今年，眾所期待的 AMD Ryzen CPU 終于上市了。從 2012 年開始研發，背負著帶領AMD 重返榮耀的 CPU，一上市便造成轟動。極高的性價比以及低功耗，為筆電以及桌機的 CPU 市場，注入了活水。下面就隨嵌入式小編一起來了解一下相關內容吧。

　　64 位處理器的興起

　　在 32 位 CPU 中，如果單純以 CPU 做存儲器定址時，4GiB 為其極限。多余的空間，則需額外的軟硬件支持。在早期的超級電腦中，這一類的需求可以靠錢解決。然而，隨著存儲器技術的發展，在一般商業甚至是一般消費性市場中，4G 以上的存儲器將越來越常見。如果有一款 CPU 可以直接定址大量的存儲器，將帶來相當大的優勢。

　　因此，從 90 年代起，眾多的 CPU 制造商開始研發制造 64 位的 CPU。其中，PC 市場的領頭羊，Intel 便從 1994 年開始，和 HP 共同發展新的 64 位指令集架構以及 CPU，以因應接下來的 CPU 市場競爭。然而，Intel 所提出的 64 位 CPU，其指令集架構和舊有的 x86 截然不同，將導致原有的程序會無法在新的 Intel CPU 上執行。

　　1999 年時，AMD 則發布和 Intel 截然不同的方法。AMD 決定將既有的 x86 指令集架構，擴增成 64 位的指令集。采用這個方法意味著原有的程序，將得以執行在新的 AMD 64 位的 CPU 上，大大減低后續重新編寫程序的需求。指令集架構的差異，替 AMD 立下勝利的基石。

　　64 位指令集架構之戰，AMD 大獲全勝

　　在 2001 年，Intel 終于發布其第一款的 64 位 CPU──Itanium。然而，這一款 CPU 在市場的接受度卻沒有如同其所預期般，迅速的被采用。最主要的原因，莫過于軟件的數量不足、以及和其他 64 位處理器相比的弱勢效能。

　　其中，軟件數量不足的關鍵，就在于指令集架構的差異。在高速計算里面，為了讓程序得以執行的更快，大多數的工程師會修改或直接編寫組合語言，以期讓程序能更符合硬件的執行模式。如果更換不同的指令集架構，將需要耗費大量的時間修改組合語言，甚至重新開發整個程序。

　　此外，沒有明顯優勢的 CPU 效能，也讓開發商不愿投入更多的資源在 Intel 的 Itanium 上。因此，Intel 只能加速下一款 CPU 的開發，以期待能滿足市場的需求。

　　2003 年，震撼市場的消息發出。AMD 發布了第一款 x86-64 的 CPU──Opteron 以及 Athlon 64。光是讓既有的 32 位 CPU 運行于其上，就已經為 AMD 添增光彩。更不用說新的 CPU 所采用的硬件架構 K8 是何等的強悍。

　　扭轉頹勢，Intel 版 x86-64 現身

　　為了避免商用以及高速科學計算領域的市占率下滑，Intel 于 2004 年時緊急推出新的 Xeon CPU。此外，在桌機市場，Athlon 64 的優秀效能，讓 Intel 不得不以既有的 Pentium 4 為基礎將指令集架構擴展至 64 位。

　　然而，即使 Intel 推出新了的 CPU，其 CPU 硬件架構效能提升卻不足，導致新的 CPU 效能稍微落后采用 K8 架構的 Opteron 以及 Athlon 64。K8 架構成了傳說，為 AMD 帶來榮耀。同時，其主要硬件架構師 Jim Keller 也逐漸為人所知。

　　邁向多核心之路，黃金交叉將出現？

　　在 2005 年 5 月時，AMD 以及 Intel 皆發布了消費者市場的雙核心 CPU，分別為 AMD Athlon 64 X2 以及 Intel Pentium D。第一款消費市場的雙核心 CPU，揭開了嶄新的時代序幕。多的核心便意味著作業系統中的多執行緒，可以同時運行在一顆 CPU 中，大幅降低執行緒所需等待的時間。

　　比較這兩款 x86-64 雙核心 CPU 的效能時，這一次，AMD 持續維持著其領先的姿態，Athlon 64 X2 的效能大幅超越 Pentium D。AMD CPU 的市占率一舉攀升，就在黃金交叉將要出現之時。Intel 展開逆襲，2006 年 8 月，Intel 推出了下一代的 CPU──Core 2 系列。

　　▲ 由 CPU Benchmarks 所統計的資料，該資料是統計全球使用該款 benchmarks 的 CPU 廠牌。雖然不是實際的 CPU 出貨量，但是足以當做參考。（Source：CPU Benchmarks）

　　新系列的 Intel CPU，斷開和 Pentium 4 的關聯，以 Pentium III 的 CPU 硬件架構為基礎重新設計，并采用 AMD 所發展的 64 位指令集架構。這一次，Intel 以過往成功的產品為基礎并重新設計，以 Core 為名重新出發。這一次，Intel 結束產品線的混亂以及產品效能低落的數年。

