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| Mobile01科技新知報 | | ![]() | ![]() | 45奈米四核心CPU，Intel Penryn 架構解析測試
Intel真的是卯起來幹了！現在熱賣的Core 2 Duo才上市一年多而已，Intel已經打算逐漸汰換掉「舊」產品，全系列導入新製程，在本月Intel發表業界第一顆45奈米CPU－－Core 2 Extreme QX9650，宣告Penryn架構產品線的正式上市，而且硬是搶在AMD發表Phenom X4原生四核心之前，拼裝多核心再度搶得先機，火藥味濃厚至極，簡直快要爆炸了。明年初大家就會看到Intel vs. AMD的「新製程 vs. 新架構」世界大戰，加上Intel Eaglelake、AMD RD790、NVIDIA nForce 7晶片組和板卡廠永遠清不完的庫存，2008年就是一整個歡樂啊！
製程縮小，架構演化
讓我們快速溫習一下古時候的歷史（其實也才兩年）。Netburst架構的舊Pentium 4整個鳥掉，讓AMD Athlon64佔上風，於是Intel把Centrino筆電的Pentium M處理器拿出來大改，歷經Banias、Dothan、Yonah，最後生出劃時代的新架構Merom（正式的行銷名稱是Core微架構）。現在Core 2系列的產品線都是Merom架構，衍生多種核心橫跨桌上型和行動型（伺服器當然也有，但本篇就略過了），比如現在玩家最愛的控肉CPU（Conroe）就是Merom架構的桌上型版。而本篇的主角Penryn架構，就是把Merom從65奈米縮小成45奈米，趁著製程改進，Intel也順便小修了一下Merom，雖不像下一代Nehalem架構那樣瘋狂大改，但也讓Penryn有更好的功耗與效能。
在Yonah核心之後Intel採取非常積極的「Tick-Tock」策略，Tick-Tock就像時鐘的滴答聲，兩年一個循環。在每一年的聲響中Intel都會來一次革新，一大一小，新製程的隔年就是新架構，新架構的隔年就是新製程，每一年都更新產品線，每一年都是過渡產品讓你不知道該怎麼買。去年的Core 2是65奈米的新架構Merom，在今年底Intel把Merom架構轉進45nm製程推出Penryn。再下一次就是全新架構Nehalem，那是Intel近十年來最大的架構革新。
Wolfdale原生雙核與Yorkfield拼裝四核
很不幸的，Penryn架構還是原生雙核心，對手AMD的Phenom X4已經換成原生四核架構，所以「原生四核 vs. 拼裝四核」的嘴砲還會再戰個一年，保証是討論區的月經文。第一顆Penryn架構的CPU是四核心的Core 2 Extreme QX9650，就像之前的QX6850或現在詢問度很高的Q6600，QX9650的Yorkfield核心是兩顆雙核心封裝起來，Penryn真正的本尊是雙核心的Wolfdale，除了QX9650，其餘Penryn的產品線都要到2008年才出。
Wolfdale核心會有FSB 1333MHz、破錶的6MB L2快取、電晶體數量高達410M，但因為45奈米製程，相較於現在Core 2所用的Conroe核心，Wolfdale電晶體數量多了40%（410M vs. 291M）、快取多了50%（6MB vs. 4MB），但晶圓面積反倒縮小了30%（107mm^2 vs. 143mm^2）。至於QX9650的Yorkfield，就是Wolfdale的規格全部乘2，820M的電晶體倒是第一次看到桌上型CPU的電晶體數量超越GPU，而12MB的L2快取.....我不知道要說什麼了，其實Intel不是生產CPU的廠商，而是生產快取的。
Wolfdale的晶片照片，雙核心基本上就是鏡像兩顆核心，而那一大片當然就是L2快取。
支援Penryn很簡單∼
