工藝為 56 核心，使用周期為 3 年以上。下一代核心數(shù)和單核心性能有望同步躍升，帶動價格上行。雖然考慮到兼容性問題，新產(chǎn)品上市后老產(chǎn)品仍會存在一定時間，且迎來降價，但新產(chǎn)品爬坡進(jìn)度較快，甚至有望在一年內(nèi)達(dá)到 50% 以上，而老產(chǎn)品逐步退場。事實(shí)上，從Intel 數(shù)據(jù)中心（ DCG ）業(yè)務(wù)收入 來看，新產(chǎn)品上市會帶動相關(guān)業(yè)務(wù)持續(xù) 2~3 個季度的高增長。
受益于CPU 升級換代，服務(wù)器需求量有望迎來增長。主要是新平臺上市前，下游廠商會部分延緩采購需求，而等到新平臺上市后，將前期壓抑的需求釋放出來。在數(shù)據(jù)指標(biāo)上，受產(chǎn)品出貨順序的影響， CPU 是服務(wù)器上游元器件，因而最先反映服務(wù)器市場需求情況， IntelDCG 業(yè)務(wù)增速 成為 行業(yè)景氣度先驗(yàn)指標(biāo)，大概提前 4~5 個季度 。
2019 年上半年連續(xù)兩個季度負(fù)增長后 Q3 開始出現(xiàn)回升 ，連續(xù)Q3和Q4兩個季度增長，預(yù)示下游服務(wù)器需求企穩(wěn)回升。
服務(wù)器需求量增長帶動CPU 出貨量提升，且增速高于服務(wù)器 出貨 增速。單臺 服務(wù)器 按性能需求 可以使用多個 CPU ，一個 CPU 稱為單路，兩個 CPU 稱為雙路。目前廣泛使用的均為雙路服務(wù)器，而四路、六路及以上服務(wù)器也有特定的應(yīng)用場景。
一般而言，八路及以下服務(wù)器為普通機(jī)， 16 路及以上服務(wù)器為小型機(jī)，大型機(jī)則一般以定制化獨(dú)立封閉系統(tǒng)為主?？傮w看，目前服務(wù)器市場以雙路服務(wù)器為主，根據(jù) ZDC 數(shù)據(jù)顯示， 2018 年雙路服務(wù)器受到47%的關(guān)注，四路服務(wù)器受到 29% 的關(guān)注。隨著云計(jì)算大數(shù)據(jù)的普及，四路服務(wù)器展現(xiàn)出較廣闊的市場空間，具體應(yīng)用領(lǐng)域有 ERP 系統(tǒng)、商業(yè)智能分析和虛擬化應(yīng)用等。
量價齊升，Intel 數(shù)據(jù)中心（ DCG ）業(yè)務(wù)回暖跡象明顯 從以往來看， 新產(chǎn)品上市會帶動 DCG業(yè)務(wù)持續(xù) 2~3 個季度的高增長 2020 年及 2021年 Intel Whitley 和 Eagle Stream 陸續(xù)上市， DCG 業(yè)務(wù)有望迎來 新一輪高增長。Intel 產(chǎn)品主要覆蓋 PC 、數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)、存儲器和編程五大板塊。
Grantley 平臺于 2013 年底發(fā)布，帶動 Intel DCG 收入增速自 2014 年 Q1 開始回暖向上，2014 年 Q2、Q3 和 Q4連讀3個季度增速 27、27% 和37%。
Purley 平臺于 2017 年 7 月發(fā)布，帶動 Intel DCG 收入增速自 2017 年 Q4 開始回暖向上，2018年 Q2和 Q3分別帶到24% 和 30% 的高增長。
新一代 Whitley 平臺 Ice L ake 將于 2020 年 9 月推出 （根據(jù) Intel 路線規(guī)劃圖），采用全新架構(gòu)和10nm 制程 工藝 ，以及 PCIe 標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)存控制標(biāo)準(zhǔn)的同步升級，有望帶動 IntelDCG 業(yè)務(wù)新一輪高增長。
服務(wù)器芯片制造工藝已經(jīng)從 2017 年普遍使用的 14nm 工藝向10nm 和 7nm 演進(jìn)。芯片制造包括 IDM Integrated Device Manufacture ）和 Foundary 代工廠兩種模式， IDM 廠商如 Intel 和三星等， Foundary 廠商如臺積電和格芯等 但是主要參與者在工藝進(jìn)度上存在差距。
從目前主流制造廠進(jìn)度看， Intel 服務(wù)器 CPU 還停留在 14nm工藝，核心看點(diǎn)是 2020 年秋季發(fā)布的 Ice Lake Whitley 平臺） 10nm 工藝以及 2021 年初Sapphire Rapids Eagl e Stream 平臺） 7nm 工藝。相較之下，競爭對手 AMD 已經(jīng)在 2019年 Q4 的 Rome 系列使用 7nm 工藝，代工廠為臺積電。格芯于 2012 年從 ADM 拆分而來，目前在工藝制程上相對落后。
報告下載：CPU和GPU研究框架合集
原文鏈接：英特爾CPU處理器和架構(gòu)演進(jìn)（附下載）
相關(guān)閱讀：英偉達(dá)GPU技術(shù)和架構(gòu)演進(jìn)（附白皮書）
轉(zhuǎn)載申明：轉(zhuǎn)載本號文章請注明作者和來源，本號發(fā)布文章若存在版權(quán)等問題，請留言聯(lián)系處理，謝謝。
推薦閱讀
更多架構(gòu)相關(guān)技術(shù)知識總結(jié)請參考“架構(gòu)師全店鋪技術(shù)資料打包”相關(guān)電子書(35本技術(shù)資料打包匯總詳情可通過“閱讀原文”獲取)。
全店內(nèi)容持續(xù)更新，現(xiàn)下單“全店鋪技術(shù)資料打包(全)”，后續(xù)可享全店內(nèi)容更新“免費(fèi)”贈閱，價格僅收188元(原總價290元)。
溫馨提示：
掃描二維碼關(guān)注公眾號，點(diǎn)擊閱讀原文鏈接獲取“架構(gòu)師技術(shù)全店資料打包匯總(全)”電子書資料詳情。
