菜鸟勿进：Atom处理器纯YY技术解析!－

关键词：Intel CPU Atom RISC CISC Silverthorne TDP MID U8 EeePC ARM PowerPC Cortex A9 MIPS

早在1998年，小编我就在熊坛里灌水，讨论Mac与PC在指令体系架构（instruction set architecture，ISA）之间的不同。在那个时候Mac还使用的是PowerPC处理器，这种处理器采用的是RISC精简指令集架构。而时至今日，PC机都使用的x86处理器，这种处理器采用的是CISC复杂指令架构。

顺便说一下，在过去20世纪末的几年中，那个时候网民只能通过拨号的方式上网了解世界。但是很快，由于网民对网速的迫切需求，宽带网络很快就在全球迅速普及开来。而高端的商用、科研用计算机，也慢慢向着办公和娱乐型的“家用电脑”转型。目前，电脑也已经成为了普通人家中必备的家具。

穿越历史的时空，我们今天看到了与台式电脑极为相似的战争。目前无论是WiMAX还是3G网络，在城市中已经无处不在。在新的移动领域，RISC与CISC又一次开战，它们即将为夺取新的阵地而厮杀。这对人们来说有很大的意义，比尔盖茨就经常发问：未来人们因该如何使用他们的电脑？

今非昔比，现在已经不是1998那个相互对峙的年代了。目前RISC正处在如日中天的主场位置，而CISC初来乍到，准备杀入移动领域。在本篇文章，我们将深入探究Intel最新的移动架构，官方名曰：Atom原子。同时在这篇文章中，你也可以看到长达10年RISC与CISC有趣的技术争论，通过全新的视角来看待这两种指令架构。在这篇文章中，我也将详细的分析Intel的Atom架构的技术细节和多线程处理器的技术裨益。

在正式转入Atom处理器微架构之前，我想还是用一些时间来聊聊未来的Atom所衍生出来的市场态势。现在2W的TDP设计功耗对于Atom这样的一个嵌入式处理器来说并没有太大的意义。由于Atom正处于第一代创刊号期间，它的各种糟糕的性能和特性都是完全可以理解的，更多的人会看好他的后续产品。对于Atom来说，它就像是Intel的一颗穿钉。Intel想用它深深插入市场，作为x86大举入侵的一个先锋军。并且Intel在今年的3月份进行了大规模调整和部署，减少了部分处理器的出货量，留出生产线，准备量产Atom处理器。

传统的“嵌入式”处理器其实非常常见，他们都可以无缝的整合进各种设备装置中。从家用的微波炉，到车载控制电脑。因为嵌入式处理器一般都应用在空间狭小的地方，普通的电脑无法求存。这种处理器最典型的特性就是有极低的功耗和稳定耐用的特性。他们并不需要进行很多高强度的运算任务，只需要从事简单的运算和控制任务。他们不必像台式机处理器那样设计的非常复杂而庞大。他们的设计思想就是简单、实用和极低的功耗。

最近，嵌入式处理器也慢慢走向了手机和掌上电脑设备。仅需毫瓦级别的功耗，就可以实现这些设备的控制和操作。

当代的RISC体系架构在嵌入式市场中占有绝对的优势，早在几年前，RISC体系架构彻底打败了Pentium Pro，由此无免统领了嵌入式架构的江山。目前业界存在三大RISC体系架构，他们分别是ARM、PowerPC和MIPS。ARM是迄今为止业内最流行的嵌入式处理器，他们的产品遍及各种电子工具和小巧的消费类电子产品。你可以翻一下自己的口袋或包包。从里面随便摸出几个电子产品，在塑料外壳和液晶屏幕里面，至少就会有一个是基于ARM的嵌入式处理器产品。例如你随身的Blackberry黑莓手机，或者是心爱的NDSL游戏机，他们都是基于ARM处理器的产品。

对于ARM来说，有着非常庞大的合作伙伴群和许可授权商。而Intel方面则有着基于x86架构的UMPC、MID和智能手机产品。不过业内很多人都认为他们像是Pentium Pro的继任者，企图要挑战SGI和DEC这类巨人般的公司。不过对于RISC阵营来说现在并不能笑看天下。今天的Intel已经今非昔比，它拥有遍及世界的晶圆工厂，细致的市场阶层定位，庞大的产品线，Intel再也不能作为一个笑话，它将有能力结束某些产品和厂商的历史。

