Intel Core i7 740QM詞條概述

Intel Core i7 740QM 是英特爾新開發(fā)的一款處理器型號，基于45nm Nehalem微架構(gòu)，擁有四個(gè)核心、八個(gè)邏輯線程，原始主頻提升到1.73GHz，動態(tài)加速單核心最高頻率2.93GHz，三級緩存6MB，支持雙通道DDR3-1333內(nèi)存，支持全速單PCI-E 2.0 x16或半速雙PCI-E 2.0 x8圖形系統(tǒng)，熱設(shè)計(jì)功耗均為45W。

Core i7 740QM為英特爾移動CPU的高端產(chǎn)品，具有4核8線程和6MB三級緩存，運(yùn)行頻率為1.73GHz，它支持英特爾智能睿頻(Turbo Boost)技術(shù)， 睿頻后可高達(dá)2.93GHz。該款CPU采用了45nm的制造工藝，熱設(shè)計(jì)功耗45W，采用了Socket G1封裝接口，屬于Nehalem四核心產(chǎn)品，并支持超線程和虛擬化技術(shù)，支持雙通道DDR3-1333內(nèi)存。

Core i7-740QM于2010年6月份發(fā)布，官方千顆批發(fā)價(jià)378美元。其具體參數(shù)見如下表格:

從高級層面角度看，SNB架構(gòu)只是一次進(jìn)化，但是如果看看Nehalem/Westmere以來晶體管變化的規(guī)模，絕對是一次革命。 Core 2引入了一種叫作循環(huán)流檢測器(LSD)的邏輯塊，檢測到CPU執(zhí)行軟件循環(huán)的時(shí)候就會關(guān)閉分枝預(yù)測器、預(yù)取/解碼引擎，然后通過自身緩存的微指令(micro-ops)供給執(zhí)行單元。這種做法通過在循環(huán)執(zhí)行的時(shí)候關(guān)閉前端節(jié)省了功耗，并改進(jìn)了性能。SNB里又增加了一個(gè)微指令緩存，用于在指令解碼時(shí)臨時(shí)存放。這里沒有什么嚴(yán)格的算法，指令只要在解碼就會放入緩存。預(yù)取硬件獲得一個(gè)新指令的時(shí)候，會首先檢查它是否存在于微指令緩存中，如是則由緩存為其余的管線服務(wù)，前端隨之關(guān)閉。解碼硬件是x86管線里非常復(fù)雜的部分，關(guān)閉它能夠節(jié)約大量的功耗。如果這種技術(shù)也能引入到Atom處理器架構(gòu)中，無疑也能使之受益匪淺。

這個(gè)緩存是直接映射的，能存儲大約1.5K微指令，相當(dāng)于6KB指令緩存。它位于一級指令緩存內(nèi)，大多數(shù)程序的命中率都能達(dá)到80%左右，而且?guī)捯蚕啾纫患壷噶罹彺娓摺⒏€(wěn)定。真正的一級指令和數(shù)據(jù)緩存并沒有變，仍然都是32KB，合計(jì)64KB。

這看起來有點(diǎn)兒像Pentium 4的追蹤緩存，但最大的不同是它并不緩存追蹤，而更像是一個(gè)指令緩存，存儲的是微指令，而非x86指令(macro-ops)。 與此同時(shí)，Intel還完全重新了一個(gè)分支預(yù)測單元(BPU)，精確度更高，并在三個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新。

第一，標(biāo)準(zhǔn)的BPU都是2-bit預(yù)測器，每個(gè)分支都使用相關(guān)可信度(強(qiáng)/弱)進(jìn)行標(biāo)記。Intel發(fā)現(xiàn)，這種雙模預(yù)測器所預(yù)測的分支幾乎都是強(qiáng)可信度的，因此SNB里多個(gè)分支都使用一個(gè)可信度位，而不是每個(gè)分支對應(yīng)一個(gè)可信度位，結(jié)果就是在分支歷史表中同樣的位可以對應(yīng)更多分支，進(jìn)而提高預(yù)測精確度。

第二，分支目標(biāo)同樣做了翻新。之前的架構(gòu)中分支目標(biāo)的大小都是固定的，但是大多數(shù)目標(biāo)都是相對近似的。SNB現(xiàn)在支持多個(gè)不同的分支目標(biāo)大小，而不是一味擴(kuò)大尋址能力、保存所有分支目標(biāo)，因而浪費(fèi)的空間更少，CPU能夠跟蹤更多目標(biāo)、加快預(yù)測速度。

