文/硬件魅力 Rock

　　ATHLON64力挑INTEL双雄，3.2G的决战

　　不可否认CPU是吸引玩家注意力最多的电脑硬件产品，而CPU市场上Intel与AMD双雄鼎力的局面以及其激烈的竞争也使得整个处理器市场显得异常的精彩。随着Athlon 64以及Prescott的相继推出，老P4与Athlon XP的较量也以Intel的最终胜利告一段落。

　　虽然Athlon XP拥有不错的性价比，但是无论在产品宣传、生产工艺改良速度及所提供的产品的兼容性方面都处于劣势，这也是让AMD彻底对处理器进行革新原因所在，AMD64概念的释出让AMD再次夺回了桌面CPU性能王冠，而Intel以与还击的则是今天测试中将要登场的Prescoot！

　　在了解Prescott之前我们有必要来初步了解一下P4处理器的几次重大改进。虽然我们不知道Prescott核心是不是Intel最后一个采用P4命名的桌面处理器，但是预计这种可能性还是相当大。

　　Willamette——初出茅庐：Willamett核心的Pentium 4可以说是Intel有史以来遭到最多批评的处理器，Willamett将管线延长到20级，时钟频率得到了大幅度的提高，但是由此带来了负面效应也相对的明显，起初的Willamett在大多数测试中还不如自家的Pentium III处理器。但频率的飞速提升让Willamett可以弥补其长管线所带来的弊端，半年多的时间Penitum 4处理器已经迈上了2GHz的历史台阶。

　　Northwood——夺回性能王位：Northwood的推出可以说是让人们彻底对Pentium 4改变看法转折点，0.13微米工艺的应用、二级缓存容量的加大、为SSE2优化软件的逐渐普及，Pentium 4开始发威！频率提升到2.2GHz以后，Intel将Pentium 4前端总线全面提升到533MHz，频率一路提升到3.06GHz。成熟的0.13微米生产工艺可以说对Intel帮忙不小，而AMD转换到0.13微米工艺落后了大约半年。

　　HT技术+800MHz FSB——P4潜能彻底释放：3.06GHz的P4首次加了超线程技术的支持，在线程技术的帮助下，P4处理器的潜能进一步发挥，并且Intel在不久以后推出的2.4C、2.6C以及2.8C中也都加入了HT技术的支持，800MHz前端总线以及双通道DDR400芯片组再次帮了Intel一臂之力，Athlon XP彻底失去了对手追赶的机会。

　　经过三次大的升级后，Pentium 4可以是脱胎换骨，从开始广受批评的Willamett，到最后稳坐性能之王的宝座，Intel的技术实力不得不让我们所佩服。

　　此次评测室收到的是来自Intel的Pentium 4 3.2E处理器，进行测试之前我们先来了解一下Prescott上都有哪些变化。

　　更多的晶体管数，更小的核心面积

　　二级缓存容量的增加是Prescott晶体管数量剧增的主要因素。因为相对Northwood来说Prescott的计算核心部分并没有做太大的改变，而晶体管管数量骤然提升到1.25亿这个庞大的数字，而Northwood只有区区5500万个，增加的近5000万个晶体管几乎全部消耗在二级缓存上。

　　根据SRAM通过通电保持相位的技术特点，必须6个晶体管才能存储一个位，只要是增加缓存的容量，晶体管数码的增加是在所难免的，这也是为什么我们看到Pentium 4 EE仅三级缓存就要占据整整1亿晶体管的原因。晶体管数量增加后如果不进行生产工艺的改进，那么所造成的现象只能是核心面积成比例的增加，但是随着0.09微米工艺的应用，Intel这次可以引以为豪的让我们看到，虽然晶体管增加了一倍多，但实际上Prescott的核心面积比Northwood还要更小。

　　只要良品率能保障，在同一片圆晶上生产出的Prescott处理器更多，随之成本也就更低。

　　下面再拿Prescott同Athlon 64做一个对比，Intel采用的300毫米圆晶技术，AMD采用的200毫米圆晶技术，在各自的一片圆晶上Prescott可生产出588颗，Athlon 64可生产出148颗，Intel的成本优势显而易见。低成本保证了Intel有更多的收益，也就有更多的资金投入到未来的开发之中，以保证其技术上的领先位置。新工艺的引入让Prescott具有了低成本生产的保障，也是Intel对Prescott充满信心的一个重要原因。

　　在生产工艺方面，Intel另外一个重要技术的应用就是张力硅(Strained Silicon)技术。张力硅技术的工作原理是延长晶体管的通道区域，让电阻可以更容易的通过，以达到最终提升处理器工作频率的目的。

　　在过去，晶体管的延长通常是头、尾两个部分，而现在，Intel到把晶体管顶部的原子向下压迫，填补硅原子和底部晶体管通道的空隙，这样由于晶体管之间的空隙更加恰当，电子流通受到的电阻压力也减少了，意味着在需要的时候，单位时间能够通过更多的电流。带来的积极后果是，晶体管之间的电流通过效率能够提升10-20 %。

