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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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「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?