Atom处理器，研发代号为“Silverthorne”，它的目标就是与众多嵌入式RISC架构处理器厂商相竞争。Intel最想要的就是ARM和它旗下庞大的市场与合作伙伴。因此，下面，让我们来看看这场处理器大战的序幕。

当今年Intel发布Atom处理器的时候，很多人为之疯狂，认为在不久的将来，我们就可以继扣肉之后，可食到另一盘美味的大餐。很多读者还记得，Intel在发布Silverthorne的时候曾经说过，这将是一个全新的体系架构，这一点却是值得怀疑。不过这很可能暗示着Atom会引出Intel全新的一代微处理器架构。

Atom是一种全新的架构设计。它的设计相对简单而整齐，看上去像是最初的奔腾处理器。但是它也有着非常清晰而深刻的处理流水线，这是现代处理器的典型设计。可以看出Atom的设计师想在功能和性能方面找到一个完美的平衡点，实现简单而低功耗的特性。在实际的测试中，我们可以看到足以和RISC相抗衡的高性能表现，而近距离观察，我们又惊异的发现Atom事实上是一款兼容x86架构的CISC处理器。

正如你从这张图片上看到的，这是比较早先的Silverthorne处理器照片。它与一便士硬币的大小相当。早期的Atom处理器会采用Micro-FCPGA/FCBGA的封装形式。Intel的Atom 200系列处理器核心面积仅有25平方毫米。它内部集成有47百万颗晶体管，其中40%是512KB的8路关联超高速L2缓存。这样的设计算是相当精简了。与Intel采用65nm制造工艺技术的Core 2 Duo相比（2M高速缓存版本），它内部集成有290百万颗晶体管。掐指算来，Silverthorne的晶体管集成度，相当于2001年Intel所发售的Pentium 4处理器。它采用0.18微米制造工艺技术，内部集成有42百万颗晶体管，运行频率在1.5～2.5GHz之间。

Silverthorne的封装非常小巧，面积仅有14x13平方毫米，并且与现代主流的处理器相比，它的功耗非常之飘渺。TDP设计功耗仅有2W，核心电压仅有1.0V，主频为2GHZ。并且它可以自动调节工作速度，使用Clock Speed降频技术，最低功耗可以降到0.5W。

Silverthorne是一个基于64bit技术的多线程处理器，它的处理器流水线有16阶层。如图所示，L1的高速缓存容量为32KB，并且内置了解码单元。这个处理器的解码单元是非常有特色的地方，他提供了2个硬件解码器和一个微码解码器，每个时钟周期可以对2条指令进行解码。

Atom处理器每个时钟周期，可以执行2条指令，或者从2个线程中设置一条线程预处理列队，可以进行分支预测，发现相关的指令泡沫。

顺着指令流的方向看去，在Silverthorne的处理流水线后端有2个主要的集群。很多人会将它们叫做处理块，不过依照Intel的意思，这被炒作的新概念应该叫做集群。一个是浮点/向量集群，另一个是整数/地址集群。浮点集群包含2组浮点/SIMD管线，即FP ADD和FP+SIMD MUL/DIV/PERM。另一个整数集群包含整数、地址、分支管线，即AGU/ALU/shift和AGU/ALU/jump。

顺着数据流的方向看，内存执行群组包含2个AGU管线和总线群组，总线群组包含总线界面单元和集成在处理器内部的512KB的L2高速缓存。

Silverthorne的处理器流水线后端具有6个阶层。每个时钟周期指令列队能够调度2条指令。在这里我们将深入到处理器流水线内部，去讨论指令是如何被调度的。

Silverthorne的整数处理部分相当简单，有2个基于64bit的ALU算数逻辑单元管线，其中也包括位移开关和跳跃执行单元。而乘法和除法的位运算操作和整数运算操作都需要发送到FP/SMID集群去执行。

FP/SMID集群有2个管线，他们都具备64bit的数据通路。一个管线是基本的组织，具备64bit标量浮点ALU运算单元。第二个是芯片中最大型的处理管线，同时它的处理任务也最为繁重，它承担了整个芯片的标量乘法和除法的运算，位宽为32bit和64bit。并且它可以联合其他的FP管线处理128bit的向量操作。最终Silverthorne的FP/SIMD集群每个时钟周期可以进行2个64bit的操作，或者1个128bit的操作。