　　张力硅技术除了给Intel带来略微的成本增加外，其它没有任何负面影响，在0.09微米工艺中Intel会全面应用这项技术，而对于AMD目前已经开始采用的SOI技术，Intel则选择了065纳米流行的时候介入。其它方面，没有太大的变化，Prescott的虽然也开始应用7个金属层，但相对AMD早以在Ahtlon XP开始应用的9层来说并不算什么，可能是Intel认为目前还不需要如此多的金属层加入。

　　超长管线，成就Prescott高频率

　　与AMD采用的“短管线、低频率”策略不同，Intel在新一代Pentium 4处理器上仍然沿袭了“长管线、高频率”的设计思路。相对Northwood采用的20级来说，Intel又把Prescott管线加长了11级，达到了前所未有的31级管线，加上0.09微米工艺的应用，这一切都为Prescott尽快冲上5GHz的频率打下了基础。

　　对于Intel来说，采用长管线设计就是跑出尽可能高的频率，依靠频率上的优势来击败对手。Intel称借助在Prescott处理器上应用的张力硅晶技术以及镍硅材料的帮助，用不了太长的时间Prescott将跑到5GHz。

　　张力硅晶：借助外力改变分子结构，以使电子更容易通过晶格的技术。

　　镍硅材料：它能减少电子运动的阻力，目前老式的仍在使用钴硅材料。

　　当然，对于Intel来说将Prescott的管线加长到31级后，在执行效率上Prescott则也受到了比较明显的影响，因为虽然高频率可以加速程序的运行，但是一旦当流水线载入指令错误，芯片则会清空流水线并重载命令，越长的流水线，其清空和重载指令的时间就越长。为了平衡这一点弊端，Intel主要采取了两个手段来降低载入指令错误的几率。一是增大缓存容量，二则就是我们下面要说的对分支预测单元的改善。

　　平衡超长管线弊端，改善分支预测单元

　　前面说到，超长的管线虽然能让Prescott飞快的提升，但是所带来的弊端也是显而易见的，从后面的测试中我们也可以体会到，虽然二级缓存容量提升了一倍，但是在性能上相较同频的Northwood并没有什么进步，当然这是Intel在进行了很多平衡超长的管线所带来弊端的措施之后的情况，如果没有这些，Prescott的情况会比我们现在做看到的情况还遭很多。

　　长管线导致一旦载入错误程序后，处理器就得花很长的周期了重载，而减少重载次数的最好一个办法就是提供分支预测单元的命中率。提高命中率的方式一个是增加预测所用的存储单元容量，不过似乎Intel并没有采取这种办法，设计存储单元的难度和成本都相当高，目前也只有区区4KB。而算法的改进是最重要的。

　　Intel的办法是，通过使用更少内核空间消费的方法来协调分支预测器的效率。

　　Prescott包括了新的运算法则，能够从实际分支指令中，预测分支目标的距离，从而决定是否接受该分支。这些增强是相对于静态分支预测而言的，因为它们都有特定的情节。Prescott还包括了对动态分支预测的改进。事实上，Prescott团队借鉴了Pentium M团队提高处理器效率的方法，后者是Intel家族中最优秀的设计之一。

　　对手AMD则不同，也许受至于晶片生产技术上的制约，AMD在Athlon 64上还是继续采用短管线设计，12级的管线数目还不足Prescott的一半，但在执行效能上Athlon 64还是无人能抵，从这次测试可以看到3.2GHz的Prescott处理器基本无法与2GHz的Athlon 64 3200+相匹敌。

　　二级缓存容量加倍，但速度下滑

　　前面讲到Prescott采用了超长的管线设计以提高频率，但是长管线设计使得处理器的执行效率产生了下降，虽然Intel进行了处理器分支预测方面的诸多改进，但是想要在当前情况下将超长的管线带来的弊端消除，最终还得靠二级缓存容量的提升。二级缓存容量的增加需要大量增加处理器的晶体管数量，在这方面Intel一是通过生产工艺的更新，二是通过增加缓存密度来减小其所用的硅片面积。从我们获得的资料来看每个Prescott的每个SRAM单元比在Northwood使用的单元小43%。

可以看到处理器近三分之一的面积被二级缓存所占据

　　这也是我们看到缓存容量加倍，但核心面积Northwood更小的一个重要原因。要知道Pentium 4EE集成2MB的二级缓存后，单单缓存部分就要消耗1亿个晶体管，如果Intel不采用0.09微米工艺和缓存压缩技术，相信Prescott也没有那么顺序进行量产。

　　一级缓存方面，Prescott配有16KB的一级数据缓存和指令缓存可以存储12k micro-ops，而在Intel以往的Pentium 4处理器中，是将机器码翻译成内部指令集然后再执行。另外，需要值得注意的是无论是在一级还是二级缓存的速度上，Prescott可能较Northwood都更慢，我们没有时间进行这方面更多的单项测试，但是相信后面的总体测试会说明一些问题。