intel atom系列(atom cpu)

来源： MikesICroom作者： Mike Liu

上周，英特尔在加利福尼亚州召开的Linley秋季处理器大会上公布了X86 Atom低功耗处理器系列Tremont的架构设计细节。英特尔的终端处理器主要由两条产品线组成。一个是高性能的核心系列，是台式机系统中使用的被称为“酷睿”的东西。另一个是低功耗的ATOM系列，中文称为“凌动”，主要面向移动端和IOT。 Tremont作为ATOM的最新架构，设计思路与高性能的zzdxx Cove有很大不同，对功耗、面积等指标更为重视。本文将解读Tremont公共信息，探讨英特尔移动处理器的设计细节和思路。

虽然Atom芯片曾一度在上网本中闪耀，但随着智能手机的普及，ARM以绝对优势垄断了这个巨大的市场，Atom似乎消失了。虽然Atom的功耗一直备受诟病，但由于基于X86指令集，在兼容性和编程性方面有一定的优势，特别是需要与桌面系统合作的情况。因此，在工业领域、windows平板电脑、个人存储(NAS )等专用移动市场中仍被广泛使用。

英特尔在Goldmont plus之后，计划了三代架构路线。 Tremont、Gracemont、and‘future mont’。 Tremont作为第一代10nm低功耗架构，不仅仅是上一代架构的细节和指标的改善，更重要的是与高性能的酷睿核心一起构成异构多核系统，提供更好的功耗。该方法与ARM的big.LITTLE体系结构相同，在一个系统中捆绑多个高性能核心和低功耗核心，根据程序的负载需求选择对应的核心进行执行，其他核心通过处于低功耗状态，实现性能和功耗的平衡。英特尔的尺寸终端系统被称为“Lakefiled”，核心、zzdxx Cove；还有4个原子核： Tremont。根据公开的信息，Lakefield可以支持1、4个核心的同时工作。这与ARM的big.LITTLE不同，后者只能选择一个进行工作。这里可以看到Intel和ARM异构系统设计的区别。 ARM注重功耗的平衡，英特尔希望在高性能APP中最大限度地发挥每个核心的潜力，从而提高性能。虽然Atom是低功耗核心，但它是针对酷睿核心的，比ARM高很多。 Tremont内核的结构与ARM A77相同，可以说英特尔的单核相当于ARM的Big内核。这也是为各个领域设计的选择。 ARM的big.LITTLE是移动终端，功耗敏感，小核心无法提供太多性能输出的Intel的Lakefield是台式机和服务器端，在高负载时输出尽可能高的性能更重要，低负载更是如此。但是，由于结构不同的多处理器同时工作，对软件时间表的要求也不少，这就非常考验英特尔的软件优化实力。

基于以上分析，Tremont的设计指标很好理解。虽然是低功耗核心，但性能依然排在第一位。相对于上一代的Goldmont plus，Tremont的性能提高了30%，即使是一定的功耗，也比zzdxx Cove的能效高。在提高性能的前提下，重新设计相关结构以降低功耗和成本。

Tremont的基本流水线框图。这幅画很难解释，看起来像PCB的版面，对理解没什么帮助。可以看到Tremont的硬件配置、6解码、4分发、10执行、双负载存储。这个小核心和ARM的大核心A77一样。其中有几个值得注意的细节。首先是两个解码管道的设计。每个pipe包含三个解码器，3×2=6个解码器宽度。这个结构很奇怪，不符合常规的多位解码设计。如果没有明确指出多线程的需求，稍后将详细分析其细节。第二小的距离宽度。通常选择dispatch和解码器的宽度一致。较小的距离宽度似乎浪费了解码器的逻辑，10执行端口的需求也不合理。这里应该主要考虑了耗电量和成本的需求。第三，小核心仍然支持AVX128运算，体现了计算能力的需求。因此，低功耗是有限的。在wiki上也找到了重新绘制的Tremont结构图。请作为参考。

前段流水的设计与传统结构没有太大不同，主要的改进是面向公关

efetchers and branch predictor。Tremont使用了和CORE架构中类似的prefetch和predictor，虽然增加了面积，但可以换取更好的预取性能和分支预测准确率，这个也和其性能优先的设计思路相关。和ZEN类似，Tremont也使用了zero cycle penalty的L1 predictor（应该是BTB）。这里提到了一个新概念“out of order fetch”。通常处理器的执行在renaming之前一定都是顺序的，之后开始乱序执行，但通过ROB来管理指令的程序流顺序。从fetch就开始out-of-order似乎不科学。我认为这里的out-of-order并不是通常意义上的乱序执行，而是支持了更深的instruction prefetch。通过在更长的prefetch序列上做预测，直接获取预测后的指令序列，这样体现出一定程度的乱序，但是并没有打乱程序流的顺序。可以看到Tremont可以支持8条cachelilne miss的pre-fetch操作，和上述分析是匹配的。