FEC：前端集群，附加L1指令高速缓存
FPC：浮点运算集群
IEC：指令执行集群
MEC：内存执行集群，附加L1数据高速缓存
BIU：总线界面接口单元

在数据方面，两个AGU存储单元每个时钟周期可以存储2个计算地址。同时L1的24KB高速缓存可以向文件寄存器进行2次读或2次写操作。前端的流水线界面能够以400MT/s或533MT/s的速度交换数据，并且集成在处理器内部的512KB容量的L2高速缓存也带有数据校验功能。

Atom的功耗需求要远高于比它复杂很多的ARM处理器。例如Cortex A-8。答案就在于Atom处理器的前端，特别是处理器流水线的解码部分。因为x86处理器的解码部分非常的陈旧，它就像是堆满各种垃圾杂物的旧车库一样，从来没有人打扫。在此，复杂的x86架构硬件需要更多的电能来催动，而ARM处理器则完全不需要如此费劲。

IF1

IF2

IF3

ID1

ID2

ID3

IRF

DC1

DC2

EX1

FT1

FT2

IWB/DC

Instruction Fetch

Decode

Dispatch

Reg. File

Data cache read

Execute

Exceptions & MT

Write-back

Atom处理器流水线流程

Atom需要使用3个时钟周期，从32KB的高速指令缓存中取出指令，放到预取缓冲区中。预取缓冲区会将所有的指令排列为一个预解码列队。整个列队的长度足够喂饱解码单元，让其以每个时钟周期处理两个指令的速度进行解码。另外在这个阶段，分支预测机制也是同样的速度。

通过这个预解码队列，指令会被送入正确的解码硬件。Atom的解码部分由2组快速的硬件解码单元和一组更长的低速微码ROM组成。低速微码ROM可以解析更长的，更复杂的指令。不过Intel并没有揭示长短指令的平均百分比。这一项参数非常关键，如果指令越短，那么解码单元的执行效率就越高。虽然不清楚快速解码单元的运行效率，但是预解码和解码总共会花费3个时钟周期。

最终，解码单元作为一个整体，包括了2个硬件解码单元和一个微码ROM，能够以每个时钟周期（1～2个线程）排列出16条指令，组成指令预解码列队。执行单元会以每个时钟周期1个指令的速度对其进行处理。

即使Atom缺乏对指令流的动态重排指令窗口，但是它的解码单元仍然可以分解可变长度的x86指令，成为固定长度的内部微指令。这一点与Pentium Pro非常相似。这就意味着硬件的设计会变得非常复杂而笨重。对于RISC指令架构而言，是无需预解码的。因为RISC是标量指令，所有指令的长度都是等长的。因此类似于ARM和PowerPC这样的处理器，他们的指令列队是一个非常简单而精巧的架构，由此解码指令列队的硬件设计也相对简单的多。

Atom不仅仅是前端的预解码硬件的体积过于膨胀，微码ROM需要在解码时承担更多的x86循环指令，因此它的体积也比较巨大。ARM处理器架构也无需这样的微指令单元，从而能大幅缩小硬件的体积。最后两个硬件解码器可以全负荷的对固定长度的微指令进行解码。Atom的这种设计与原来的Pentium处理器非常类似。所有这些额外的冗长的硬件都加起来，使得Atom设计的复杂程度远远超出RISC精简指令集架构的处理器。

Atom处理流水线的前端设计，非常像是以前的Pentium Pro处理器。他们具有相同的预编码队列结构，两个硬件解码器，微码ROM单元和微码列队。相对于竞争对手的RISC处理器来说，Pentium Pro为此付出了海量的晶体管代价。不过Intel也一直在尽力减小这些差距，他们尽力去缩小晶体管的体积，增加高速缓存的容量和速度。另外还尽力增加执行单元的执行效能，设置更多层级的缓冲机制，改善分支预测单元的效率等等。由此，随着时间的推移和处理器核心的革新，在指令的解码部分，并没有像x86处理器其他部分那样膨胀。

虽然Atom有着毫瓦级别的TDP，但是实际的核心大小却有些问题，晶体管集成度越高，他们电流泄漏的问题也就越严重。在设计CPU时，通常都会压缩处理器中其他非解码硬件的体积。因此相对而言，X86处理器中的解码单元虽然体积保持不变，它却成为了处理器中体积最为固定的部分，目前通过积极的不懈努力Intel已经找到替代解码单元更好的办法。

Intel已经有了新的策略，对于Atom和更小核心的Larrabee独立显卡芯片，未来将使用SMIT并发多线程技术。（simultaneous multithreading）x86的解码单元将可以处理多重线程。

