本系列回顾： 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11

姗姗来迟

2001 年新年之际，Motorola 终于带着新工艺和新芯片展现在世人的眼前。乔布斯欣喜若狂，为此他已经苦苦等待了一年多，在苹果 2001 年第一财年报告中，其兴奋之情溢于言表。

「上个季度，我们咽下了苦药，」苹果 CEO 史蒂夫·乔布斯说道，「今年伊始，我们将一鸣惊人：1 月带来全新的 PowerBook G4；2 月迎来 733MHz Power Mac G4；3 月，Mac OS X 也将闪耀登场。」

事实也的确如他所言，随着 Motorola 180nm 新工艺的成熟，G4 也成功地迎来了一次升级：Die 面积从 83mm² 降至 52mm²，生产成本有所降低；功耗也下降 15% 到 20%，放进苹果笔记本中已不成问题。

随着新工艺下的 G4 顺利生产，全新钛合金 PowerBook G4 在乔布斯的「One more thing」光环下闪亮登场。新增的 Velocity Engine 外加其干净利落的外观，不仅符合了乔布斯的「Power + Sex」标准，也让世人为之惊叹。

对位处高端桌面市场的 PowerMac 而言，新芯片的到来可谓是久旱逢甘霖，使之重新有了向英特尔叫板的资本。而对面的英特尔，也在这一节骨眼上亮相了谣传已久的奔腾 IV。一场血战即将来临。

旧瓶装新酒

先看新 G4，其采用了与奔腾 III、奔腾 IV 同代的 180nm 工艺，也顺应时代潮流将 256KB 的 L2 缓存集成进 Die 中，并可选配 L3 缓存。晶体管数量翻了三倍多：从 1050 万提升至 3300 万。最重要的是，其终于打破了 18 个月来束缚苹果的 500MHz 桎梏：能够达到 733MHz 的频率，后续可在最高 867MHz 频率下运行。

但这并非超频版的 G4，微架构的大幅精进才是其提升频率的关键。之所以上代频率裹足不前，原因之一就在于其较短的流水线设计：G4 的整数流水线仅为 4 级，这让一个时钟周期内工作量过多，周期时间难以缩短，频率自然无法提升。

对此 Motorola 进行了深入研究，最终发现 L1 缓存访问、指令调度/发送和完成/回写这三大步骤的工作量过大，是难以缩短周期的主要因素。于是在新 G4 中，这些步骤均一分为二，整数流水线级数由 4 级加深至 7 级，外加工艺的升级，成功缓解了这一问题。

而在后端，执行单元数量也有了增长：整数单元数量从上代的两个提高到 4 个，新增了一个简单整数单元和一个复杂整数单元；Velocity Engine 各执行单元彼此更加独立。指令窗口也进一步提高，让指令能更高效的乱序执行。

不过，更宽的微架构、更高的频率也让新 G4 的功耗再度抬头：在 533MHz 基础频率运行时，其典型功耗为 11.6W，已然超过了上代的最大功耗；而在 733MHz 运行时甚至超过了 20W。「PowerPC 有较高能耗比」这一优势正在渐渐流失。

总体而言，新 G4 相比前代有了稳步提升，幅度远大于 G3 到 G4，面对英特尔的奔腾 III 也算是有了几分底气。但过早曝光使其丧失了直接得名 G5 的机会，乔布斯也只将之归为频率升级后的 G4，并未大肆吹嘘。

可 Motorola 却偏偏又在这关键时刻掉了链子：临近发布会时，最高 733MHz 的新 G4 产量严重不足，无法像乔布斯曾许诺过的那样让双处理器成为标配。于是乔布斯只好再一次食言，在台上尴尬地表示目前只能提供高频版的单芯片 PowerMac G4， 几个月后才能订购双芯片版本。

即便如此，当 The Register 等媒体问及苹果有没有考虑将 Mac 上的芯片换成英特尔时，乔布斯的回答却依旧是否定的。

面对业界传言苹果将制作 x86 版本的 Mac OS X 以吸引企业客户，乔布斯斩钉截铁地予以否认。据称，苹果甚至没有在某个遥远的实验室里温存一个 x86 版本的 Mac OS X，「这绝无可能！」他严肃地说道。

