AMD推土機架構(gòu)回顧：雖隕落卻是Zen成功的墊腳石

就在昨天AMD第二代線程撕裂者旗艦Threadripper 2990WX外觀正式解禁，AMD官網(wǎng)也揭露了其部分性能，得益于其擁有高達32個核心64個線程，Threadripper 2990WX輕松拿下了消費級市場CPU之王的頭銜，此前坐在王座上的i9-7980XE被輕松秒殺，可謂一時之間風光無限。

但俗話說的好，現(xiàn)在有多風光，以前就有多折墮（落魄的意思），AMD也不例外。就在2年以前，AMD還是一個被Intel無視的對手，產(chǎn)品性能與Intel有巨大的鴻溝，股價最低時僅為2美元出頭，瀕臨破產(chǎn)。AMD會這么落魄，其中一個很主要的原因是因為當年推出的Bulldozer，推土機處理器微架構(gòu)。

就在前兩天，國外媒體ExtremeTech就總結(jié)了至今為止最糟糕的10款CPU，其中推土機（Bulldozer）進入了前三甲的位置，由此可見推土機的失敗，是一個比較公認的事實。

今天，在Threadripper 2990WX意氣風發(fā)的日子，PConline曉邊就帶領(lǐng)大家回顧一下當初AMD這個失敗的架構(gòu)，看看它從誕生到落幕，作為一個失敗者的故事。

推土機的誕生：背負復(fù)仇的使命

AMD是一家富有冒險精神的公司，雖然他的營收規(guī)模僅為Intel的1/10,但其敢于在在HT總線、DDR內(nèi)存、多核處理器等技術(shù)做創(chuàng)新，本世紀初憑借K8架構(gòu)，其處理器在ipc和效能上大幅領(lǐng)先奔騰4，在這段時間里Intel被AMD“教做人”。但Intel畢竟還是CPU界的大哥，豐厚的財力規(guī)模、海量的人才儲備、巨大的業(yè)界影響力和與OEM核心伙伴堅固的關(guān)系都成為Intel翻盤的資本。

終于，在2006年，Core系列處理器一鳴驚人，首批推出的Core 2 Extreme 6800和Core 2 Duo E6300都顯示出了無與倫比的效能。不僅超越上代產(chǎn)品40%之多，在功耗發(fā)熱上的表現(xiàn)也讓人瞠目結(jié)舌，Intel的產(chǎn)品完成看一次華麗的逆襲。如果說Core首批推出的處理器型號是為Intel吹響了反擊的號角，那么以Nehalem為架構(gòu)的Core i系列處理器，則徹底奠定的Intel后來13年稱霸CPU市場的基礎(chǔ)。

2008年11月，Intel發(fā)布了Core i7 965E/920處理器，原生四核心，內(nèi)部整合內(nèi)存控制器、使用了打破內(nèi)存帶寬傳輸瓶頸的QPI總線架構(gòu)和HT超線程技術(shù)，憑借異想天開的Turbo睿頻加速技術(shù)將處理器的能耗比提高到了極致，酷睿處理器的發(fā)布是一個劃時代的改變，它令人信服的KO了AMD當時的K10架構(gòu)處理器，逼迫對方只能依靠性價比或者“開核”等騷操作才能在市場占據(jù)為數(shù)不多的份額。

嘗到成功的甜頭，AMD自然不會這么輕易接受失敗，為了改變市場局面，AMD傾盡全力的投入到下一代革命性架構(gòu)的研發(fā)當中，并在2011年推出了第一代推土機處理器，但當時誰也沒料到，推土機架構(gòu)處理器的推出，是AMD在CPU市場徹底潰敗的開始。

2推土機的架構(gòu)：模塊化推土機架構(gòu)：尷尬的“革新者“CPU的微架構(gòu)與制作工藝直接決定了CPU的效能，優(yōu)化微架構(gòu)與更新制作工藝成為CPU廠商提升CPU效能的最重要途徑，推土機架構(gòu)便是當年AMD嘔心瀝血做出的CPU微架構(gòu)。

