sandy bridge

2009年（TICK時間），Intel處理器製程邁入32nm時代，2010年的TOCK時間，Intel推出代號為Sandy Bridge的處理器，該處理器採用32nm製程。Sandy Bridge(之前稱作Gesher)是Nehalem的繼任者，也是其工藝升級版，從45nm進化到32nm。Sandy Bridge將有八核心版本，二級快取仍為512KB，但三級快取將擴容至16MB。而Sandy Bridge最主要特點則是加入了game instrution AVX(Advanced Vectors Extensions)技術，也就是之前的VSSE。intel宣稱，使用AVX技術進行矩陣計算的時候將比SSE技術快90%。其重要性堪比1999年Pentium III引入SSE。

基本介紹

• 外文名：sandy bridge
• 公司：Intel
• 類別：處理器
• 採用：32nm製程

特性

1．更寬的矢量運算：從128-bit增至256-bit，並保持向下兼容性

2．增強的數據重排：單個操作可同時處理8個32-bit數據

3．支持三運算元和四運算元，非破壞性句法

4．支持彈性的訪存地址不對齊

5．可擴展的新操作碼(VEX)

6．更強的集成顯示核心

解析

前端

從高級層面角度看，SNB架構只是一次進化，但是如果看看Nehalem/Westmere以來電晶體變化的規模，絕對是一次革命。 Core 2引入了一種叫作循環流檢測器(LSD)的邏輯塊，檢測到CPU執行軟體循環的時候就會關閉分支預測器、預取/解碼引擎，然後通過自身快取的微指令(micro-ops)供給執行單元。這種做法通過在循環執行的時候關閉前端節省了功耗，並改進了性能。

SNB里又增加了一個微指令快取，用於在指令解碼時臨時存放。這裡沒有什麼嚴格的算法，指令只要在解碼就會放入快取。預取硬體獲得一個新指令的時候，會首先檢查它是否存在於微指令快取中，如是則由快取為其餘的管線服務，前端隨之關閉。解碼硬體是x86管線里非常複雜的部分，關閉它能夠節約大量的功耗。如果這種技術也能引入到Atom處理器架構中，無疑也能使之受益匪淺。

這個快取是直接映射的，能存儲大約1.5K微指令，相當於6KB指令快取。它位於一級指令快取內，大多數程式的命中率都能達到80%左右，而且頻寬也相比一級指令快取更高、更穩定。真正的一級指令和數據快取並沒有變，仍然都是32KB，合計64KB。

這看起來有點兒像Pentium 4的追蹤快取，但最大的不同是它並不快取追蹤，而更像是一個指令快取，存儲的是微指令，而非x86指令(macro-ops)。

與此同時，Intel還完全重新了一個分支預測單元(BPU)，精確度更高，並在三個方面進行了創新。

第一，標準的BPU都是2-bit預測器，每個分支都使用相關可信度(強/弱)進行標記。Intel發現，這種雙模預測器所預測的分支幾乎都是強可信度的，因此SNB里多個分支都使用一個可信度位，而不是每個分支對應一個可信度位，結果就是在分支歷史表中同樣的位可以對應更多分支，進而提高預測精確度。

第二，分支目標同樣做了翻新。之前的架構中分支目標的大小都是固定的，但是大多數目標都是相對近似的。SNB現在支持多個不同的分支目標大小，而不是一味擴大定址能力、保存所有分支目標，因而浪費的空間更少，CPU能夠跟蹤更多目標、加快預測速度。

第三，提高分支預測器精度的傳統方法是使用更多的歷史位，但這隻對要求長指令的特定類型分支有效，SNB於是將分支按照長短不同歷史進行劃分，從而提高預測精度。

物理暫存器檔案(PRF)和執行改進

類似於AMD的推土機、山貓，IntelSNB也使用了物理暫存器檔案。Core 2、Nehalem架構中，每個微指令需要的每個運算元都有一份拷貝，這就意味著亂序執行硬體(調度器/重排序快取/關聯佇列)必須要非常大，以便容納微指令和相關數據。Core Duo時代是80-bit，加入SSE指令集後增至128-bit，現在又有了AVX指令集，按照趨勢會翻番至256-bit。

RPF在暫存器檔案中存儲微指令運算元，而微指令在亂序執行引擎中只會攜帶指向運算元的指針，而非數據本身。這就大大降低了亂序執行硬體的功耗(轉移大量數據很費電的)，同時也減小了流水線的核心面積，數據流視窗也增大了三分之一。

核心面積的精簡正是AVX指令(SNB最主要革新之一)集得以實現並保證良好性能的關鍵所在。以最小的核心面積代價，Intel將所有SIMD單元都轉向了256-bit。

