新丁报到(4)：Intel Prescott处理器——是惊喜，还是失望
硬件周刊
当我们还在盼望Socket 478 接口的Prescott(Tejas) Pentium 4处理器会给我们带来多少惊喜的时候，Intel就已经在准备LGA 775接口的Prescott Pentium 4发布工作了。近日国外一些IT硬件网站公布了LGA 775接口的Prescott 2.8GHz神秘处理器实物图，并且也进行了工程样品的测试，但从一些实际的报道来看，Intel LGA 775处理器并没有我们期待的那样好。所以，今天我们有必要来说说LGA 775处理器。
Prescott当Tejas
先前Intel公布的Prescott Tejas处理器，我们对它的了解也是很肤浅的，甚至对它的理解也是不正确的。比如传言说它内建双核心，导致其功耗可能达到150W等，不过国外某媒体在测试时关闭HT后，在Windows下只能识别出一个核心，并且官方也透露其功耗并没有超过100W(实际数据官方并未透露，值得怀疑)。其实Tejas 2.8GHz只是一个采用了0.09微米工艺、200MHz外频、主频2.8GHz的Prescott罢了。事实上Intel也曾透露Tejas最终会采用0.065微米工艺开始起步。近日，Intel公开亮相的Prescott LGA 775(图1)更让世人觉得它简直是Tejas的变身版本，但从规格来看，LGA 775 Prescott 2.8GHz依然只采用0.09微米制程而非0.065微米，前端总线和Northwood核心的P4C一样为800MHz，电压为1.35V，并拥有1MB L2 Cache，基本规格和以前Socket 478版本的Pentium 4大致相同，只是把封装由Socket 478的mPGA改为Socket T的LGA罢了。
LGA可助Prescott提升主频
在LGA封装下的CPU，其特点是没有了以往的针脚，只有一个个整齐排列的金属圆点(图2)，因此CPU并不用利用针脚来接触CPU插槽，而是需要一个安装扣架固定，让CPU可以准确压在Socket卡槽的具有弹性的触点上。其原理就像BGA一样，只不过BGA是用焊锡焊接固定了，而LGA则是可以随意自由取下扣架而更换芯片(图3)。目前mPGA技术已经几乎发展到了物理极限，由于CPU针脚形式容易受到外界干扰，就如收音机的天线一样，而且针脚越长，其噪音也就越大。虽然可以尽量缩短长度来降低噪音，可是CPU的针脚太短的话，可能会出现CPU接触不良，即便可以解决接触问题，减少CPU针脚的长度也需要在Socket的制作上增加更多的成本。这种情况下只有LGA无针脚技术才是一劳永逸的最佳办法，即使是成本增加了，但却能完全解决干扰带来的噪音问题，消除了日后Intel在频率提升与改进上的一个最头痛的问题。
L1与L2 Cache的改进
其实Prescott在内核的Cache设计有一定的改进，L1 Date Cache数目由Northwood的8KB增至16KB，这样可以让L1 Cache的工作效率得以提升，而L1 Trace Cache则维持不变。由于目前的新版CPU-Z 1.20a测试软件并未能完全对Prescott进行有效识别，因此并不能测试出其管道数目是否有所增加？而L2 Cache方面，Prescott跟Northwood在设计上基本保持一致，只是Prescott把L2 Cache的大小由512KB提升至1MB罢了，当然还提供了高级能源管理，同时加入了13条新指令(图4)。
14×倍频被锁定了
在2004年2月中旬，Intel将会推出Pentium 4 3.4C GHz及Pentium 4 XE 3.4GHz，并且据外国某媒体测试发现，Prescott并不可以调节倍频，最大倍频只能是14×。在主板BIOS的CPU倍频设置中，其中Max与Min的数值显示为14灰色无法进行自定义调节(图5)，在14×下就锁定了倍频实在让我们感到遗憾。另外，在实际测试工程样品时，还发现BIOS默认显示Prescott的电压为1.33V，和官方公布的标准有0.02V的偏差，但这不影响它正常工作，而且功耗的减小会降低一点点温度。而且，目前的BIOS版本还无法正常识别Prescott(图6)。此外，据业内人士了解，Intel可能不会推出2.8GHz等低速的LGA775版本Socket T处理器，因为它与目前的Northwood核心的Pentium 4的性能相比差别并不是太大，但成本却略有增加，因此LGA775推出时极有可能会由3.6GHz或3.8GHz起跳。
Prescott不及Northwood