早期AMD在宣傳推土機架構(gòu)時提出了不少的創(chuàng)新點，概括起來有1、全新模塊化設(shè)計，更高效、核心擴展更容易。2、32nm SOI制作工藝，功耗控制更為出色。3、全新多線程架構(gòu)，多線程運算性能更強。4、指令4發(fā)射（K10只有3發(fā)射）與AVX指令，整數(shù)/浮點運算更強，單核心性能提升。5、第二代Turbo Core技術(shù)，更好適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境。

其中推土機架構(gòu)的核心基礎(chǔ)和靈魂，就是模塊化設(shè)計。大家都知道傳統(tǒng)意義下CPU擁有更多的物理核心，性能會更強，但是成本也會更高，也因此Intel在酷睿處理器上應(yīng)用了SMT技術(shù)，也就是超線程。SMT可以讓一個CPU核心的多個線程共享資源并同步執(zhí)行，硬件上幾乎不需要增加成本，不過效能肯定沒有更多的物理核心來的強。

AMD“推土機”微架構(gòu)

AMD為了平衡成本和多線程效能的問題，獨特的推出CMT技術(shù)。AMD在“推土機”上把兩個核心及相關(guān)單元封裝成一個模塊，兩個核心共用一個浮點運算單元，但每一個核心都有完整的整數(shù)運算單元，F(xiàn)X-8150由四模塊組成八核心，浮點單元實際上只有四個，以往CPU是每個核心一個浮點單元的。這樣四核心由雙模塊組成，六核心由三模塊組成，如此類推。采用模塊化設(shè)計的好處是可以減少冗余電路，堆砌CPU核心更容易，這在當時真的是一個天馬行空的創(chuàng)意。

AMD把這個稱為CMT物理多核，也因此，與其說推土機的8核CPU叫8核處理器，筆者曉邊更愿意稱它做4模塊8線程處理器，因為它每一個”核心“其實都是不完整的殘疾核心，并沒有單獨的浮點運算模塊，但這樣做的好處就是，CPU以相對較小的成本，獲得了8個完整的整數(shù)運算單元，高端處理器才擁有的8個線程。

AMD在推土機這樣設(shè)計，其實原因有三個：其一是是他認為目前CPU中超過80%的運算都是整數(shù)運算，增加一個整數(shù)單元的好處是顯而易見的，用增加5%的核心面積的微小代價即可換來80%的整數(shù)性能提升，而浮點運算在未來則可以交給GPU負責，這樣更加高效。其二是在未來，通用運算會持續(xù)向多線程發(fā)展，對線程的要求是無限的。其三是未來大幅提升CPU頻率是可以實現(xiàn)的，這可以彌補處理器單線程羸弱的問題。

AMD的賭徒企業(yè)風格在推土機的研發(fā)設(shè)計中體現(xiàn)的淋漓盡致，他在未來處理器發(fā)展方向上打了三個賭，可惜的是在當時沒有一個賭對了。

8核推土機架構(gòu)

搭載四個模塊八個線程的高級桌面處理器有大量的整數(shù)線程富余，但大多數(shù)用戶的工作量仍然沒法被平均分配到八個線程上去（簡單的說就是大多數(shù)程序多線程優(yōu)化不好）。單線程的運行依舊占據(jù)了用戶絕大多數(shù)使用的使用場景。

另一方面，浮點單元的共享意味著充滿浮點算術(shù)的應(yīng)用程序就沒有足夠的運行資源。雖然基于GPU的計算在一些特定工作中非常重要——比如科學(xué)超級計算——但主流應(yīng)用程序還是更依賴CPU來做浮點運算。