AVX支持256-bit運算元，相當消耗電晶體與核心面積，而RPF的使用加大了亂序執行緩衝，能夠很好地滿足更高吞吐量的浮點引擎。

Nehalem架構中有三個執行連線埠和三個執行單元堆疊：

SNB允許256-bit AVX指令借用128-bit的整數SIMD數據路徑，這就使用最小的核心面積實現了雙倍的浮點吞吐量，每個時鐘可以進行兩個256-bit AVX操作。另外執行硬體和路徑的上位128-bit是受電源柵極(Power Gate)控制的，標準128-bit SSE操作不會因為256-bit擴展而增加功耗。

AMD推土機架構對AVX的支持則有所不同，使用了兩個128-bit SSE路徑來合併成256-bit AVX操作，即使八核心(四模組)推土機的256-bit AVX吞吐量也要比四核心SNB少一半，不過實際影響完全取決於應用程式如何利用AVX。SNB的峰值浮點性能翻了一番，這就對載入和存儲單元提出了更高要求。Nehalem/Westmere架構中有三個載入和存儲連線埠：載入、存儲地址、存儲數據。

SNB架構中載入和存儲地址連線埠是對稱的，都可以執行載入或者存儲地址，載入頻寬因此翻倍。 SNB的整數執行也有了改進，只是比較有限。ADC指令吞吐量翻番，乘法運算可加速25%。

環形匯流排與三級快取

Nehalem/Westmere每個核心都與三級快取單獨相連，都需要大約1000條連線，而這種做法的缺點是如果頻繁訪問三級快取，效果可能不會太好。

SNB又整合了GPU圖形核心、視頻轉碼引擎，並共享三級快取。Intel並沒有沿用此前的做法，再增加2000條連線，而是像伺服器版的Nehalem-EX、Westmere-EX那樣，引入了環形匯流排(Ring Bus)，每個核心、每一塊三級快取(LLC)、集成圖形核心、媒體引擎、系統助手(System Agent)都在這條線上擁有自己的接入點，形象地說就是個“站台”。

這條環形匯流排由四條獨立的環組成，分別是數據環(DT)、請求環(QT)、回響環(RSP)、偵聽環(SNP)。每條環的每個站台在每個時鐘周期內都能接受32位元組數據，而且環的訪問總會自動選擇最短的路徑，以縮短延遲。隨著核心數量、快取容量的增多，快取頻寬也隨時同步增加，因而能夠很好地擴展到更多核心、更大伺服器集群。

這樣，SNB每個核心的三級快取頻寬都是96GB/s，堪比高端Westmere，而四核心繫統更是能達到384GB/s，因為每個核心都在環上有一個接入點。

三級快取的延遲也從大約36個周期減少到26-31個周期。此前預覽的時候我們就已經感覺到了這一點，現在終於有了確切的數字。三級快取現在被劃分成多個區塊，分別對應一個CPU核心，都在環形匯流排上有自己的接入點和完整快取管線。每個核心都可以訪問全部三級快取，只是延遲不同。此前三級快取只有一條快取管線，所有核心的請求都必須通過它，現在很大程度上分而治之了。

和以前不同的是，三級快取的頻率現在也和核心頻率同步，因而速度更快，不過缺點是三級快取也會隨著核心而降頻，所以如果CPU降頻的時候GPU又正好需要訪問三級快取，速度就慢下來了。

系統助手

經過環形匯流排、三級快取的變化，非核心(Uncore)概念還在，但是Intel改稱之為系統助手，基本就相當於曾經的北橋晶片：

PCI-E控制器，可提供16條PCI-E 2.0信道，支持單條PCI-E x16或者兩條PCI-E x8插槽

重新設計的雙通道DDR3記憶體控制器，記憶體延遲也恢復了正常水平(Westmere將記憶體控制器移出CPU、放到了GPU上)

此外還有DMI匯流排接口、顯示引擎、電源控制單元(PCU)。

系統助手的頻率要低於其他部分，有自己獨立的電源層。

整合圖形核心

SNB將CPU、GPU封裝在同一核心中，全部採用32nm工藝，特別是顯著提高了IPC(指令/時鐘)。

SNB GPU有自己的電源島和時鐘域，也支持Turbo Boost技術，可以獨立加速或降頻，並共享三級快取。顯示卡驅動會控制訪問三級快取的許可權，甚至可以限制GPU使用多少快取。將圖形數據放在快取里就不用繞道去遙遠而“緩慢”的記憶體了，這對提升性能、降低功耗都大有裨益。

不過這么做並沒有說起來這么簡單。NVIDIA GF100核心費了九牛二虎之力，SNB其實也差不多，同樣進行了全新設計。

順便提一下Intel的獨立顯示卡工程Larrabee。它的重點是廣泛使用全面可程式硬體(除了紋理硬體)，SNB則是全面使用固定功能硬體，功能特性和硬體單元相對應，這樣的好處是性能、功耗、核心面積都大大最佳化，損失則是缺乏彈性。顯然，Intel世界的中心仍舊是CPU，不能讓GPU過分強大，這和NVIDIA的理念正好相反。