第三，提高分枝預(yù)測器精度的傳統(tǒng)方法是使用更多的歷史位，但這只對要求長指令的特定類型分支有效，SNB于是將分支按照長短不同歷史進(jìn)行劃分，從而提高預(yù)測精度。

類似于AMD的推土機(jī)、山貓，Intel SNB也使用了物理寄存器文件。Core 2、Nehalem架構(gòu)中，每個(gè)微指令需要的每個(gè)操作數(shù)都有一份拷貝，這就意味著亂序執(zhí)行硬件(調(diào)度器/重排序緩存/關(guān)聯(lián)隊(duì)列)必須要非常大，以便容納微指令和相關(guān)數(shù)據(jù)。Core Duo時(shí)代是80-bit，加入SSE指令集后增至128-bit，現(xiàn)在又有了AVX指令集，按照趨勢會翻番至256-bit。 RPF在寄存器文件中存儲微指令操作數(shù)，而微指令在亂序執(zhí)行引擎中只會攜帶指向操作數(shù)的指針，而非數(shù)據(jù)本身。這就大大降低了亂序執(zhí)行硬件的功耗(轉(zhuǎn)移大量數(shù)據(jù)很費(fèi)電的)，同時(shí)也減小了流水線的核心面積，數(shù)據(jù)流窗口也增大了三分之一。

核心面積的精簡正是AVX指令(SNB最主要革新之一)集得以實(shí)現(xiàn)并保證良好性能的關(guān)鍵所在。以最小的核心面積代價(jià)，Intel將所有SIMD單元都轉(zhuǎn)向了256-bit。

AVX支持256-bit操作數(shù)，相當(dāng)消耗晶體管與核心面積，而RPF的使用加大了亂序執(zhí)行緩沖，能夠很好地滿足更高吞吐量的浮點(diǎn)引擎。

Nehalem架構(gòu)中有三個(gè)執(zhí)行端口和三個(gè)執(zhí)行單元堆棧:

SNB允許256-bit AVX指令借用128-bit的整數(shù)SIMD數(shù)據(jù)路徑，這就使用最小的核心面積實(shí)現(xiàn)了雙倍的浮點(diǎn)吞吐量，每個(gè)時(shí)鐘可以進(jìn)行兩個(gè)256-bit AVX操作。另外執(zhí)行硬件和路徑的上位128-bit是受電源柵極(Power Gate)控制的，標(biāo)準(zhǔn)128-bit SSE操作不會因?yàn)?56-bit擴(kuò)展而增加功耗。

AMD推土機(jī)架構(gòu)對AVX的支持則有所不同，使用了兩個(gè)128-bit SSE路徑來合并成256-bit AVX操作，即使八核心(四模塊)推土機(jī)的256-bit AVX吞吐量也要比四核心SNB少一半，不過實(shí)際影響完全取決于應(yīng)用程序如何利用AVX。 SNB的峰值浮點(diǎn)性能翻了一番，這就對載入和存儲單元提出了更高要求。Nehalem/Westmere架構(gòu)中有三個(gè)載入和存儲端口:載入、存儲地址、存儲數(shù)據(jù)。

SNB架構(gòu)中載入和存儲地址端口是對稱的，都可以執(zhí)行載入或者存儲地址，載入帶寬因此翻倍。 SNB的整數(shù)執(zhí)行也有了改進(jìn)，只是比較有限。ADC指令吞吐量翻番，乘法運(yùn)算可加速25%。環(huán)形總線、三級緩存和系統(tǒng)助手

Nehalem/Westmere每個(gè)核心都與三級緩存單獨(dú)相連，都需要大約1000條連線，而這種做法的缺點(diǎn)是如果頻繁訪問三級緩存，效果可能不會太好。 SNB又整合了GPU圖形核心、視頻轉(zhuǎn)碼引擎，并共享三級緩存。Intel并沒有沿用此前的做法，再增加2000條連線，而是像服務(wù)器版的Nehalem-EX、Westmere-EX那樣，引入了環(huán)形總線(Ring Bus)，每個(gè)核心、每一塊三級緩存(LLC)、集成圖形核心、媒體引擎、系統(tǒng)助手(System Agent)都在這條線上擁有自己的接入點(diǎn)，形象地說就是個(gè)"站臺"。

