K7命运之轮
整机外设
AMD的新一代CPU，即Athlon 64处理器(俗称K8)的上市已经进入倒计时，与此同时，AMD的上一代处理器(K7系列)即将功成身退。在长达5年的历程中，AMD K7系列一共诞生了7种不同的核心。当中有成功的，也有失败之作，正如AMD的命运一样，经历了几次大起大落。在AMD的征途即将翻开全新一页之前，就让我们一起来回顾一下AMD K7系列的迷人风采。
1999年6月，AMD正式推出了K7系列的首款处理器Athlon
2000年6月，AMD推出了Thunderbird核心的Athlon
同月，AMD还发布了面向低端市场的Duron
2001年10月，AMD推出了采用Palomino核心的Ahtlon XP
同月，AMD还发布了采用Morgan核心的Duron
2002年6月，采用Thoroughbred核心的AMD Athlon XP推出
2003年2月，AMD推出了K7系列处理器的终结者──Barton核心的Athlon XP
绝地反击──K7 Athlon
1999年6月23日，AMD公司正式推出了具有重大战略意义的Athlon微处理器，拉开了K7系列的序幕。其核心代号为Pluto(冥王星)(图1、2)并依据制造工厂的不同诞生出两种不同规格的产品，当时都统称为K7 Athlon：一种采用0.25微米工艺制造，使用K7核心，工作电压为1.6V；另一种采用0.18微米工艺制造，使用K75核心，工作电压有1.7V和1.8V两种，相比之下后者的制造工艺要先进不少。这两种K7处理器内部都集成了2180万个晶体管，包含了128KB的L1 Cache和512KB的L2 Cache。同时，它还采用了全新的宏处理结构，拥有三个并行的x86指令译码器，可以动态推测时序，乱序执行；K7 Athlon拥有一个强劲的浮点处理单元(FPU)，在3DNow!指令的帮助下会有更进一步的3D和多媒体处理能力，这个先进的FPU理论上使K7 Athlon拥有超越其他x86微处理器2倍的性能！
另外，针对英特尔Pentium Ⅱ处理器的Slot 1架构，K7 Athlon也采用了一种全新的Slot A架构，这在当时被喻为是一个很危险的举动，因为万一得不到主板厂商，特别是芯片组厂商的支持，AMD的市场将完全丢失。为了确保万无一失，AMD当时惟有祭出自己研发的主板芯片组AMD760。事实证明AMD的努力并没有白费，凭借出众的性能，K7 Athlon在市场上最终获得了成功。不过与以往K6系列的情况不同的是，这次AMD的成功并不在于强调自己的性价比高，而是突出性能上的优势，在此之前AMD一直都是忌谈这个的。这个转变在很大程度上得益于其使用了康柏公司的Alpha系统总线协议EV6，使得前端总线(FSB)频率高达200MHz。另外Athlon还是AMD第一个具有SMP(对称多微处理器技术)的桌面CPU，即用户可以用Athlon构建双微处理器甚至4微处理器系统！在上一代CPU K6系列就已经加入的3DNow!指令，在K7 Athlon身上继续体现出强大的威力，在浮点运算上首次与英特尔Pentium Ⅱ持平，甚至在个别测试项上成绩大幅超越后者，这对于一直标榜其多媒体处理能力领先的英特尔巨人大为震惊，并从此加快了研发更强大性能的CPU的步伐，K7 Athlon的革命性意义也源于此！
针锋相对──Thunderbird
时隔一年(2000年6月)，AMD为了保持和扩大性能方面的领先优势，推出了新款的Thunderbird(雷鸟)处理器(图3)，当时英特尔突然把架构从Slot 1转向Socket 370，推出了采用Coppermine(铜矿)核心的Pentium Ⅲ处理器，想借此打压AMD。但频繁地更换架构，让众多用户无所适从，Thunderbird的出现，可谓AMD对英特尔发出的一次强有力的挑战。