可程式著色硬體被稱為EU，包含著色器、核心、執行單元等，可以從多個執行緒雙發射時取指令。內部ISA映射和絕大多數DX10 API指令一一對應，架構很像CISC，結果就是有效擴大了EU的寬度，IPC也顯著提升。

抽象數學運算由EU內的硬體負責，性能得以同步提高。Intel表示，正弦(sine)、餘弦(cosine)操作的速度比現在的HD Graphics提升了幾個數量級。

Intel此前的圖形架構中，暫存器檔案都是即時重新分配的。如果一個執行緒需要的暫存器較少，剩餘暫存器就會分配給其他執行緒。這樣雖能節省核心面積，但也會限制性能，很多時候執行緒可能會面臨沒有暫存器可用的尷尬。在晶片組集成時代，每個執行緒平均64個暫存器，Westmere HD Graphics提高到平均80個，SNB則每個執行緒固定為120個。

所有這些改進加起來，SNB里每個EU的指令吞吐量都比現在的HD Graphics增加了一倍。

SNB集成的GPU圖形核心分為兩大版本，分別擁有6個、12個EU。首批發布的移動版全部是12個EU，桌面版則根據型號不同而有兩種配置，可能是高端12個、低端6個。得益於每個EU吞吐量翻番、運行頻率更高、共享三級快取等特點，即使只有六個的時候性能也會相當令人滿意。SNB GPU圖形核心也可以獨立動態加速，最高可達驚人的1.35GHz。如果軟體需要更多CPU資源，那么CPU就會加速、GPU同時減速，反之亦然。

媒體引擎

除了GPU圖形核心，SNB中還有一個媒體處理器，專門負責視頻解碼、編碼。

新的硬體加速解碼引擎中，整個視頻管線都通過固定功能單元進行解碼，和現在正好相反。Intel據此宣稱，SNB在播放視頻的時候功耗可降低一半。

新一代Turbo Boost

Lynnfield Core i7/i5首次引入了智慧型動態加速技術“Turbo Boost”(睿頻)，能夠根據工作負載，自動以適當速度開啟全部核心，或者關閉部分限制核心、提高剩餘核心的速度，比如一顆熱設計功耗(TDP)為95W的四核心處理器，可能會三個核心完全關閉，最後一個大幅提速，一直達到95W TDP的限制。

現有處理器都是假設一旦開啟動態加速，就會達到TDP限制，但事實上並非如此，處理器不會立即變得很熱，而是有一段時間發熱量距離TDP還差很多。

SNB利用這一點特性，允許單元控制單元(PCU)在短時間內將活躍核心加速到TDP以上，然後慢慢降下來。PCU會在空閒時跟蹤散熱剩餘空間，在系統負載加大時予以利用。處理器空閒的時間越長，能夠超越TDP的時間就越長，但最長不超過25秒鐘。

不過在穩定性方面，PCU不會允許超過任何限制。

命名

SNB家族仍然沿用Core i7/i5/i3的品牌+子系列命名方式，編號上則採用四位數字。

對於桌面版的CPU來說：其中第一位均為“2”，代表第二代Core ix系列，最後末尾往往還有一個代表不同含義的字母：K代表不鎖定倍頻，都是高端產品；S代表性能最佳化，原始頻率比沒有字母后綴的低很多，但是單核心加速最高頻率基本相同，另外熱設計功耗都是65W；T代表功耗最佳化，熱設計功耗只有45W或35W，但是頻率也是最低的。