下面我们来看看Atom处理器所支持的一些特性。例如，SMIT并发多线程技术（simultaneous multithreading）。这项技术在处理器内部，加入了更多的执行单元，让处理器可以引导更多的指令，减少处理器流水线的前端和后端等待时间，让从内存加载的指令和数据更有效率。由此处理器每个时钟周期会有更饱和的工作量，这样就减少了处理器的等待时间，增加了整体的运行效率。

处理器进行的工作是多线程模式的，SMIT技术可以真正增加处理器的性能/瓦特之比。不过这也需要增加一些成本。

并发多线程技术需要Atom增加额外的执行核心和前端流水线。因为在处理指令的时候，流水线的前端，前期有许多关键的处理任务，对于每一个线程都要重复操作。在Atom处理器中，每个线程包含几个部分：

——预解码队列
——16个指令缓冲列队
——64bit整数文件寄存器
——128bit浮点或SIMD文件寄存器

Atom的设计师显然认为，Atom处理器的执行效率是首要的考量因素。因此重复的SMIT部分电路所耗费的电能，足以用性能来抵消。我当然不会怀疑设计师的论证，但是有两个因素可能他们并没有认真考虑。

首先Atom并没有扩充足够的指令窗口给SMIT。一个指令窗口就像是一个指令重排缓冲区和指令寄存站。这个功能需要耗费大量的电路来实现，同时也会消耗大量的电能。它并不像处理器中其他部件一样，可以被闲置和暂时关闭。在处理器中，只要处理器在执行代码，指令重排缓冲就会始终保持激活的状态。因此这部分功能会需要相当庞大的电路来实现，并且他们会始终消耗电能。Intel未来的Nehalem处理器也会采用SMIT技术。而Atom缺乏指令窗口，这就意味着Intel在Atom上采取的是低成本策略，它的实际处理能力，并不会像Intel吹嘘的那么出色。

第二个因素在我们的上文有所提及，SMIT技术让x86架构核心的解码部分电路变得更为复杂，成本更高。而多并行多线程技术会增加提升Atom在解码方面的电路成本。

ARM的旗舰级的嵌入式处理器Cortex A-9是一个模块化的不折不扣的为多核心处理而设计的处理器。ARM在2007年年底公布了这款Cortex A-9处理器，其先进的设计思想和特性给人的印象非常深刻。不过虽然目前，还没有A-9的评测数据，但是它将继承Cortex A-8的所有特性，并且在性能/功耗之比方面超越Atom处理器。

单内核的A-9处理器所占用的体积非常非常之小，他们也可以很容易的结合在一起，组成2核心、4核心的嵌入式单芯片处理器。ARM的A-9并不支持SMIT技术，因为他们宁愿在处理器内部集成更多更小巧的内核，也不愿意使用额外更多的晶体管去实现SMIT功能。但是x86处理器的设计，永远不可能采取这样的做法，由于解码单元成本的高昂，并且x86处理器还要对ISA总线进行额外的扩展支持，这使得他们的硬件设计成本居高不下。

如果x86架构的处理器要想更加的省电必须在2个共享部分认真设计：一个是解码单元，另一个是单精度64bit和128bit的数据路径。这要比分裂成2个独立的处理核心要节省很多晶体管。

相反，ARM在设计处理器的时候采用“一核心，一线程”的方式会更加节省晶体管的数量。因为多核心就能实现多任务并行处理。

在近期，Atom的价格将会比普通的CISC架构的处理器高出许多。更多的测试结果会陆续的放出，届时我们就能通过评测结果看出SMIT是否是Intel的又一个骗局。通过Intel工程师的不断努力，改善生产工艺，提高后续产品的性能。Intel将用地价格策略在移动市场杀出一条血路。例如苹果的iPhone，在未来就会推出Atom版本。不过目前的Atom处理器在功耗方面并不完美。相信Intel在转向32nm或更精细的制程的时候，才能真正提高性能/功耗之比。

问题是Intel在RISC与CISC的斗争中，很大程度上取决于2个问题：

我们来想想看，有多少老的x86代码是真正基于移动和超便携装置的？答案肯定是：貌似不太多。显然这个问题就足够再写一篇几千字的文章来讨论一下的了。

Intel将会尽力保持着处理器生产技术的优势，与台湾代工厂台积电相抗衡。台积电的生产能力和技术实力都不可小视，制造工艺技术仅仅咬在Intel后面。ARM、MIPS和其他移动装置的厂商也都会因此受益。不过本文没有提及NVIDIA、AMD/ATI、VIA和PowerVR这样的厂商，他们其实也都是靠让别人代工过日子的。如果这些具备RICS处理器生产能力的厂商，同时兼具移动图形芯片的设计能力，那么他们足以削平Intel在工艺和技术方面的很多优势。

