在多線程、多內核時代，頻率是否無關緊要？5年前，當英特爾宣布其有關架構的思想將發生轉變時，似乎給出了肯定的答復。但在一款將用于一系列服務器的Power微處理器中，IBM公司展現了通過增加頻率改進性能的例子。 
        英特爾集團副總裁Pat Gelsinger早在2001年的國際固態電路大會(ISSCC)上就曾透露，英特爾將不再通過刻意追求頻率的方式來保持功耗穩定，而將轉向多線程雙核設計。太陽微系統公司(Sun Microsystems)也采取了類似行動。 
        但在今年的ISSCC上，IBM卻反其道而行之，重新拿起頻率作為競爭的武器。IBM設計工程師提交了三份文件描述即將推出的Power6微處理器，Power6是為IBM自己的pSeries服務器開發的。目前銷售的雙核Power5+是采用90nm工藝制造、工作在1.9GHz范圍(不久將有更高頻率的版本)的一種設計。采用65nm工藝的Power6是工作在4到5GHz頻率范圍的處理器，將用于明年推出的服務器上，IBM的技術研發副總裁Mark Papermaster表示。 
        “我們不想對頻率視而不見，”Papermaster表示，“否則，你將與造成芯片發熱的主要原因失之交臂。但頻率與性能之間仍有關系。” 
        “英特爾從勝負未卜的局面中抽身而退之際，IBM卻開始推動頻率的爆炸，”The Envisioneering Group的主管Rick Doherty表示，“英特爾拱手認輸。他們不再嘗試跨越3.5 GHz頻率。”
        Sun公司的Niagara微處理器擁有32個線程，總功耗為63W，圖為其功耗分布。
        當Sun擁抱多線程時，也冷落了頻率。IBM的Power6將有單核和多核版本，每核2個線程；而在Sun公司現已出貨的Niagara微處理器中，每處理器核有4個線程，共計32個線程，工作于1.2 GHz。Sun的技術總監Ana-Sonia Leon稱：“Niagara有一條非常淺的流水線，是一款單發送、順序執行處理器，其總功耗為63W，每線程平均不到2W。” 
        “頻率沒給我們帶來性能，”Leon表示。“我們通過增加線程來改進性能。我們很清楚，這是正確的道路。” 
        《微處理器報告》的總編Kevin Krewell表示：“當有大量線程空閑等待任務時，Sun的多線程方法工作很好。Sun能并行利用Niagara內的處理器核。但IBM擁有需要極強數據處理能力的客戶，這是它們將于Sun的Rock服務器短兵相接的領域(Rock是Ultrasparc設計的下一個重要升級版)。” 
        IBM Power6的首席工程師Brad McCredie表示，IBM采用了1條13級流水線——7級用于浮點運算單元、6級用于整數運算，與Power5的相同。但Power5中需要22個“4路扇出”邏輯級(其中，一個反相器驅動其它4個)完成的任務，現在，在Power6中，用13個“4路扇出”邏輯級就能實現(每級流水線一個)。 
        “通過使邏輯‘動’起來，可以提升性能，”McCredie表示，“我們將頻率加倍，并保持流水線深度不變，從而使每個邏輯級能發揮更大功用。目標是從每個晶體管中獲得更多邏輯功能。如我們不采取這種作法，將使流水線級崩潰。某些公司采用20、30和40個流水線級，實是命懸一線。” 
        IBM對更高頻率意味著更大功耗這點不置可否。“降低功耗的實用手段是監測設計的晶體管數，”McCredie表示。他還補充說所有晶體管都不相同。例如，緩存是非常有規則的結構，所以其閥值電壓可以更高。就功耗而言，對閃存進行操作比操作邏輯部分所需的功耗低。 
        雙核Power6有7.5億只晶體管，比英特爾的Montecito版安騰(Itanium)少約1百萬只，IBM的技術評估項目經理Joel Tendler表示。 
        McCredie表示，Power6有第二個片上存儲器控制器，以使存儲器帶寬加倍。“我們費盡心機確保帶寬能隨處理器而變，”他說。 
        Tendler拒絕透露緩存大小、操作電壓或功耗。他說，對IBM客戶重要的是服務器級功耗，而非芯片級功耗。IBM單講頻率但不說相應芯片級功耗的舉動令ISSCC的與會工程師頗有微詞，一位英特爾的工程師就稱這毫無意義。 
        在ISSCC上，并沒透露Power6的某些技術細節。Power6的電路主管Brian Curran表示，二進制浮點單元(BFU)采用高閥值電壓晶體管以降低漏電流。BFU運行在4GHz、工作于1.1 V時的功耗為310mW。在采用相同流水線、每周期指令數和鎖存周期開銷的條件下，Power6的BFU采用54個“4路扇出”邏輯級，而Power5是91個。整數執行單元需要78個“4路扇出”邏輯級，在運行在4GHz、1.1 V時，功耗為160mW。

        McCredie：頻率加倍并保持流水線深度不變。
        Curran表示，IBM將動態單元的使用降至少，以降低功耗。另外，“我們設計的電路執行不止一項功能，每個電路都擔負更多任務。我們將上述舉措與低的鎖存延遲結合起來；一個更低的延遲設計幫助了更高頻率的實現。”他說。 
        IBM的工程師在實驗室中，演示了一款運行于5.1GHz、工作在1.3V的Power6，Curran表示。 
        英特爾安騰電路和技術主管Sam Naffziger表示，IBM“借用”了首先發軔于英特爾的理念，例如，大量采用脈沖控制的鎖存器而不是主/從型的翻轉觸發器。據他說，早先IBM和英特爾的設計使用的是主/從翻轉觸發器。“脈沖控制鎖存器的開銷只有主/從鎖存器的一半，這樣就能在每個邏輯級中節省1到2個‘4路扇出’，”他說。 
        “對電路進行調整以從相同的流水線中得到更高頻率，IBM干得很漂亮。”他接著說，“頻率的確有其作用。如能保持相同的流水線深度和功耗，更高頻率當然能提升性能。” 
        “英特爾工程師仍在進行提高頻率的工作，”Naffziger聲稱，“在安騰系列中，繼Montecito后的Tukwila版將有更多的高頻核。” 
        英特爾的微處理器研究總監Shekhar Borkar表示：“英特爾早在1999年就認定高頻下的低‘4路扇出’不省電。我們從1.6 GHz的Centrino處理器開始，將重點從高頻和功耗方面轉移。 
        IBM落在了后面。” 
        在ISSCC上，英特爾的工程師Stefan Rusu描述了英特爾的雙核Tulsa。Tulsa是一款65 nm的Xeon服務器處理器，運行于3.4 GHz，功耗為150W。Rusu介紹，Tulsa有一個16MB的L3緩存，共計13.28億只晶體管。該晶體管數在目前報道過的衍生于X86架構的設計中是多的。 
        Rusu說，英特爾沒有在緩存中采用多個晶體管閥值電壓(在Tulsa內，采用多個晶體管閥值電壓是降低功耗的通用技術)；相反，緩存中大量使用更長溝道長度的晶體管。這種晶體管以較慢的頻率運行，但漏電流降低了3倍，他說。 
        McCredie介紹，IBM采用了3個閥值電壓，并對Power6的溝道長度進行調節以在漏電流和性能之間取得平衡。
作者：來大偉