全面解析AMD Bulldozer集群多线程架构

● 介于双核和Hyper-ThreadingHyper-Threading中间的Bulldozer

AMD公司近日在2009年财务分析师大会(2009 Financial Analyst Day)上公布了下一代CPU架构“Bulldozer”的最新详情。对AMD来说，这是自K7以来AMD CPU架构的一次根本性变革（作为内核架构来说，K8是K7的升级版本）。

更重要的是，Bulldozer采用了基于集群的多线程技术。AMD通过在处理器模块中紧密结合2个CPU内核来视线多线程。AMD公司技术群组总经理Chekib Akrout作了如下说明。

AMD CPU架构的推移（点击放大）

“尽管它被称为Bulldozer内核，但实际上它是一个模块。两个内核被紧密地集成到一个模块中，来实现最高密度。”

Bulldozer“模块”是一个可以并行运行连个线程的处理组件，是Intel双核处理器的Hyper-Threading（Hyper-Threading）的一个体现。尽管双核、Hyper-Threading和Bulldozer在线程并行执行方面是相同的，但是内核的分区却截然不同。

下面是与用于PC的CPU多线程架构对比。第一个是普通的多核架构，AMD通常称之为CMP（Chip Multi-Processor）。中间的是Bulldozer架构，AMD称之为基于集群的多线程，或者集群化架构。最下面的是SMT（Simultaneous Multithreading）架构，典型代表是Intel的Hyper-Threading。

这三种方法都是并列地执行两个线程。然而，这种情况下内核共享了两个线程的多少资源，各线程所占哪个分区都是有很大不同的。

多线程架构的比较（点击放大），对于多线程的执行效率，物理双核心，在成本提升一倍的情况下性能也提高一倍，而Bulldozer架构则让双核成本增加75%，但双核的性能提高90%，相比这下英特尔的超线和技术，所需的额外成本最低，但所获得的性能提升也最小

● 资源分区的不同

第一个CMP类型的双核是最简单的。两个内核只执行一个线程。在这种情况下是没有资源共享的，缓存等也被限制在一定范围内。因此，各个CPU内核之前完全不会相互干扰，各自跑各自的线程。

尽管CMP的性能较高，但是由于2个CPU内核是作为一个整体资源的，所以成本很高。理论上讲，性能提高100%的话，CPU内核的成本也提高100%。如果翻倍的话，双核变四核，所需资源是原来的4倍。

最下面的SMT让1个CPU内核跑两个线程，除了运算资源之外，两个线程共享例如缓存、调度机制、指令的获取和解析等大部分资源。Intel方面称，每个线程只共享寄存器和缓冲等资源。SMT的优点在于加载成本较低。Intel解释说，SMT本身加载的资源所占比例很小。然而，性能上的提升也是有限的，这是因为线程之间会不可避免地发生冲突。AMD认为，IntelHyper-Threading技术提高系统性能大约在25%。

因此可以说，SMT是一项太过耗费CPU资源、不追求双线程性能的技术理念。尽管Intel称加载成本大约占到几个百分点，不过实际中可能更多。

如果SMT要提高性能花，CPU内核就需要更多运算资源和更广泛的指令调度。AMD曾经指出，CPU内核提高性能的确是一个难题（然而，Intel的Nehalem架构体现了加强的指令调度与Hyper-Threading是无关的）。

不管怎样，AMD预计部署SMT的成本要比Intel所说的多，因此，似乎可以看出，SMT并不是一项高效的技术。

● 针对高吞吐量的集群多线程

因此，AMD提出了自己的多线程技术——基于集群的多线程。集群化架构的理念是让双核模块更高效。也就是融合了两个CPU内核，两个内核共享浮点运算单元和命令解码器等资源。因此实现了高效率的双核。

因为线程要竞争共同资源，所以基于集群的架构无法像CMP的双核那样完全发挥性能。不过据称，因为大多数情况下每个线程占用资源（整数运算单元和整数调度等）都被使用了，所以可以大幅度提升性能。

这并不是AMD独有的技术，而且到目前为止有很多个相似的例子。例如，Sun和Oracle开发的Niagara/Niagara2（UltraSPARC T1/UltraSPARC T2）。尤其是，Niagara2更接近于Bulldozer，它的每个内核有2个整数运算通道和1个浮点运算通道。

Sun的SPARC架构（点击放大）

基于集群的多线程共享的资源要远远少于CMP双核。AMD解释说，资源增加50%，单个内核的吞吐量提高80%。这样计算的话，双核资源增加75%，双核的性能提高90%。

因为吞吐量提高了，每个印模的密度也随之增加，从而导致成本增加。而且，资源竞争中每个线程的执行性能降低，这是一个优点。反而SMT每个线程的性能有降低的可能，基于集群的性能也有可能降低。

Bulldozer架构（点击放大）

● Bulldozer并不是Hyper-Threading追随者

Bulldozer开发负责人、AMD资深工程师Chuck Moore自2004年加入AMD以后就开发着手集群化架构的开发，并且AMD从2005年就曾提到过类似的技术。有人得出结论说，这是AMD追赶Intel多线程技术的最好方法。

AMD副总裁兼服务器业务总经理Patrick Patla在分析师日上这样表示：“有些人问我‘这是不是AMD对Hyper-Threading的回应？’。这可以说是对我们的不尊重。原因是，这是我们一直期盼的结果，现在实现了，绝对不是说为了追赶谁而实现的。（Bulldozer架构）是一种多线程、多任务和多核。这是我们通过Bulldozer模块提升性能的最好途径。”

实际上，Bulldozer模块这种基于集群的多线程在分区比率方面接近SMT双核。与CMP双核比较，Bulldozer在提高效率的同时没有降低性能。因此，Bulldozer与Hyper-Threading有着很大的区别吧。