Thunderbird是AMD面向高端的K7 Athlon CPU的延续产品，采用0.18微米的制造工艺，共有Slot A和Socket A两种不同的架构，其中前者只供应给OEM厂商，频率在1GHz封顶，在零售市场上几乎见不到。Thunderbird内置128KB的一级缓存和256KB的二级缓存，这次二级缓存与CPU主频速度完全同步，瓶颈得以消除；工作电压为1.70V～1.75V，相应的功耗也比老的Athlon要小；集成3700万个晶体管，核心面积达到120平方毫米。另外，Thunderbird微处理器同样支持Alpha EV6总线协议的200MHz FSB，提供了巨大的带宽，具有多重并行x86指令解码器。另一方面，支持AMD的主板芯片组也逐渐丰富起来，特别是得到威盛(VIA)这个同样是英特尔竞争对手的大力跟进，推出了像KT133/KT133A这样经典的芯片组，AMD的困境可谓得到了进一步的缓解，形势一片大好！不过Thunderbird也并非无懈可击，AMD发热量大的老毛病遗传下来，使不少用户对Thunderbird又爱又恨。
为了填补低端市场的空白，AMD在推出Thunderbird的同时也发布了Duron(毒龙)处理器(图4)，其核心代号为Spitfire(烈火)。显然，毒龙是冲着英特尔的赛扬处理器(Celeron)而来的。可那时英特尔的Celeron已经占据了低端市场的绝大部分江山，Duron凭什么竞争呢？和Thunderbird一样，Duron使用Socket A架构，0.18微米的制造工艺，同样具有128KB的L1缓存，两款产品的主要区别就在于L2缓存的大小：Thunderbird拥有256KB的L2缓存，而Duron则只有64KB的L2缓存，相当于Thunderbird CPU的四分之一大小的二级缓存。
除了在商业应用等等耗费L2缓存处理的应用中会较Thunderbird有一些性能差距外，在其他的应用上，几乎与同频的Thunderbird没有差别。AMD这一利用缩减192 KB L2缓存的做法，使得Duron拥有相对于雷鸟处理器更小的体积，发热量降低，并进一步降低生产成本，当时Duron比同频率的英特尔Celeron便宜接近一半，非常有吸引力。AMD Duron对英特尔更致命的一击是，Duron采用了高达200MHz系统总线频率，而这时英特尔为了拉大高低端CPU的性能差距，仍旧把Celeron CPU运行于过时的66MHz的外部频率之下，因此Duron几乎能在任何一项性能测试中击败同频率的Celeron，即使同Pentium Ⅲ处理器相比也不会有太大差距。Duron的出现，使得英特尔在低端处理器市场的优势不再明显，越来越多的DIYer改投AMD的怀抱，英特尔在DIY低端市场上伤亡惨重！
飞龙在天──Palomino/Thoroughbred
2001年，随着英特尔的Pentium 4处理器的发布，AMD Thunderbird处理器已经感到力不从心了，而且此时AMD处理器功耗大、发热量大、容易烧毁的缺陷随着主频的不断提高而暴露无遗，直接影响到了整个系统的安全性。因此，AMD十分迫切需要一款性能优越的处理器切入市场，在稳固市场份额的同时，尽量改进自身的缺陷，于是在此背景下，研发代号为Palomino的Athlon XP处理器破茧而出(图5)。这款新处理器的取名“AthlonXP”，并不只是跟随着微软的新操作系统Windows XP的潮流，还代表着“更高的性能(Extended Performance)”。实际上AthlonXP和先前采用Thunderbird核心的Athlon相比，的确快了3%到7%。
但Palomino核心的Athlon XP处理器的改进远不止这个，它比起Thunderbird核心的Athlon而言，虽然不是一个全新的设计，但还是有针对性地在技术上做了一定改进。
首先在封装方面，Athlon XP使用新的封装方式──OPGA(Organic Pin Grid Array，有机管脚阵列)，这种封装的基底使用的是玻璃纤维，类似于英特尔的Pentium Ⅲ，Celeron和Pentium 4处理器用的是一样的材料，这种新材料和此前Thunderbird用的陶瓷材质比起来，在延展性和导热能力上都比较好。除了上述重要的特征外，新的材质也比此前的封装材料轻且便宜。
