见证"芯"路 30年CPU架构发展史(二)

K7出世：AMD崭露头角

AMD不再被人称为逆向工程专家，始于K7时代。在这个时代中，AMD实现了性能上的全面超越，给竞争对手带来巨大的威胁；同时也将市场拓展到高端的双路服务器、主流台式机PC、低端的廉价PC以及笔记本电脑市场。芯片组方面，AMD也获得来自VIA、NVIDIA和ATI的支持，初步具备与英特尔全面对抗的实力。

1998年，AMD正式发布代号为K7的Athlon处理器（中文名为“速龙”），这在AMD史上称得上是一个里程碑。领导K7开发团队的就是AMD的前任CEO Dirk Meyer（德克·梅耶尔），此人曾是DEC ALPHA处理器的首席设计师，所以Athlon在很多程度上继承了ALPHA的血统，尽管它仍然是x86处理器。德克·梅耶尔1995年加入AMD，并在2008年成为AMD的CEO，但在2011年1月即引咎离职，原因在于他在任期间忽视了平板电脑、智能手机等移动市场，当然这是后话。

我们先来看看K7的体系结构：第一，它拥有3个并行的x86指令解码器，可以同时发射3条指令，这一点同Pentium Ⅲ是一致的。其次，K7拥有9个独立的超标量执行管线，分别为3个整数、3个地址和3个浮点，其中整数流水线为10级，浮点流水线为15级，较长的流水线对于提升主频相当有帮助；第三，K7的一级缓存容量多达128KB（64KB指令+64KB数据），支持512KB～8MB的二级缓存，两级缓存的数据并不重叠。第四，K7支持扩展的3DNow！指令集，主要改进在于新增了5条新的指令，用于增强其在DSP方面的性能，并且让K7系列处理器能够模拟SSE，对SSE指令集进行解码。

图4 Slot A封装的第一代Athlon处理器。

K7的前端总线设计也明显优于Pentium Ⅲ，后者采用的是GTL+系统总线协议，而K7采用了DEC公司的的Alpha系统总线协议EV6。EV6总线可支持点对点布局，有着更优秀的构造；其次，EV6总线可以工作在200MHz频率下，而Pentium Ⅲ当时的外频只有100MHz，更高的外频意味着更大的内存吞吐量，终使得K7成为第一个从DDR内存中受益的处理器。

第一代经典型Athlon处理器采用插槽式的Slot A接口，板载二级缓存，它表现出强劲的整数性能和浮点性能，第一次可以在速度上战胜对手。同时，Athlon保有良好的性价比优势，在它发布之后立刻成为市场的焦点。不过，第一代Athlon仍然不够完善，比如CPU的发热量较大，缺乏成熟的芯片组支持也是致命伤，而在这一领域，VIA给过AMD大量的支持，当然VIA自身也受益匪浅。制造工艺方面，Athlon首先采用0.25微米，包括500MHz、650MHz和700MHz三个版本，都拥有半速256KB二级缓存；等到750MHz版本之后，AMD就升级至0.18微米工艺，而由于缺乏高达350MHz～400MHz的缓存，AMD不得不降低缓存的速度。750MHz、800 MHz、850 MHz的Athlon有一个2/5的缓存分配器—必须提到的是，AMD在2000年推出850MHz的Athlon，第一次在主频方面领先对手，这对它说也是个巨大的胜利。当AMD想再一次提高Athlon的速度时，他们又遇到了同样的问题，即缓存速度太低，于是他们再次将缓存速度降低到原来的1/3——经典版Athlon 900MHz、Athlon 950MHz和1GHz用的都是1/3缓存分配器。这种折衷措施让AMD第一次赢得频率大战，Athlon也成为第一款主频突破1GHz大关的CPU，当时的Pentium 3 Coppermine 866MHz根本无法与Athlon 1GHz对抗，Athlon就成为当时市场上速度快的处理器，这是英特尔第一次遭遇败绩。

面对这种情况，英特尔感到相当的恐慌，于是它们将二级缓存加到了Pent ium Ⅲ内部电路板中以加快缓存的速度，并抛弃了Slot 1接口改为Socket 370，这也就是著名的Pentium Ⅲ Coppermine处理器。Coppermine终于在主频上赶上AMD的脚步，性能也获得微幅的领先。不过英特尔来不及松口气，因为AMD专门对付Coppermine的“Thunderbird”K7内核也接着出现了。

2000年6月，代号为“Thunderbird（雷鸟）”的新一代K7处理器发布，这是第二代Athlon。Thunderbird Athlon改用插座式的Socket A接口，CPU则是采用陶瓷封装—在接口方面，AMD还是一直追随竞争对手的脚步，直到现在依然如此。与Pentium Ⅲ Coppermine类似，Thunderbird将二级缓存直接集成于芯片上，容量仍为256KB，二级缓存得以全速运行，性能提升非常显著。同时，Thunderbird也具有Athlon家族具有的强大超频能力，这一点让它饱受发烧友追捧。同时，为了与低端的Celeron处理器对抗，AMD也推出缓存减半的Duron（毒龙）处理器，它同样在性能方面取得优势。

Thunderbird也主要依赖VIA的芯片组支持，但该平台在成熟度上不及英特尔，关键的磁盘性能一直都相对落后，并且缺乏温控功能，CPU可能出现烧毁事件。PC业界自然对这样的产品不太放心，所以Thunderbird时代的Athlon主要活跃在零售市场，规模更大的OEM领域一直为英特尔所把持。Thunderbird Athlon的主频从650MHz开始，高截至1.4GHz，随后它被新一代内核“Palomino”所取代。

图5 代号“Thunderbird”的第二代Athlon处理器

Palomino内核发布于2001年10月，它采用0.18微米制造工艺，核心电压为1.75V左右，二级缓存为256KB，封装方式采用OPGA，前端总线频率为266MHz。该内核的处理器也从“Athlon”更名为“Athlon XP”，这个模仿“Windows XP”的命名方式一向都是营销高手桑德斯的爱。Palomino核心Athlon XP的目标已经是Pentium 4处理器，它启用了PR标识，以扭转频率低在宣传上的劣势。Palomino在架构上仍然承袭Thunderbird，仅仅作了一些改良设计比如：增加温度监控电路、降低功耗和功率、支持SSE指令集、改良数据预取技术、提高缓存TLB的数据命中率等，处理器的封装也该为有机塑料的OPGA。这一代处理器的PR从1500+到2100+，之后被0.13微米的Thoroughbred所取代，后者由于使用新工艺，发热量更低，超频能力更强，但架构上没有什么革新。

图6 Barton核心的Athlon XP处理器，见证了K7时代的巅峰。

著名的“Bar ton”是后一代K7核心，它发布于2002年秋，Bar ton的改进就是将二级缓存提升到512KB，外频有166MHz和200MHz两种，PR在2500+到3200+之间。Barton Athlon XP拥有强悍的性能，超频能力也十分杰出，但遗憾的是容易烧毁和核心缺乏保护的缺点依然存在，另外它的性能已经落后于英特尔同时代的Pentium 4了—显然，AMD推出新一代架构的时间到了。值得一提的是，在Barton时代，NVIDIA的nForce2芯片组成为当红大热，加上原有的VIA芯片组，AMD已经拥有成熟的芯片组平台支持。

也是在2002年，年迈的桑德斯辞去首席执行官的职务，AMD结束了一个时代，海克特·鲁毅智接替桑德斯成为新的CEO。