支持Atom处理器的主板实物，令人啼笑皆非的是，南北桥芯片组的核心面积与功耗，要远远大于Atom处理器本身。真有一种“小马拉大车”的意境。小熊在线www.beareyes.com.cn

Silverthorne的各种产品会在今年晚些时候相继上市，Intel为此提供了多种产品规格，TDP功耗设计从0.5W到2W之间，频率从1GHZ到2GHZ之间。并且不同的产品系列也支持迥异的特色技术。就像Intel的台式机和移动处理器产品线一样，一些Atom将支持远程管理和虚拟化技术，而某些型号将被屏蔽这些功能。

Atom将会具备所有x86处理器架构的特性，这有助于各个厂商在设计产品时保持良好的互通性和兼容性。目前在桌面、工作站以及服务器领域，Intel已经显出颓势，基于RISC架构的产品全面开花。很明显Silverthorne将会面对ARM强有力的竞争态势。当前主流的Cortex-A8和即将投产的A9芯片都是非常出色的产品。而目前的ARM11处理器在1GHZ的频率下，功耗仅有250mW。这些对于Atom处理器来说，都是强劲的威胁。

为了缓解与ARM处理器在功耗方面的差距，Intel为Atom设定了一个新的低功耗状态名曰：C6。当Atom工作在C6状态时，为了达到更深度的节电状态，只有SRAM部分的电路处在运行状态，当有需要时，处理器可以被随时唤醒。这种休眠与唤醒的切换速度非常之迅速，据Intel官方声称能达到百万分之一秒的速度。同时Intel也声称，通过他们测试，Atom处理器平均有90%的时间可以处在C6节电状态。如果Intel所言非虚，那么Atom的实际功耗将远远低于额定的TDP值。

由此，Intel正在尝试将普通的待机睡眠与C6睡眠相结合，更近一步降低处理器的平均功耗。同时也会将这种技术全面应用到整个x86架构处理器的产品线中。Intel想依托Atom处理器平台，构建一个全新的移动互联网装置平台，这也是近期在台北Computex2008大展上炒作的最为火热的一个概念——MID。

MID（Mobile Internet Device）移动互联网设备，Intel最近炒作的又一个概念，也是现在业内很多人都在津津乐道谈论的话题。自从Intel退出微软的凤凰计划之后，就准备自立门户开发一套基于Linux操作系统的移动设备解决方案。MID定位于小巧方便的移动互联网设备。针对使用阶层划分出来一般消费级别和准专业级别。MID的屏幕从4.5到6英寸，分辨率从800x480到1024x600。搭载性能强大的Atom处理器和小巧的Z-P230固态硬盘，是目前Intel MID设备的标配。小熊在线www.beareyes.com.cn

可以说目前基于Silverthorne的Atom处理器仅仅是一个初号机，目前还不具备实用化的普及。而率先提出类似MID概念的也并非是Intel。小编我自己就有一个Nokia N800和iPhone，他们都是基于ARM的处理器。并且他们都有非常完善的互联网浏览功能。其小巧的体积已经达到了理想化的MID。

联想的Ideapad U8 MID设备，采用Intel的Atom处理器，支持Edge/3G网络，带有4.8英寸超大屏幕。小熊在线www.beareyes.com.cn

因此结论就是，Silverthorne实属一个过渡性的产品。它只是Intel整个移动互联网战略的一枚卒子。略带羞涩和尴尬的闯入RISC的领域，只是来此圈地，并非能作什么主宰。最终能支配嵌入式市场的产品，必然会是更小巧，更便宜，更快速，支持世界上最流行的ISA指令体系架构的产品。凭借Intel目前的实力，我们有理由相信它会在嵌入式市场中分到一杯羹。不过Intel需要做的努力还有太多太多。Intel雄霸移动领域的一天可能会到来，但至少不会是今天。

最终Atom和华硕联姻，Eee PC开始大卖热卖，2GHz的处理器和小巧的体积可以得到近似于MacBook Air的享受，而且电池寿命也有充足的保证。不过另一边的ARM、MIPS和其他竞争对手也都做好了准备，新的产品，新的特性，新的技术也都会针对Atom。虽然Atom成为了众矢之的，不过强大的半导体巨人Intel也必有应对之法。RISC与CISC的战争还将会在移动领域上演。