推土機的架構(gòu)帶來了處理器單核性能的倒退，甚至比不上自家上代六核旗艦Phenom II X6 1090T，更不要說去和Intel當時的SNB處理器比劃了。而在AMD的設(shè)想中單核性能的倒退能通過大幅提升處理器頻率改善，但是使用更落后的32nm制程的推土機處理器一味提升頻率，結(jié)果就是在功耗發(fā)熱方面成為大火爐（這種情況在打樁機時顯現(xiàn)的極致）。

這樣的設(shè)計造成的另一個結(jié)果就是，最吃浮點運算性能和單核性能的大多數(shù)游戲表現(xiàn)中，推土機甚至不如”肥龍2“，只能在SNB處理器后面吃塵，這在DIY市場是致命的，畢竟大多數(shù)DIY玩家都是為了游戲才去玩DIY硬件。消費市場不買賬，口碑逐漸崩壞，推土機架構(gòu)的結(jié)局似乎已經(jīng)可以預(yù)見。

3推土機的發(fā)展：農(nóng)用機器系列處理器打樁機：不屈的挑戰(zhàn)者但終成笑柄

AMD當時CPU的發(fā)展 路線圖

AMD在推出推土機架構(gòu)處理器后，市場反饋并不太好，但這畢竟只是第一代，也可能是市場和軟件環(huán)境還沒適應(yīng)這個處理器中的新物種。于是AMD在第二年便推出推土機小修小改的版本，Piledriver打樁機架構(gòu)處理器。與推土機相比，同為是模塊化設(shè)計的“打樁機”核心改動主要體現(xiàn)在：1、新增FMA3、AVX1.1和F16C等新指令集；2、強化電源管理，降低產(chǎn)品功耗；3、一級、二級緩存優(yōu)化；4、核心頻率提高，TDP保持不變。

其中最主要便是這功耗的優(yōu)化，這讓處理器在相同電壓下對比上一代有了10%左右的超頻空間。雖然當時以FX8350為代表的打樁機處理器使用的僅是格羅方德落后的32nm工藝打造，但得益于其設(shè)計較長的流水線，打樁機可以輕松超頻到4.5GHz以上，以至于當時坊間的A飯都戲謔的稱”性能不夠，超頻來湊“，”超一下，又不是不能用“。

為了把打樁機的性能發(fā)揮到極致，AMD當時甚至還推出了TDP高達220W，動態(tài)頻率可達5.0GHz的核彈FX9590，但其可怕的功耗和散熱供電要求，以及5.0GHz的單核性能僅相當于3.8GHz左右時的i7-4770K單核性能，都成為這款處理器走向主流市場，和讓消費者選擇它的掣肘。

FX9590僅僅是AMD發(fā)出不屈的怒吼，高頻的打樁機只能給AMD帶來大火爐的稱號，但仍然改變不了推土機家族失敗的命運，最后落得個”i3默秒全“的恥辱性頭銜。

打樁機的失敗讓AMD清醒的認識了自己，至此AMD放棄了CPU高端市場，轉(zhuǎn)而投身到另一個大坑異構(gòu)運算的研發(fā)中（詳情可以點擊這里跳轉(zhuǎn)相關(guān)文章）。此后AMD推出的Steamroller壓路機、Excavator挖掘機都僅應(yīng)用在APU和低端處理器型號身上，重點都是降低CPU的功耗，提高處理器的能耗比。雖然這些低端APU產(chǎn)品在市場獲得不少消費者青睞，但消費者選擇它的原因大都是因為其高性能的核顯，甚至民間不少網(wǎng)友笑稱買APU是買GPU送CPU，買Intel的CPU則是買CPU送GPU。

AMD的CPU也在市場徹底失去了口碑，不管從市場還是性能表現(xiàn)等各個角度來講，推土機架構(gòu)都是十分失敗的，甚至可以說被釘在了CPU歷史的恥辱柱上，以至于直到今天AMD也不敢啟用曾經(jīng)象征AMD最高性能處理器的FX后綴，畢竟FX很容易讓人聯(lián)想到推土機系列處理器。