新的封装形式大大降低了Athlon CPU的能耗和功率，Athlon XP比Thunderbird的发热量下降了20%，发热量这个一直困扰着AMD的老问题终于得到了彻底的解决，让用户惊喜；其次，针对此前雷鸟CPU在风扇停转或散热器安装不当的情况下导致的处理器烧毁，Athlon XP在处理器内增加了温度监控电路，不过要实现这一功能，需要有主板相应电路的配合；第三就是采用了52条兼容SSE的专业3DNow！指令集，AMD将此技术命名为3DNow!Professional，SSE指令集的加入，可增强AMD处理器在专门为SSE优化的应用中获得很好的性能。
此外，Athlon XP还改良了CPU的数据预读技术、有效提高TLB(转换表缓冲区)的数据命中率，服务器版本加入了SMP功能，移动版本就应用了节能效果更加明显的Power Now!。晶体管数目也从原来的3700万增加到3750万，核心面积相应地由120平方毫米增加到128平方毫米。
值得一提的是，从Athlon XP处理器起，AMD采用了全新的形式代替频率来标称CPU的型号。AMD这种“Model Number”的命名方式出来后，业界反响不一。有人认为这又回到了K5时代(当时AMD也采用了PR值标注CPU的做法)，是一种倒退，将给Athlon XP的市场前景造成负面影响。但事实并非如此，Athlon XP的大受欢迎出乎任何人的意料，甚至打破了AMD有史以来的销售纪录。
其实AMD采用PR命名法也是迫不得已，因为面对英特尔Pentium 4无止境的频率竞赛，AMD已经无力还击。Pentium 4之所以能够“疯狂”提升频率得益于其CPU内部长达20级的流水线，但是更长的流水线也就意味着更长的执行命令的时间。这好比虽然跑得比原先快了，可是要跑的路却更长了。如此的频率提高，并不能带来相应性能的大幅度提升。例如AMD Athlon XP 1800+处理器的实际工作频率仅为1.53GHz，但是在各种评测中AMD Athlon XP 1800+处理器各方面的性能却要好于P4 1.8GHz，这足以让英特尔感到尴尬。
针对英特尔的Celeron处理器，AMD在低端市场上则以采用Morgan核心的Duron(图6)予以还击。Morgan实际上和Palomino核心的规格相同，只是CPU内部二级缓存容量不同。因此我们可以把Morgan看做是对应Palomino核心的简化版本，Palomino核心的L2缓存容量为256KB，Morgan核心的L2缓存容量为64KB。另外新核心增加了18万个晶体管，由Spitfire核心的2500万个提高到2518万个，因此核心面积也从100平方毫米提高到了106平方毫米。不过与当年Spitfire大幅优于英特尔Celeron相比，Morgan核心的Duron就不及当年厉害了，因为Willamette和Northwood核心的Celeron处理器采用了400MHz的FSB，相比之下Morgan核心的Duron并没有太多的优势。
2002年6月，AMD出于对未来频率提升和散热量的要求，推出了采用更先进的0.13微米制造工艺的Thoroughbred核心Athlon处理器(图7)。虽然除了制造工艺的改进外，Thoroughbred看上去和Palomino核心的技术基本上一样，但正是这点改进，使得Thoroughbred的发热量更小，超频性能也因此而更加出色。不过Thoroughbred核心的Athlon XP又分为了Thoroughbred-A和Thoroughbred-B两种版本。
Thoroughbred-A是AMD首次使用0.13微米制造工艺的CPU内核，由于工艺转换初期遇到的技术问题，Thoroughbred-A并没有显示出0.13微米的魅力所在。随着技术和工艺的日渐成熟，AMD终于推出了改良版的Thoroughbred核心，即Thoroughbred-B(图8)。