這條環(huán)形總線由四條獨(dú)立的環(huán)組成，分別是數(shù)據(jù)環(huán)(DT)、請求環(huán)(QT)、響應(yīng)環(huán)(RSP)、偵聽環(huán)(SNP)。每條環(huán)的每個(gè)站臺在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)都能接受32字節(jié)數(shù)據(jù)，而且環(huán)的訪問總會自動選擇最短的路徑，以縮短延遲。隨著核心數(shù)量、緩存容量的增多，緩存帶寬也隨時(shí)同步增加，因而能夠很好地?cái)U(kuò)展到更多核心、更大服務(wù)器集群。

這樣，SNB每個(gè)核心的三級緩存帶寬都是96GB/s，堪比高端Westmere，而四核心系統(tǒng)更是能達(dá)到384GB/s，因?yàn)槊總€(gè)核心都在環(huán)上有一個(gè)接入點(diǎn)。 三級緩存的延遲也從大約36個(gè)周期減少到26-31個(gè)周期。此前預(yù)覽的時(shí)候我們就已經(jīng)感覺到了這一點(diǎn)，現(xiàn)在終于有了確切的數(shù)字。三級緩存現(xiàn)在被劃分成多個(gè)區(qū)塊，分別對應(yīng)一個(gè)CPU核心，都在環(huán)形總線上有自己的接入點(diǎn)和完整緩存管線。每個(gè)核心都可以訪問全部三級緩存，只是延遲不同。此前三級緩存只有一條緩存管線，所有核心的請求都必須通過它，現(xiàn)在很大程度上分而治之了。 和以前不同的是，三級緩存的頻率現(xiàn)在也和核心頻率同步，因而速度更快，不過缺點(diǎn)是三級緩存也會隨著核心而降頻，所以如果CPU降頻的時(shí)候GPU又正好需要訪問三級緩存，速度就慢下來了。

經(jīng)過環(huán)形總線、三級緩存的變化，非核心(Uncore)概念還在，但是Intel改稱之為系統(tǒng)助手，基本就相當(dāng)于曾經(jīng)的北橋芯片: PCI-E控制器，可提供16條PCI-E 2.0信道，支持單條PCI-E x16或者兩條PCI-E x8插槽;

重新設(shè)計(jì)的雙通道DDR3內(nèi)存控制器，內(nèi)存延遲也恢復(fù)了正常水平(Westmere將內(nèi)存控制器移出CPU、放到了GPU上);

此外還有DMI總線接口、顯示引擎、電源控制單元(PCU)。

系統(tǒng)助手的頻率要低于其他部分，有自己獨(dú)立的電源層。

Intel的集成顯卡似乎總是個(gè)笑話，但這次確實(shí)不一樣了。SNB的CPU性能相比現(xiàn)在提升了10-30%，進(jìn)化到第六代的GPU圖形性能則會輕松翻好幾番。 Westmere雖然也自帶了圖形核心，但與CPU是雙內(nèi)核封裝，只是通過45nm工藝、更多著色硬件、更高頻率提升了性能，SNB則將CPU、GPU封裝在同一內(nèi)核中，全部采用32nm工藝，特別是顯著提高了IPC(指令/時(shí)鐘)。

SNB GPU有自己的電源島和時(shí)鐘域，也支持Turbo Boost技術(shù)，可以獨(dú)立加速或降頻，并共享三級緩存。顯卡驅(qū)動會控制訪問三級緩存的權(quán)限，甚至可以限制GPU使用多少緩存。將圖形數(shù)據(jù)放在緩存里就不用繞道去遙遠(yuǎn)而"緩慢"的內(nèi)存了，這對提升性能、降低功耗都大有裨益。 不過這么做并沒有說起來這么簡單。NVIDIA GF100核心費(fèi)了九牛二虎之力，SNB其實(shí)也差不多，同樣進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。

順便提一下Intel的獨(dú)立顯卡工程Larrabee。它的重點(diǎn)是廣泛使用全面可編程硬件(除了紋理硬件)，SNB則是全面使用固定功能硬件，功能特性和硬件單元相對應(yīng)，這樣的好處是性能、功耗、核心面積都大大優(yōu)化，損失則是缺乏彈性。顯然，Intel世界的中心仍舊是CPU，不能讓GPU過分強(qiáng)大，這和NVIDIA的理念正好相反。

可編程著色硬件被稱為EU，包含著色器、核心、執(zhí)行單元等，可以從多個(gè)線程雙發(fā)射時(shí)取指令。內(nèi)部ISA映射和絕大多數(shù)DX10 API指令一一對應(yīng)，架構(gòu)很像CISC，結(jié)果就是有效擴(kuò)大了EU的寬度，IPC也顯著提升。

