错在工艺不成熟上?推土机架构失利分析

AMD的推土机架构公布之时绝对让人震惊，被誉为自X86体系确立以来架构变化最大的一次，模块化的设计思路很新颖，当时一片叫好之声。可惜理想很丰满，现实太骨感，等到真正的推土机上市时，推土机带给人们的只是失望。

实际性能上推土机不仅比不过Intel Sdandy Bridge架构，甚至不如自家上一代Phenom II，而功耗和发热又大幅超出，推土机没有带给AMD复兴的荣耀，反倒成了滑铁卢。时至今日，AMD官方多次用CPU性能过剩来安慰自己和客户，这话不无道理，但是AMD在CPU性能上暂时无力跟Intel争雄了，最简单的例子就是国内外各大IT媒体的评测平台基本上都是Intel CPU和主板了。

▲图片来源于Techreport

即便过去了这么久，推土机性能不济一事依然没有准确合理的解释，各方总结起来的原因主要有以下几点：

1.GlobalFoundries工艺不成熟

虽然FX-8150的默认频率已经达到3.6GHz，Turbo频率4.2GHz，但是这仍然低于AMD预期，而且GlobalFoundries并不成熟的32nm SOI工艺使得推土机的功耗和发热巨大，进一步限制了CPU性能提升。

2.软件优化不到位

推土机模块化的设计需要系统和软件的优化，否则难以发挥真正的性能。这方面微软已经推出了任务调度补丁，根据我们的测试，性能确实有一定提升，但是比率非常小，并不足以改变推土机的命运。

3.推土机架构的缓存延迟太高

还是推土机独特的架构所致，因为它也使用了长管线设计，被称为AMD版的Pentium 4，延迟周期太高，有人认为这是性能失利的主要原因，但是从媒体测试Trinity APU的表现来看，即便是做了改进的Piledriver(二代推土机架构)的IPC性能也没有改变多少。

其他理由还有很多，但是这都不是主要原因。Anandtech网站近日撰文分析了推土机架构兵败的原因，原文很长，这里只摘录结论来看。

首先他们也认为推土机的高延迟对桌面应用有一定影响，但是这并非导致性能受影响的主要原因，因为Intel首次使用4周期延迟的Nehalem并不比上一代Penryn架构快多少。

▲主流CPU架构的L2分支预测延迟

寻找元凶：分支预测误预测惩罚及指令缓存命中率

在经过对比测试之后，Anandtech认为影响推土机性能更严重的是其分支误预测(Branch Misprediction)带来的后果以及指令缓存命中率(Instruction Cache Hit Rate)问题，这才是主要影响因素。

▲分支预测性能测试

推土机跟Sady Bridge一样都是长管线设计，但是后者针对可能的分支误预测做了补救措施，有专门的μop缓存以减少预取和解码过程中的延迟。性能低于预期的SAP、SQL Server以及更严重的SPEC CPU2006测试中都表明了推土机在分支误预测上有严重问题。

前面的测试证明了AMD推土机工程师在分支预测性能上做的不错，但是分支误预测上就不如Intel SNB架构了，即便是Trinity APU使用的Piledriver也没有明显改进，性能变化只有1%左右。

不知AMD是否会在未来的架构设计中也增加μop缓存，它可以减少分支误预测带来的惩罚，节省能耗，并给解码单元减少负担，看起来是很完美的设计。

另一个问题是L1指令缓存似乎并不能适应双线程操作，测试中只要在2-way 64KB L1指令缓存中进行双线程操作，命中率就明显下降，看来推土机的模块化设计中缓存的结关联性还是太低，而Intel的做法是双线程应用中使用8-way关联性缓存。

桌面性能以及服务器性能的平衡

文章最后还谈到了推土机的设计思路，这是AMD为什么采用这样的设计的出发点，因为推土机并非面向桌面应用设计，服务器负载才是重点。

桌面应用要求更高的IPC性能，对分支预测敏感，但是对线程数量要求比较低，这些恰好不是推土机的强项，AMD只能使用提高CPU频率以及Turbo频率的做法来满足高端玩家的需要，原本的目标是同功耗下频率至少要高20-30%，但是最终的结果是只高了10%，而且功耗也大幅飙升。

▲服务器应用是推土机架构特性发挥比较好的领域

服务器应用才是推土机架构最擅长的领域，SPEC CPU2006的测试中推土机表现就很好，这里对CPU IPC性能不慎敏感，就算CPU的命中失误比较高，延迟方面所受的影响也比较小，但是它对CPU并行、内存占用要求比较高，因此推土机高延迟但是大容量的L2缓存在测试中表现就很好。

无论那种理由或者缺陷导致了推土机桌面性能不济，目前的现实就是除非架构有较大变化，否则基于推土机架构演变而来的AMD处理器依然难以跟Intel相提并论。在这一代失利中，不知AMD心里是否真的不在意CPU性能了，因为他们的重心转向了APU这样的全功能、低成本处理器。

从实际应用上看AMD的CPU性能过剩论确实很有道理，随便一颗3GHz左右的双核或者四核都可以满足目前的软件和游戏需要，但是仍然不希望也不愿看到CPU领域是Intel一家独大，只是推土机架构的CPU路线图已经延伸到了2015年，未来两三年内都不会看到AMD有新架构CPU发布，前景实在难料。