Thoroughbred-B的核心面积比Thoroughbred-A大了4平方毫米，晶体管数量多了10万个，达到3760万个。同时为了提高处理器各部分间的传输性能，Thoroughbred-B使用了9个铜制的互连层(Palomino是7个，Thoroughbred-A是8个)，这样无形中也降低了电能和热量的耗损。因此Thoroughbred-B核心可提升的时钟频率范围非常大，因为内部所产生的热能降低了。所以市场上也涌现了很多易超频的Thoroughbred-B核心处理器，成为DIY市场的一大亮点。AMD CPU由最初被用家批评其超频性差摇身一变成为了“超频王”，Thoroughbred-B核心的Athlon XP1700+更一度成为了DIYer在市场上搜刮的目标。
最后绝唱──Barton
2003年2月，AMD推出了采用Barton 核心的Athlon XP(图9)，这是K7系列的最后一款处理器。Barton核心Athlon XP同样是采用0.13微米制作工艺，不过它拥有512KB的大容量二级缓存，所以同频率的Barton核心Athlon XP的性能要略好于Thoroughbred或Palomino核心的Athlon XP，因此Barton核心Athlon XP CPU的PR性能标称值算法也有所不同：Athon XP 3000+Barton核心(和Athlon XP 2700+Thoroughbred-B核心)的工作频率是相同的，所以实际情况下前者只能稍稍领先于后者，而Thoroughbred-B核心的Athon XP 2700+比Barton核心的Athon XP 2800+要快也就不是什么稀奇的事了。但Barton在其他方面上并没有什么变化，它们仍旧支持SSE，不支持SSE2。因此它和Thoroughbred核心的架构相比，可以说几乎没有什么差别。
最初的Barton核心的前端总线都是333MHz，共有Athlon XP 2500+/2600+/2800+/3000+等四款产品，而随着英特尔将前端总线频率提速到800MHz，2003年5月13日，AMD也不得不将400MHz总线频率的Barton核心Athlon XP处理器拿了出来。但在400MHz总线频率下的Barton核心时钟频率很难超越2.2GHz，而在333MHz总线频率下却可以达到2.25GHz，看来AMD是为了抓住市场的契机，迎合DDR400同步模式所带来的性能提升，所以舍弃了更高时钟频率的333MHz总线模式，使自己的处理器与800MHz FSB的Pentium4一样，完全匹配DDR400内存。为什么说Barton核心Athlon XP是K7架构的最后绝唱呢？因为据技术资料显示，康柏公司的Alpha EV6总线协议已经走到了生命的终点，EV6总线的使用范围在40MHz～400MHz之间，因此一款总线已经没有了升级潜力的微处理器架构被淘汰是迟早的事情。AMD通过更改架构来提升频率已是势在必行。
这一时期，在支持AMD新型CPU的主板芯片组方面，主要有VIA的KT400/KT600等。值得一提的是著名的显示芯片制造厂商NVIDIA也加入到了主板芯片组的研发阵营，推出了一系列支持AMD CPU的nForce芯片组，而针对Barton核心的Athlon XP则是nForce2芯片组(其也可支持Thoroughbred或Palomino核心的Athlon XP)。VIA和nVIDA等芯片组研发厂商的密切配合和相互竞争，使得AMD新款CPU的推出完全没有受到芯片组支持方面的制约。
结语
AMD在486年代的时候曾经占据了近30%的市场份额，只是那时候大家都没有去在意CPU的品牌，英特尔Pentium处理器的出现以及AMD错误地坚持发展Socket7的架构，使其在之后很长一段时间内都受到了英特尔的牵制，步子一直走在英特尔后面。Athlon可谓AMD扭转命运的关键，在这近五年的漫长研发之中，AMD K7系列一共诞生了7款不同核心的处理器，它们在性能、频率、超频性、发热量、安全性、价格等方面与英特尔CPU展开了全方位的角逐。毫无疑问，这场角逐还会延续下去，甚至会越演越烈！我们应当感谢AMD，它让我们知道了，这世界并非只有“Intel Inside”，从某种意义上来说，AMD的K7系列CPU开创了一种“计算机界的哲学”，它让人们能以便宜的价格买到高性能的处理器；我们应当感谢AMD，它让曾经懒洋洋的英特尔动了起来，加快了整个处理器技术的研发步伐。在AMD K8系列CPU即将来临之际，愿AMD一路走好！