擔心Intel出新CPU就要砍掉重練的玩家別害怕，現在所有的3系列晶片組都支援Penryn，包括X38、P35、G33、G31等等，通常更新個BIOS就可以上了，NVIDIA之後的nForce 7系列也會支援Penryn（但不支援DDR3），真的想升級45奈米CPU，平台的選擇還蠻多樣的，高中低階都有。下面的表格是目前確定會出的Penryn產品線，筆電的Penryn會更新現在的Santa Rosa平台，大家會發現QX9650還不是最高階的，明年上市的QX9770時脈高達3.2GHz，也是首批有FSB 1600MHz的桌上型CPU。
Penryn產品線會有非整數的倍頻，因為333MHz的外頻很高，而Penryn架構的單一時脈效能又很強，倍頻跳一級就多333MHz，有礙於細分產品線撈更多錢，所以Intel新增了0.5x的倍頻，讓產品時脈可以用166MHz的級數來分。這些2008年的新產品會取代現有的一些產品線，不過初期都是取代中高階產品，其中我個人覺得最有趣的是Q9300，美金266元的四核心，擺明就是取代現在熱門的Q6600，但Q9300裡的兩顆雙核心卻都只有3MB，所以這顆「Q6600殺手」事實上L2快取比Q6600還少，爽度大減，感覺有點差。如果Intel打算跟AMD話題性高的三核心CPU對幹，就來一顆美金200元以下的低階四核心吧！關了一半快取、降到45奈米製程的Q9300，應該有機會可以賤價大拍賣吧？就看Intel的誠意了....
Penryn 架構分析 ＆ 相關測試
雖然說Penryn是Merom架構的45奈米縮小版，但如果只有這樣，那大概只有Intel控會買，Intel幫Penryn做了一些架構的調整，除了SSE4比較大之外，其他都是小幅度的加強，讓Penryn有比Merom更好的效能，但又不至於佔用太多電晶體（大部分的電晶體都放在快取上了吧？），在45奈米製程下更能有效控制成本，讓Intel賺更多錢，蓋更多晶圓廠污染地球....（我說到哪去了？）底下列出一些Penryn的架構改進，並列出相關的測試結果，詳細的一般效能測試則放在最後面。
45奈米製程，Metal Gate加High-K
製程縮小會遇到的主要問題就是漏電流（Current Leakage），尤其是在閘極介質（Gate Dielectric）之間的漏電，閘極在晶圓的電晶體裡扮演絕緣體的角色，過去有一段時間是用金屬，但因為金屬的耐熱程度、處理困難度都比多晶矽（Polysilicon）差，而且金屬在製程時會散進矽晶圓，所以後來大家都用多晶矽來做閘極介質。但多晶矽並非良好的的絕緣體，在65奈米的時候，多晶矽閘極介質只剩5個原子那麼厚，因此難以克服漏電問題。
但Intel不愧是世界一流的半導體晶圓廠，他們硬是把金屬帶回閘極介質，解決難以處理的障礙。透過Metal Gate和High-K的鉿物質，Intel在45奈米製程上做出突破，他們沒有透露是何種超合金和詳細的製作方法，畢竟那是商業機密。但Intel強調他們的45奈米製程可以達到2倍的電晶體密度、30%的省電、加快20%電晶體的切換速度，換句話說，就是時脈更高、功能更多、但更省電了。
Intel的45奈米製程在電晶體構成物質上做了很大的改變，原本以多晶矽做閘極介質，現在改成金屬物質，官方沒有提到是什麼金屬，但宣稱可以降低漏電。
各位大大應該都是半導體產業的製程工程師，所以我就不賣弄了，對我來說最重要的問題是：45奈米製程的Penryn到底有沒有更省電？，我抓了QX9650和QX6850做比較，這兩顆CPU的時脈相同，只有製程架構不同，利用SP2004指定CPU核心執行的方式操到四核都100%佔用率，看看整機的耗電和溫度狀況。
測試結果讓我大吃一驚，雖然QX9650和QX6850的TDP都是130W，但整機耗電量QX9650硬是低了40W左右，省電幅度達20%，無論待機或全速都明顯比較省電，講一堆Metal Gate或High-K好像很唬爛，但45奈米的Penryn架構真的比較省電，而且幅度還蠻大的！
