[为何苦苦追求前端总线频率的提升]

去年年末，Intel发布了目前性能最为强大的Pentium4平台产品，那就是拥有1066MHz前端总线速度的i925XE主板和Intel Pentium4 Extreme Edition 3.46GHz处理器。我们驱动之家也收到了Intel的送测样品，这里就和大家一起分享一下对这套平台的测试与分析。

Pentium 4系列处理器从诞生之初便与众不同，最早的Willimate内核的Pentium4就开始采用400MHz的前端总线频率，后来伴随着处理器主频的提升更是不断提升前端总线频率到533MHz、800MHz，甚至现在的1066MHz。为什么这款处理器需要如此高的前端总线频率呢？这是由于Pentium 4的设计理念有区别于以前的Pentium III处理器和AMD的Athlon XP处理器，它采用了一种超长的流水线设计，Intel将其命名为NetBurst构架。

关于流水线的概念大家一定都已经很熟悉了，它就是指将每条任务需要完成的步骤加以分解，每一个步骤称为一个级，所有的CPU运算操作都是由这些级组成的。设计流水线，也就是分解设计这些级的过程，流水线既可以设计的短一些比如20级，也可以长一些比如31级。众所周知，Intel Pentium4 Northwood核心的流水线突破了20级。在Prescott核心上，流水线长度更是达到前所未有的31级。31级流水线和20级相比就是任务分解的更细了，但最终运算结果两者都是一样的。显而易见，31级流水线每级的任务要简单一些，所需的晶体管或门电路也就要少，每级完成任务的时间也相应降低。对CPU设计来说，流水线中每级的速度越快，CPU的频率上限就越高，并且高频率下的稳定性也得以增强，这正是Pentium 4可以轻易提升频率的原因。

当然凡事有利也有弊，超长的流水线和长度较短的流水线相比，其一大弊端就是：很难保证流水线中所有的级都处于满负荷的工作状态，也就是说超长流水线的工作效率要低下一些，这也是初期低频Pentium 4不如同频PentiumIII的主要原因之一。同Northwood核心相比，Prescott的流水线长度又增加了50%，这必然进一步造成效率的损失，会消耗掉其它方面改进得来的提升。所以改进的超长流水线，只是为了Prescott频率的提升做准备，如何让数据更快的填满就成了Pentium4克服性能弱点的关键。于是Intel在Northwood里把L2 Cache增加到了512KB，同时前端总线速度也在不断的提升。无论是Cache容量的增大，还是前端总线速度的增加对于Pentium4来说都是至关重要的。而现在P4EE的2MB三级缓存和1066MHz前端总线正是迎合了这一需求。

不仅如此，超长流水线还会带来其他一系列问题。当核心频率越高时，越容易出现缓存没有数据供给处理器处理的情况，这无疑是以浪费核心时钟周期为代价的。而且，目前系统架构中的内存子系统速度与处理器的速度相比是非常慢的，基于NetBurst架构处理器中的ALU算术单元更是以处理器时钟的两倍频率运行，因此处理器需要浪费很多时间来等带新数据的到来。

此外，虽然目前处理器的分支预测功能准确性已经达到了95％甚至更高，但毕竟还有5％的分支预测错误存在，一旦分支预测出错，就意味着处理器需要清空所有流水线中的数据，并重新进行运算和数据的传输。所谓分支预测，我们知道普通程序运算时的程序指令通常都包含各类型的条件选择和分支语句，通过具体的验证条件决定程序执行路线。但CPU的执行单元有些不同，它为了节省在验证语句处消耗的等待时间，必须通过一项特殊的预测机制，估计程序可能会选择的线路直接执行，然后在后面进行验证。如果预测正确当然万事大吉继续往下执行，但如果发现之前的预测错误，那么就必须返回原地重新开始，之前的指令就会被作废。而更为麻烦的是，超长流水线在出现分支预测错误时会造成更多的损失，因为流水线越长，出现分支预测错误的机会就越多，如果预测错误，很多在管线内的指令会被清掉，重新填满流水线的时间也就越多。毫无疑问这将花费更多的时间，整体性能也会严重下降。因此不断的提升前端总线的频率以及处理器的主频也正是解决分支预测出错的有效方法。

而除了超长流水线的NetBurst架构之外，Pentium4加入的采用SMT技术的Hyper Threading，通过充分利用处理器的空闲运算单元，能够有效的提升处理器在大数据量吞吐和多任务下的性能表现。这意味着处理器能够在同一时间内处理更多的数据信息，也就对处理器的数据需求提出了更高的标准，难怪具有HT功能的Pentium4处理器多数的前端总线频率都达到了800MHz。现在1066MHz前端总线产品的发布也是为了让超线程更加充分的发挥其特点。

以上这些Pentium 4处理器在架构和技术特点上的需求，决定了更高的前端总线是未来的发展方向，而Intel为了在竞争中取得优势，也不得不继续这样做，这也是为什么要苦苦追求前段总线频率不断提升的原因所在了。