Tremont采用了一个比较奇怪的decode流水设计。从FETCH之后，流水线被分成对称的2条，每条包括3个decoder和独立的inst Queue，然后在RENAME级重新合并。这个设计是很少见的。分离的decode虽然可以提供6宽度的译码，不过如果其硬件完全独立的话，并不能很好的处理两者之间的依赖关系，微指令的处理也会受影响。由于没有更多的细节，这里只能猜测其设计的初衷。一个可能的原因是功耗，通过关闭其中一条decoder，可以在小核心内实现一个更小的运行核心，不过这就需要单独的clock/power domain，也需要其他模块的可配置支持。其次是多线程，虽然Tremont结构没有提到multi-threading的设计，但2条分离的pipeline在微架构上是可以提供一个简单的双线程设计的。不过考虑到之前atom也能支持多线程，再设计一个特殊的多线程结构的理由并不是很能站住脚。第三就是简化设计，提高频率。通过牺牲6 decoder的译码性能来简化多位宽译码逻辑。虽然有上述分析，不过这些并不是特别有说服力的理由。希望之后能从Intel得到更多的信息。

另一个特殊的设计是6 decode，4 dispatch，10 exec的配置组合。中间的dispatch宽度似乎有点小。同时Tremont结构为了减少面积还省掉了mop cache。这个数字的比例感觉上不是特别的合理。相信Intel在选取配置的时候肯定是做过性能评估的，认为这样的组合在有限的面积上可以获得令人满意的性能。因此可能的理由应该是为了面积和功耗。由于缺少了mop cache，dispatch需要直接从decoder获取最多6条指令。而通常由于执行单元的限制，可能并不能一次将所有的指令发射下去，在这种情况下，减少dispatch端口数目可以降低硬件复杂度和时序的影响。虽然有这些可能的理由，最终的决定还是多依赖于性能评估的结果。

cache结构上，Tremont还是很大方的，32KB的L1,1.5~4.5MB的L2，和主流的高端移动处理器持平。在memory hierarchy上，L2处于一个cluster内，可以被1~4个核心共享。相比上代，Tremont还支持了L3 cache，可以cross cluster访问。这基本上是主流处理器内存系统的设计。可以看到ATOM系列的L2 latency较 zzdxx Cove高不少，其中应该是将某些并行访问改为了串行访问以减少存储操作的功耗。

后端流水线的主要提升是直接把ROB的数目从95增加到了208。这样大大增加了处理器并行执行的指令数目和动态调度能力，和其10个exec pipe的能力相匹配。执行上Tremont是标准的renaming physical resigster结构。这里的RS就是我们通常所说的issue Queue。这里Tremont采用了分离式的Issue Queue，这个跟ZEN是类似的。看来现在的主流设计更注重频率和ALU的性能，从而部分牺牲了在schedule上的效率。整数执行上3个ALU，1 branch，2条LS addr流水线和1条store data流水线，和A77基本上持平。这一部分大家的思路都差不多。

AVX流水线上也是中规中矩。Tremont支持128bits运算宽度，包含2条ALU和一条store data pipeline。执行上两个ALU并不对等，一个支持 fused additions (FADD)，另一个支持fused multiplication and division (FMUL)。

总结一下，Tremont的设计主要体现了Intel在异构多核上的思路，即以高性能桌面和服务器为目标，在能耗允许的前提下，尽可能挖掘小核心的运算能力，从而和大核心一起提供更强劲的性能。这个和ARM在big.LITTLE结构上的思路是有所不同的。尽管有一些类似乱序fetch，dual pipe decoder的设计，从大的结构上，Tremont并没有跟传统处理器有什么明显区别。可以说现代处理器的设计已经进入了细节为王的时代，比拼的是每个小模块的设计和技巧，通过一点点的改进，聚沙成塔，最后在整体上体现出较大的优势。Intel有上千人的设计团队，可以在算法探索，微架构设计，物理实现上做的更深入更细致，最终累积出巨大的优势。这也是目前国内设计公司比较欠缺的地方。随着更多的人参与到集成电路的事业中，并能够沉下心做设计，不断积累经验，我们就能够慢慢的缩小和这些巨头的差距，直到有能力挑战。

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