對於移動版的CPU來說，其型號命名規則如下：

－29xxXM：Core i7，四核心，八執行緒，支持Turbo，8MB三級快取，至尊版

－28xxQM：Core i7，四核心，八執行緒，支持Turbo，8MB三級快取

－27xxQM：Core i7，四核心，八執行緒，支持Turbo，6MB三級快取

－26xxM：Core i7，雙核心，四執行緒，支持Turbo，4MB三級快取

－25xxM：Core i5，雙核心，四執行緒，支持Turbo，3MB三級快取

其後綴的意義為：

－XM：四核心至尊版，不鎖倍頻

－ QM：四核心標準版

－M：雙核心標準版 由此可見，Core i7/i5/i3及其各個子系列的不同依然取決於是否支持超執行緒、睿頻加速，以及三級快取容量的大小，還是略有混亂。

規格

	處理器型號	市場定位	核心/執行緒	超執行緒	原始頻率	單核加速	雙核加速	四核加速	三級快取	記憶體頻率	圖形核心	基準頻率	加速頻率	TDP	封裝
	Corei7-2920XM	零售	4/8	支持	2.5GHz	3.5GHz	3.4GHz	3.2GHz	8MB	DDR3-1600	12單元	650MHz	1300MHz	55W	rPGA/BGA
	Corei7-2820QM	零售	4/8	支持	2.3GHz	3.4GHz	3.3GHz	3.1GHz	8MB	DDR3-1600	12單元	650MHz	1300MHz	45W	rPGA/BGA-1244
	Corei7-2720QM	零售	4/8	支持	2.2GHz	3.3GHz	3.2GHz	3.0GHz	6MB	DDR3-1600	12單元	650MHz	1300MHz	45W	rPGA/BGA-1244
	Corei7-2620M	零售	2/4	支持	2.7GHz	3.4GHz	3.2GHz	不支持	4MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1300MHz	35W	rPGA/BGA
	Corei5-2540M	零售	2/4	支持	2.6GHz	3.3GHz	3.1GHz	不支持	3MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1300MHz	35W	rPGA/BGA
	Corei5-2520M	零售	2/4	支持	2.5GHz	3.2GHz	3.0GHz	不支持	3MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1300MHz	35W	rPGA/BGA
	Corei7-2670QM	OEM	4/8	支持	2.2GHZ	3.1GHZ	3.0GHZ	2.8GHZ	6MB	DDR3 -1333	12單元	650MHz	1100MHz	45W	rPGA
	Corei7-2635QM	OEM	4/8	支持	2.0GHz	2.9GHz	2.8GHz	2.6GHz	6MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1200MHz	45W	BGA
	Corei7-2630QM	OEM	4/8	支持	2.0GHz	2.9GHz	2.8GHz	2.6GHz	6MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1100MHz	45W	rPGA
	Corei5-2410M	OEM	2/4	支持	2.3GHz	2.9GHz	2.6GHz	不支持	3MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1200MHz	35W	rPGA/BGA
	Corei3-2310M	OEM	2/4	支持	2.1GHz	不支持	不支持	不支持	3MB	DDR3-1333	12單元	650MHz	1100MHz	35W	rPGA/BGA
	Corei7-2649M	低/超低電壓	2/4	支持	2.3GHz	3.2GHz	2.9GHz	不支持	4MB	DDR3-1333	12單元	500MHz	1100MHz	25W	BGA-1023
	Corei7-2629M	低/超低電壓	2/4	支持	2.1GHz	3.0GHz	2.7GHz	不支持	4MB	DDR3-1333	12單元	500MHz	1100MHz	25W	BGA-1023
	Corei7-2657M	低/超低電壓	2/4	支持	1.6GHz	2.7GHz	2.4GHz	不支持	4MB	DDR3-1333	12單元	350MHz	1000MHz	17W	BGA-1023
	Corei7-2617M	低/超低電壓	2/4	支持	1.5GHz	2.6GHz	2.3GHz	不支持	4MB	DDR3-1333	12單元	350MHz	950MHz	17W	BGA-1023
	Corei5-2537M	低/超低電壓	2/4	支持	1.4GHz	2.3GHz	2.0GHz	不支持	3MB	DDR3-1333	12單元	350MHz	900MHz	17W	BGA-1023

漏洞

1) SNB缺陷門事件說明

美國時間2011年1月31日，英特爾官方宣布，2011年1月初面市的SNB平台因晶片組設計缺陷，全球暫停出貨。經證實，問題出在SNB搭配的主機板晶片組(HM65/HM67)集成的SATA設備控制器（用來連線SATA接口的硬碟、光碟機等）。

英特爾稱，缺陷晶片組3年間出現SATA接口故障的幾率只有5%左右。英特爾已經修正了這個設計上的疏漏，並表示現在開始生產的新版本晶片組將不存在這一問題。

2) SNB缺陷門的影響

SNB搭配的晶片組(HM65/HM67)共提供了2個SATA3代連線埠和4個SATA2代連線埠。受影響的只是SATA2代連線埠，連線埠編號為2、3、4、5。具體症狀是：隨著使用時間的延長，出現數據錯誤的幾率提高，極端情況下可能造成所連線的設備無法被系統識別。

考慮到大部分筆記本電腦只使用了兩個SATA裝置（1塊硬碟和1個光碟機），所以它們很可能連線在不受影響的0、1連線埠上。

3）SNB漏洞解決

在2月微星公布漏洞後，INTEL發布了全線召回的決定，所有已上市產品均可通過官方進行召回。官方預計此次因召回造成的虧損大概在10億美元左右。3月初，缺陷解決的新的6系列晶片組上市，該批圍採用B3步進，也就是修正過SATAII接口缺陷的主機板，現已全面銷售。