文/newfish

　　深入幕后：最完整的Prescott评测报告

　　Pentium 4从2000年秋的青涩登场以来，如今已经获得了市场的充分认可。在CPU竞争日益激烈的今天，Intel力图进一步深化Pentium 4产品线，以确保桌面市场的领先优势。Intel手上的下一张王牌便是我们今天的主角：Prescott处理器。

图为：Prescott处理器

　　Prescott出现在Intel产品版图中曾经引起我们足够的好奇，我们猜测Intel会故伎重施：将处理器过渡90nm制造工艺，加倍缓存数量，提升核心频率，同时体积进一步缩小。在Intel由Pentium III向第一代Pentium 4过渡时，他们也是这样做的。因此大众对Prescott期望还是相当高的。

　　Intel的确转向了90nm处理器，但是散热问题无法及时解决。Intel也的确加倍了缓存数量，但读取延迟也增加了，在Northwood上并没有这个负面效应。同时Intel也将进一步提升了Prescott的运行频率，但是在实际发布的产品中，频率并没有增加，它还是快不过最新的Northwood 3.2GHz。Intel还增加了流水线管道长度，Prescott的整数流水线现在达到了31级，而Northwood中只有20级长。Prescott的内核的确发生了很多的改变，它引入了最新的指令集，吸收了一些Pentium M处理器技术，同时算法的优化让它的运行更加高效。

　　如果你原以为Prescott会更小，更快，更好，那么我们要告诉你，你想错了。但是你要是走上另一个极端：Prescott的体积会更大，运算更慢，一切都更糟糕。事实也并非如此。Intel在Prescott上给我们上了一盆大杂烩，下面就让我们来揭开Prescott身上的层层面纱。

　　流水线长度：3GHz P4＝2GHz Athlon？

　　如今Intel每次发布新处理器产品的时候，我们都有必要对处理器流水线的问题加以说明，以解释为什么3GHz的P4会在性能上和2GHz的Athlon差不多。Prescott的流水线管长度比Northwood长了近55%，这让我们老调重弹。

　　处理器的流水线好比汽车生产车间里的装配线。但CPU的流水线并不是物理意义上的，数据也并不是从一端进入，另一端输出。实际上它是一个指令处理的步骤集合，每一条指令必须经过相同的步骤，我们把它们称为级数。流水线的级数给指令指明方向，告诉它们下面是进行加操作，还是存储数据，并且给出地址。

　　最基本的CPU流水线分成5级，如果将每一步细化便可以扩展到10级。流水线必须实现相同的目标：引入指令，输出结果，但级数的不同会让效率发生变化。5级流水线每一步花费的工作量要比十级流水线更大。如果其他保持不变，那么我会选择5级流水线，因为实现5级数据处理更加容易，如果每一级不能保持全速运算，那CPU的效率会大大下降。

　　选择更多流水线的理由是，如果每一级的处理过程更简单，那处理的速度会加快。最复杂的那一级会是整个运算中最慢的一环，它将决定整体的运行速度。

　　如果我们假设5级流水线的每一级都要花费1ns来完成，每一级运算的周期为一个时钟频率，那么我们得到了1GHz的处理速度。当我们增加线管级数时，这时很难保证每一级都全速运行，我们必须通过缩短每一级运算的周期来进行弥补。庆幸的是，由于每个时钟频率的工作量减少了，我们能有效缩短周期，在后者的设计中，时钟周期可以缩短到0.5ns。

　　十级流水线实现了2GHz的运行频率，它是前者运行频率的两倍。如果我们假定每一级流水线都全速工作，那么它的性能也将是前者的两倍。但现实是，流水线不可能每刻都处于满负荷状态，因此市场上的2GHz CPU不可能有1GHz CPU两倍的性能。

　　31级：它意味着什么？

　　几年前，1.4和1.5GHz Pentium 4处理器将流水线有PIII的10级提高到了20级，令人难堪的是，1.5GHz Pentium 4在性能上不能完胜1 GHz Pentium III，有些应用中甚至不如后者。直到今天，你依然不能简单的认为Pentium 4 2.4C的性能会超出PentiumIII 1GHz两倍之多，我们前面的论述已经给出的一定的解释。

　　0.13微米制程的Northwood核心的最高频率是3.6 - 3.8GHz。当转入90nm制造工艺后，Prescott的功耗将降低，同时核心频率也会更高，但这一切只是Intel的一厢情愿。当Intel转向90nm制程时，他们将Prescott的微架构也进行了改动，将它的整数流水线增加到了31级。考虑到最初的流水线解码级数，这样整个流水线管长度甚至会超出31级。

　　增加流水线线管的直接好处是：提升运行频率。在一年前的IDF论坛上，Intel曾指出Prescott的频率可以上到4GHz-5GHz，如今Prescott越来越长流水线管正给出了最好的注解。

　　线管长度的增加向Intel提出了挑战，Prescott在每个时钟频率上的运行效率肯定会比Northwood慢。要指出的是，一直到Pentium 4的频率提升至2.4GHz，Intel才在性能上赶上了流水线管更短的Athlon XP。现在Intel又一次面对压力，如果3.4GHz Prescott性能赶不上2.4GHz Northwood，Pentium 4的招牌会再一次黯然失色。

　　下面介绍的几项技术改进让Prescott在性能上至少不输于同频Northwood，如果不是这样，Prescott恐怕会提前为Pentium 4划上句号。

　　增加Prescott的流水线长度并不是一个容易下的决定，但是Intel的工程师觉得值得这么做。GPU的设计目前主要用硬件编译语言完成，而CPU几乎要靠手工设计。这解释了为什么区区几十级线管的P4能运行在GHz级别，而Radeon 9800 Pro只能运行在几百MHZ。如果花六个月周期象设计GPU那样来设计CPU，这几乎是不可能完成的任务。

　　象Prescott这样的CPU产品，Intel早在一两年就开始了研发。如果算上投产，整个周期会在三年左右。在最后时刻决定延长流水线管长度几乎是不可能的，因为线管的数目决定不了频率，保证最慢级数的速度提升同样重要，这是一个长期设计的过程。CPU设计和GPU设计上是有很大不同的。因此Prescott并不是什么匆忙上阵的救兵，它是Intel蓄谋以久的产品。

　　现在就让我们来看看，Intel能否在增加流水线长度的同时，让它们开足马力，全速工作。