4推土機的影響：失敗是成功之母模塊化設(shè)計：前人栽樹后人乘涼流傳比較廣的話語總是比較有道理，比如說失敗乃是成功之母，又比如說看數(shù)碼硬件資訊就來PConline。自推土機失敗以來AMD臥薪嘗膽，終于在2017年迸發(fā)出了令人驚訝的力量，在所有人事先不看好的情況下實現(xiàn)了逆襲，發(fā)布了媲美酷睿i系列處理器的銳龍系列處理器，彼時，AMD自上一個巔峰已經(jīng)過去了13年之久。

銳龍系列處理器，能一鳴驚人的原因，很大部分得益于的架構(gòu)設(shè)計上還巧妙地采用了名為CCX（CPU Complex）的模塊化設(shè)計方案。模塊化這個字眼是不是很熟悉？你沒有看錯，模塊化的設(shè)計理念雖然是推土機失敗的根本原因，但模塊化這個詞并不是洪水猛獸，ZEN架構(gòu)則是模塊化設(shè)計理念下更成熟的產(chǎn)物。

雖然同樣采用模塊化的設(shè)計理念，但是ZEN架構(gòu)吸取了推土機的教訓(xùn)，每一個核心都是完整的核心，并且大幅加強了浮點運算性能，在整數(shù)管線上，Zen有4個算術(shù)邏輯單元（ALU）和兩個地址產(chǎn)生單元（AGU）。浮點管線上，共享浮點單元的概念被廢棄了：現(xiàn)在每個核都有一對獨立的128位乘法疊加運算單元（FMA）。

浮點單元內(nèi)有分開的加法和乘法管線，用于在不進行乘法累積運算時應(yīng)對更多樣的混合指令。但256位AVX指令集還是得分開在兩個FMA單元上執(zhí)行，并動用所有的浮點單元。最終結(jié)果就是Ryzen系列處理器對比推土機系列處理器在ipc方面有著超過40%的巨幅提升。

ZEN架構(gòu)中一個CCX模塊中有4個核心，每個核心擁有自己獨立的L1和L2緩存，一個CCX模塊共享8MB L3緩存。每個核心都可以選擇性地開啟或者關(guān)閉SMT功能，也可以選擇性地關(guān)閉部分核心。相比于Intel的環(huán)形布線，ZEN架構(gòu)的帶來的好處是顯而易見的。在AMD最新的處理器布局上，每一代從最高的服務(wù)器EPYC到最低端的入門級Ryzen 3系列處理器，他們都只需要設(shè)計一個Die（內(nèi)核），然后不斷堆棧即可，這對比Intel方面會省下不少的設(shè)計和流片成本，所以我們也能看到市場上同核心的Ryzen處理器售價會相比酷睿要低不少。除此以外，模塊化的設(shè)計也讓CPU核心的增加像堆棧積木那么簡單，線程撕裂者Threadripper 2990WX的誕生也是水到渠成的事情。

改善了推土機單線程羸弱，依賴高頻的缺點，并秉承著模塊化的設(shè)計理念，相信未來通用運算依然對多線程的有著極大的需求，時隔6年后，AMD再一次依靠ZEN架構(gòu)奏響進軍高端CPU市場的號角。

而在AMD依靠Threadripper 2990WX奪得消費級CPU市場王座的背后，是史上最失敗的處理器甘當墊腳石的結(jié)果。

總結(jié)

英雄總會遲暮，更何況推土機更像是一個傳統(tǒng)意義上的“狗熊”，但不管怎么說，當推土機這些老前輩看到Threadripper 2990WX如此強大時，相信也會不留遺憾的離去，消失在歷史的洪流當中。而曉邊我，也只能以此文，紀念這款被I粉嘲笑，被A飯仇恨的處理器，為大家?guī)�來它的故事�?/p>