至于苹果是否太依赖 Motorola 和 IBM 这两家芯片供应商，以及他们是否有能力专注于为苹果的桌面需求进行 PowerPC 开发，乔布斯则略带不耐烦地驳斥道「你根本不知道你在说什么！」

欲速则不达

另一边，在被 AMD 捷足先登，输掉 1GHz 之战后，英特尔算是深刻意识到了「频率」二字对大众的重要性。研发新一代芯片奔腾 IV 时，在营销人员的压力下，工程师竭尽所能，应用大量前沿技术，尽最大程度提升其频率，誓要在这场速度之战中取胜。

奔腾 IV 沿用了之前的 P858 工艺制造，但在各项参数上均力压新 G4：其一共集成了 4200 万晶体管，比新 G4 还多 27%；Die 面积为 217mm²，是新 G4 的两倍多。

为了全力增加奔腾 IV 的频率以提升性能，正如新 G4 做的那样，英特尔也将流水线级数加深：从原来的 12 级一举增加到了 20 级，甚至某些级数没有功能，仅仅是在等待信号传导。这一改动让其频率能轻松突破 1GHz，首批奔腾 IV 的频率就达到了 1.5GHz，是新 G4 的两倍。

同时为了匹配这一超深的流水线，英特尔也重新设计了奔腾 IV 的乱序执行结构¹，ROB 从 40 条目增加到 126 条目，反观较浅流水线的新 G4 仅为 16 条目。

微架构的创新则更是令人惊叹：在奔腾 IV 中，L1 的指令缓存被当成了一个 µop 指令池，称为追踪缓存。奔腾 IV 先从 L2 缓存中获取 x86 指令并解码，经解码后的 µop 就存储在追踪缓存中，每当需要执行该指令时，只需将之从追踪缓存中获取即可。这一想法不可谓不前卫，类似于现今的 µop 缓存。其带来的好处显而易见：不仅能有效杜绝重复解码相同指令带来的损耗；还能在高频下保障吞吐量，稳定地为后端提供指令，防止执行单元因利用率过低而造成性能下降；甚至能避免分支预测时出现流水线空泡影响性能²。

在后端，奔腾 IV 虽然只有三个整数单元，似乎弱于新 G4 的四个，但其简单整数单元的运行速度更快：其半个周期就能执行一条指令，并不逊色于对手；而两大浮点单元也让其浮点性能强于新 G4，且增加了 SSE2 指令，终于也支持了 128bit 的矢量整数运算和双精度的矢量浮点运算，面对 Velocity Engine 也有了一战之力，在 1.5GHz 运行时峰值算力可达到 6Gflops。

但有得必有失。超长流水线带来的损耗问题远超英特尔预期。最大的创新追踪缓存，其实际效率也喜忧参半。为了保证芯片面积不至过大，英特尔不得不在其他地方进行削减：L1 数据缓存从上代的 16KB 缩水至 8KB；前端解码器也从 3 个降至 1 个；MMX 单元从 2 个减至 1 个；地址生成单元直接被砍没。这成了奔腾 IV 性能大打折扣的主要原因。

但奔腾 IV 就没那么幸运了，受制于极高的分支预测失败惩罚以及追踪缓存带来的不良反应，初代奔腾 IV 尽管频率比奔腾 III 一举提高了 50%，但性能却并没有大幅飞跃，IPC 的折损可想而知。同时高频下的功耗表现更是惨不忍睹：在 1.4GHz 运行时，初代奔腾 IV 功耗能达到 50W，而在最高 2GHz 运行时则飚升至 75.3W。面对这一大火炉，已经逐渐式微的 PowerPC 倒还显得有几分清凉。

The Megahertz Myth

尽管拥有无与伦比的频率优势，但奔腾 IV 上述的致命缺陷让拥有新 G4 的乔布斯松了口气。他在年初的 Mac world 大会上提出了「The Megahertz Myth」这一说法，试图用他的「现实扭曲力场」来消除掉大众「频率就是一切」的错误观念。

「MHz」的确是衡量性能的指标之一，但它绝不是唯一要素。影响系统整体性能的因素还有很多。单纯用「MHz」来比较的话，就好像在比较苹果和橙子。

如果我们想用「英特尔版的 MHz」来标注 G4 处理器，那么为了体现其性能提升，我们就得把它叫做「2 GHz 的 G4」，懂我意思了吧？