溫度的部分也是，我們是用相同的風扇做測試，QX9650在全速時溫度低了快20度，但因為我手上的QX9650還是工程版，所以就沒仔細測超頻的部分，但不加電壓隨手調了一下就拉到3.6GHz，表現也比QX6850好。
24路、6MB暴肥L2快取
Penryn原生雙核心架構的L2快取加大50%，從Merom的4MB共用L2快取加到6MB，拼裝四核心就擁有12MB的驚人快取，除了「加量不加價」之外，Penryn也把L2快取從Merom的16路關聯強化到24路關聯。快取是暫存記憶體的位址，當CPU需要一個資料時，如果快取裡有暫存，就不用再到記憶體裡翻找，處理速度會加快，而「關聯性」（Associativity）是指某個主記憶體的位址可以放在某個快取區塊，16路就代表在16個快取區塊之中選一個來放，但必須覆蓋掉原來那個區塊所放的資料。
Penryn的快取關聯性從16路增加到24路，在CPU-Z裡可以看出來。
增加關聯性是兩面刃，因為寫入快取必須覆蓋掉原來的資料，會有機會發生「覆蓋掉之後可能會用到的資料」的狀況。用有點錯誤但比較容易理解的方式，16路關聯性就會有1/16的機率蓋掉之後可能會用到的資料，若真的發生這種情況，就會間接提高快取的失誤率（因為先前的資料被洗掉了），而增加到24路的話，這個覆蓋的機率就降到1/24，進而減少失誤率。可是增加關聯性，就代表CPU需要快取資料時，得再24個區塊裡找，會增加快取延遲。所以才說是兩面刃，減少失誤率固然很好，但若增加快取延遲，那就不好了。
我用CPU-Z附的程式來測試快取延遲時間，得到的結果如下：
| 項目 | Core 2 Extreme QX9650 | Core 2 Extreme QX6850 | | CPU-Z Cache L2 Latency | 15 | 14 |
QX9650的L2快取延遲從14個時脈週期增加到15，雖然變慢了，但算是維持過去的高水準，也就是Penryn架構加大快取、減少失誤率，同時保持相同的快取延遲。俗話說的好，「硬碟容量決定宅的力量」，快取容量也是如此（再掰嘛...）！Intel的主力商品果然是快取，功力不同凡響。
SSE 4.1指令集與Super Shuffle引擎
SSE4是Penryn最重要的改變之一，SSE系列SIMD指令集主要是針對多媒體、3D、遊戲、圖形等等做加速，詳細解說可參考「1-3.CPU進階技術講解，XD、VT、SSE在幹嘛」。而在Penryn架構中，Intel新增了47個SSE 4.1的指令，為什麼說SSE "4.1"？因為整個SSE4指令集總共有54個指令，剩下7個指令則留到下一代的Nehalem再補完SSE 4.2。雖然不完整，但SSE 4.1仍然可增加多媒體效能，尤其MPSADBW和PHMINPOSUW兩個指令，大家應該都是程式設計師，所以我就不說細節了，只要知道它可以幫助影片壓縮的速度，影片壓縮時基本上是取一張基礎畫面，然後去比對各畫面和基礎畫面的差異，這兩個指令就是專門做這件事。
除了新的SSE指令集，Penryn還有與之搭配的「Super Shuffle」引擎。SSE主要是運算向量資料，但應用程式不一定會整整齊齊的把資料排成標準格式，Super Shuffle引擎會快速最佳化這些資料，讓SSE執行單元隨時保持滿載，加快SSE的執行速度，且不需要軟體更新就可以對所有的SSE2、SSE3、SSE4做最佳化。
Penryn架構支援SSE 4.1指令集，主要加強影片壓縮、3D、圖形等等。
其中比較重要的是MPSADBW和PHMINPOSUW兩個指令，Intel宣稱有1.6∼3.8倍的加速。（不過Intel也曾宣稱HyperThreading可以加快30%，所以.....）
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