如果要区分Prescott与Northwood之间的技术标准，可以说L1和L2 Cache的大小、SSE3的支持情况、Hyper-Threading技术的改进是最明显之处。最令人争议的是Prescott由以往的20层增至目前的32层Pipeline(流水线)，Intel曾经说过Prescott处理器并非是一款具有革命性革新的产品，而只是现有产品的进一步演化，只能够算是一款后续型产品。Northwood核心的Pentium4处理器拥有20级流水线设计。为了保证处理器的执行效能，Intel增加了许多其他机制以减少因为流水线的增加而带来的效能损失，但Pentium4的平均执行效率仍然要低于只有10级流水线设计的Pentium3处理器。虽然先前曾经有相关报导指出Prescott有可能增加对64位指令的支持，不过我们目前至少可以确认在2月份所推出的Prescott处理器里面绝对是没有整合64位指令集的，因此对增加了12级流水线的Presscott处理来说，Intel就必须增加更多的机制来保证一定的执行效率，比如说增加寄存器，提高L1 Cache的搜索效率，增加分支预测的准确度等。但从Pentium4的经验来看，Prescott想要保证拥有和原有的Pentium4一样的执行效率恐怕还是十分困难的。
依然是发热量问题
我们知道，要提高处理器的频率，首先需要从两个方面入手：第一是制程上的改进；第二是技术上的改良。可目前在制程上可以改进的空间已经不大，就算要进一步改进制程，要面对的技术问题也很多，比如要解决处理器的巨大发热量的问题，执行效率的问题等。而Intel为了继续采用一贯的高频率方案来占领市场，这是不很明智的做法，为此Intel则考虑加大CPU的Pipeline Stage来达到提升频率的目的。因此，很多人认为在相同的频率下，由于Prescott的发热量大，会比Northwood的性能低。但是事实上却并非如此，因为据相关媒体在测试时发现，在正常工作状态下把CPU的散热风扇拿走，运行15分钟3Dmark后也没有出现CPU被烧毁，而且立刻重启电脑后在BIOS里发现CPU的温度也只有64℃(图7)。看来Prescott并没有传闻中所说那么高的发热量。由此看来，Prescott作为Northwood的下一代产物，技术问题解决后一定会比Northwood的性能要高。当然这里起决定性作用的应该是流水线增加。
增加Pipeline Stage并非最佳方法
从Intel增加CPU的Pipeline Stage的方法来达到提升频率的解决方案中，我们也许产生了质疑，为什么增加Pipeline Stage可以获得更高的频率呢？首先我们来看看Pipeline原理，Prescott有32Stage的Pipeline，则代表CPU可以把一个指令分成32份进行，而每一MHz可以运行两个Stage，因此32Stage就大概需要约16MHz，而CPU可以在同一时间处理十几个指令，但新的指令需要等待上一个指令的Stage完成后才能开始。所以，如果把Stage分得更细一点的话，即每个频率所承受的负担也就会减少，而能尽快完成某个指令继续开始下一个指令，这样就能轻易提升处理器的频率了。话虽如此，但这个理论是假设CPU的工作在永远不出错的情况才成成立，由于目前的CPU都是利用Branch Prediction(预支结果)来增加效率，但Branch Prediction是不可能保证100%不出错的。如果当32 Stage中有其中一个Stage出错的话，工作就需要重新进行，而其他需要得到这个工作结果的相关指令也可能需要重新进行(因为流水线的各个级是相互关联的)，这样Stage的Branch Prediction出错数量越多所导致的延误就越大，最后使处理器的性能反而降低。
因此，如果想通过增加Stage让频率和性能得以提升，关键在于Branch Prediction的准确度，就连CPU开发工程师都无法保证让Branch Prediction做到这一点，32条Pipeline能否增加性能就很难说了。能否排除因Branch Prediction错误延迟而带来的后果也是无法保证的。无论如何，可以肯定的是，据某业内人士从Intel的某个发布会中得到一个答案，在同一个频率下，某些程序在Northwood上运行会比Prescott更快，看来就是由于Pipeline数量设计不同而致。所以，我们更加肯定在同一频率下，起码目前1MB L2 Cache的Prescott在某些程序运行下的性能要比Northwood低，看来增加Pipeline数量并非最佳办法。
CPU针脚从此不再断针
在此之前，笔者从使用电脑至今，也有过很多次由于某些原因让CPU的罢工，也许你在猜测种种原因导致，超频超死了？不是；散热不良烧了？也不是。其实笔者非常喜欢玩CPU，经常把CPU拿下来在不同的主板上插来插去(特别是评测的测试品)，这样导致了CPU的某个针脚因承受不了压力而断了。假如CPU没有针脚呢？是不是给我们带来了惊喜？Prescott这样的设计能否让未来不发生断针的事故？大家也不要高兴得过早，因为多了在Socket上的触点，这些触点柔软而富有弹性，也是很容易断的(如图8的就已经被弄断了)，因此用户尽量不要用手去接触这些触点，否则就算不断也可能会造成短路或接触不良等故障，所以没有了针脚的Prescott也不能保证万无一失。
后 记
以上我们了解到了Intel下一代Socket架构CPU的大概特点，但从所说的来看，我们感到有点失望，笔者认为此次Intel的设计太过于保守，在架构上Prescott与Northwood相差不大，改进的地方并没有多少突出的特点，相对于K8与K7的64位突破、内置内存控制器及HyperTransport技术等，还显得有点粗糙。所以，Intel这样的做法，并不是完整意义上的新东西出炉。看了以上的陈述，你是惊喜还是失望？