　　同步多線程，徹底發揮 CPU 核心的計算能力

　　在 2008 年，Intel 將其 Hyper-Threading 的技術重新導入 Core i 系列 CPU，也就我們現在所熟知的 i3、i5、i7 處理器。所謂的 Hyper-Threading，便是在一個 CPU 核心內部在將其分成兩份。然而，究竟是如何將 CPU 切成兩份呢？根據 Intel 于 2002 年所發布的Hyper-Threading Technology Architecture and Microarchitecture便可略知一二。

　　在論文中，Intel 便給出了兩張比較圖。兩個核心最主要的差異，在采用 Hyper-Threading 技術中的 CPU 中，Architecture State 單元會比一般的核心多一個。大致上，Architecture State 單元包含了多數的暫存器以及中斷訊號的控制器等，用以記錄執行緒執行的資訊，是無法被共用的資料。

　　▲ 左圖為未采用 Hyper-Threading 技術的 CPU Cores，右圖則是采用了 Hyper-Threading 技術的 CPU Cores，其中，兩者間的差異為一個 CPU Core 中有不同數量的 Architecture State 單元。（Source：Intel Technology Journal Vol. 1）

　　因此，在采用這個技術之后，只需要額外的 5% 面積，便可以達成更高的指令集平行化，讓 CPU 盡可能地滿載，釋放 CPU 所有的潛能。根據這一篇論文中所提供的數據，采用這一項技術后，在多執行緒的執行情況下，將可帶來將近 30% 的效能提升，相當驚人。

　　做為應對，AMD 于 2011 年推出 Bulldozer，其采用的并非是 Intel 所使用的 SMT 技術，而是 Clustered MultiThreaded（CMT）技術。此技術是將一顆 CPU 內部的整數執行單元復制一份，讓 CPU 具備在同一核心內部執行兩個執行緒能力，在后續要擴增核心的計算能力上，相當的容易，所需要的修改相對的較少。

　　然而，其缺點便是沒有辦法共用執行單元，無法享有 SMT 中最重要的優點，用兩個 Thread 盡可能讓執行單元不會有空閑狀態。此外，兩個獨立的 L1 Cache 雖然感覺在實作上會比較簡單。但是，為了要維持 Cache 的一致性，便需要擁有額外的 Core 內部資料交換單元，大大的提升控制電路的復雜性。

　　最后，結果便是眾所皆知的，AMD 于 x86 的 CPU 市占率直直落，現今在中高端的筆電市場中，更幾乎看不到采用 AMD CPU 的產品。就在 AMD 要消失在市場之中時，Zen CPU 的消息傳出！

　　Ryzen CPU，硬件架構的重新設計

　　在 2012 年，K8 的主要硬件架構師 Jim Keller 回到 AMD。這一次，他的回歸，讓 AMD 重返榮耀的聲音響起。是否新的 CPU 可以再現 K8 的傳說？這一次的 Ryzen CPU 和先前的 AMD CPU 有何差異？

　　將底層硬件架構做比較，可以發現 Ryzen CPU，取消了 Bulldozer 所提出的 Integer Cluster，并以類似 Intel Hyper-Threading 的技術取而代之。如此便能讓 CPU 盡可能地達到滿載的狀況。

　　此外，新的 Ryzen CPU 也引進了 Intel 于 Sandy Bridge 架構開始采用的 Micro-op Queue，以減少重新 Decode 的需求，提升單次可執行的指令數。借由更多先進的技術，讓 AMD 得以獲得大幅度的效能提升。也因此，AMD 公布 Ryzen CPU 其每個周期可以執行的指令比前一代 CPU 多 52%，改善幅度相當大。

　　至于實際的 Ryzen CPU 效能如何呢？現在已經有相當多的評測文章將 Intel Kaby Lake 系列和 Ryzen 系列 CPU 做比較，在這不再多做評比。不過，在一般的應用上，AMD 的 CPU 不會再像之前的 CPU，看不到 Intel CPU 的車尾燈。

　　▲ AMD 于 2016 年 HOT CHIPS 上所發布的架構圖。從圖中可以發現，新的架構取消掉 CMT 的技術，讓 CPU 核心變得較不復雜。（Source：AMD）

　　至此，我們已經看完了兩大 x86 巨頭間的廝殺，同時在短短的 17 年間，CPU 產業已經采用相當多的技術，以滿足與日漸增的計算需求。千禧年后 CPU 的發展簡史，讓我們見證了一代 CPU 王者的興起沒落以及歸來。

　　▲ 從圖中可以發現在 AMD Bulldozer 中，一共有兩個整數運算單元，此技術便稱為 Clustered MultiThreaded。（Source：By Shigeru23 （Made by uploader （ref：［1］， ［2］， ［3］）） ［GFDLor CC BY 3.0］， via Wikimedia Commons）