抽象數(shù)學(xué)運(yùn)算由EU內(nèi)的硬件負(fù)責(zé)，性能得以同步提高。Intel表示，正弦(sine)、余弦(cosine)操作的速度比現(xiàn)在的HD Graphics提升了幾個(gè)數(shù)量級。

Intel此前的圖形架構(gòu)中，寄存器文件都是即時(shí)重新分配的。如果一個(gè)線程需要的寄存器較少，剩余寄存器jiuihui分配給其他線程。這樣雖能節(jié)省核心面積，但也會限制性能，很多時(shí)候線程可能會面臨沒有寄存器可用的尷尬。在芯片組集成時(shí)代，每個(gè)線程平均64個(gè)寄存器，Westmere HD Graphics提高到平均80個(gè)，SNB則每個(gè)線程固定為120個(gè)。

所有這些改進(jìn)加起來，SNB里每個(gè)EU的指令吞吐量都比現(xiàn)在的HD Graphics增加了一倍。

SNB集成的GPU圖形核心分為兩大版本，分別擁有6個(gè)、12個(gè)EU。首批發(fā)布的移動版全部是12個(gè)EU，桌面版則根據(jù)型號不同而有兩種配置，可能是高端12個(gè)、低端6個(gè)。得益于每個(gè)EU吞吐量翻番、運(yùn)行頻率更高、共享三級緩存等特點(diǎn)，即使只有六個(gè)的時(shí)候性能也會相當(dāng)令人滿意。

除了GPU圖形核心，SNB中還有一個(gè)媒體處理器，專門負(fù)責(zé)視頻解碼、編碼。

新的硬件加速解碼引擎中，整個(gè)視頻管線都通過固定功能單元進(jìn)行解碼，和現(xiàn)在正好相反。Intel據(jù)此宣稱，SNB在播放視頻的時(shí)候功耗可降低一半。 視頻編碼引擎則是全新的。具體細(xì)節(jié)沒有公布，但是Intel現(xiàn)場拿出了一段3分鐘長的1080p 30Mbps高清視頻，將其轉(zhuǎn)換成640×360 iPhone格式，結(jié)果整個(gè)過程耗時(shí)僅僅14秒鐘，轉(zhuǎn)換速度高達(dá)400FPS左右，而這只花費(fèi)了大約3平方毫米的核心面積。 Intel與軟件產(chǎn)業(yè)合作密切，相信這種視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)會很快得到廣泛支持。

Lynnfield Core i7/i5首次引入了智能動態(tài)加速技術(shù)"Turbo Boost"(睿頻)，能夠根據(jù)工作負(fù)載，自動以適當(dāng)速度開啟全部核心，或者關(guān)閉部分限制核心、提高剩余核心的速度，比如一顆熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)為 95W的四核心處理器，可能會三個(gè)核心完全關(guān)閉，最后一個(gè)大幅提速，一直達(dá)到95W TDP的限制。 現(xiàn)有處理器都是假設(shè)一旦開啟動態(tài)加速，就會達(dá)到TDP限制，但事實(shí)上并非如此，處理器不會立即變得很熱，而是有一段時(shí)間發(fā)熱量距離TDP還差很多。

SNB利用這一點(diǎn)特性，允許單元控制單元(PCU)在短時(shí)間內(nèi)將活躍核心加速到TDP以上，然后慢慢降下來。PCU會在空閑時(shí)跟蹤散熱剩余空間，在系統(tǒng)負(fù)載加大時(shí)予以利用。處理器空閑的時(shí)間越長，能夠超越TDP的時(shí)間就越長，但最長不超過25秒鐘。 不過在穩(wěn)定性方面，PCU不會允許超過任何限制。

之前我們也已經(jīng)說過了，SNB GPU圖形核心也可以獨(dú)立動態(tài)加速，最高可達(dá)驚人的1.35GHz。如果軟件需要更多CPU資源，那么CPU就會加速、GPU同時(shí)減速，反之亦然。

Sandy Bridge家族仍然沿用酷睿i3/i5/i7的品牌+子系列的命名方式，編號上采用四位數(shù)字，其中第一位均為"2"，表示第二代Core i系列，編號末尾往往有一個(gè)代表不同含義的字母:K代表不鎖定倍頻，均為高端產(chǎn)品;S代表性能優(yōu)化，原始頻率比沒有字母后綴的低很多，但是單核心加速最高頻率基本相同，另外熱設(shè)計(jì)功耗都是65W;T代表功耗優(yōu)化，熱設(shè)計(jì)功耗只有45W或35W。