AMD推土機最大的祕密：Decoupled Front-end Architecture

指令管線早已非「一條腸子通到底」

自從1990年IBM的Power1「America」成為計算機工業史上首款超純量（Superscalar）架構處理器，在一個時脈週期內執行兩個以上的指令，結合起源於1967年IBM S/360 Model 91的非循序指令執行（OOOE，Out-of-Order Execution，資訊科班學生不能不知道的Tomasulo演算法），傳統計算機概論在眾人心中描繪的「一條腸子通到底，跑的慢的指令會塞住後方」指令管線，早已不存在於近二十年來的高速處理器微架構。當十年前泛用處理器業界一頭撞上功耗之牆後，追求指令平行度（ILP，Instruction Level Parallelism）的重要性更凌駕於時脈提昇，成為支撐效能成長曲線的主要推手。

現在ARM SoC效能打不過x86處理器，難道只因「時脈比較低」？就算時脈平起平坐，論單核心效能，Intel的Valleyview和AMD的Jaguar照樣不費吹灰之力，活活電死檯面上公開規格的ARM SoC。論多核心效率與多處理器延展性，大概也不會有太多人相信ARM陣營能夠在記憶體子系統層面，包含快取資料一致性協定、系統匯流排與快取記憶體階層，足以匹敵x86雙雄，更罔論伺服器額外需要的可靠性、可用性與開發流程所需的產品驗證能力。ARM會願意為了其伺服器大計，遊說十年直到AMD帶槍投靠，不是沒有道理的。

▲Intel早在2006年Merom投入戰場的Macro Fusion後，相隔五年，AMD「終於」在推土機推出類似的功能。

講的白話一點：按照歷史教訓，當RISC處理器為了追求高效能而做到某個「複雜度」，因為指令集帶來的「稅賦」將隨著微架構的膨大而越來越微不足道，耗電量和「效能/功耗比」對x86大概也佔不了多少便宜，甚至還很可能被x86陣營長期享有的製程優勢逆轉，ARM沒有理由不走上RISC前輩曾踏過的荊棘之路。藍色巨人IBM的Power，是集今日對ARM（或全體RISC）Server的幻想之大成，最完美的典範與最殘酷的例證。

1993年的Pentium是x86首款超純量處理器，1995年底讓x86逐步支配工作站及低階伺服器市場的Pentium Pro，則是首款支援非循序指令執行的x86產品，而時下被媒體炒得火紅的ARM，則整整落後了超過十年，才有同級微架構（Cortex-A8/A9/A15）。1990年代隨Windows作業系統普及而爆炸式成長的個人電腦市場動量之巨大，由此可見一斑。

而「CISC指令通通跑不快，所以無法管線化高速執行」的偏見也逐漸消失在世界的盡頭，藉由使用簡單低階層硬體線路控制和簡單的資料路徑，x86處理器也能享有很好的時脈速率，且整合硬體線路控制（控制簡單指令）與微碼控制（用來控制更複雜的指令）的轉換過程，更讓1990年代以降的x86處理器，普遍能以高效能執行80x86指令集中「簡單且高使用頻率」的指令。

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事實上，再複雜「再毫無道理可循」的指令集架構，也是會有一小撮「最被軟體經常使用」的簡單指令「最值得被加速處理」，高階程式語言編譯器的發展和RISC指令集的濫觴，兩者息息相關，躲在RISC背後的基本理念「Make the common case fast」同樣也可應用在CISC處理器。Intel在首款管線化處理器家族80486就已採用近似的概念，隨後的NexGen Nx586則是x86第一個「在處理器內部將x86處理器轉譯為RISC型態微指令」。

延伸閱讀：深度了解Intel史上最成功的x86處理器微架構：P6

管線前端變成最大效能瓶頸

市場競爭催生出無數越發精密複雜、火力更加強大的處理器微架構，巨大的多層化快取記憶體、更深的非循序指令執行緩衝區與複數執行單元，一切都只為了追求指令平行度（ILP）。近期企圖打造「x86桌面處理器等級效能」ARM核心進展最快的Apple與NVIDIA，不約而同走上「更寬」而非盲目追求高時脈的方向，就是最好的例證。程式碼能否提供塞滿處理器的平行度，那又是另一個值得深度探討的話題了。

以現今伺服器處理器王者IBM Power8為例，「單一」處理器核心內，共有「八條」同時多執行緒，共用「發送率（Issue）每時脈十個」的指令解碼器，每個時脈最多派發（Dispatch）「八個指令」給「十六個」執行單元，令人瞠目結舌，不愧是單顆報價一萬美元起跳、藍色巨人燃燒十億美元研發出來的怪物，重點是4GHz時脈，還不算低。

但你哪來的把握餵飽這票豺狼虎豹…呃，嗷嗷待哺的執行單元嗎？x86指令集的指令編碼格式特別混亂，加重同時擷取數個指令、解碼並塞滿非循序執行單元的困難度。這對RISC指令集可能不成問題，但x86就極度棘手，而這也不是多執行緒架構就能迎刃而解的基礎瓶頸。

▲各位睽違已久的近代OOOE圖解又來了：現在指令管線前端變成最大的效能瓶頸。 

延伸閱讀：關於IBM Power處理器的近代發展（雖然內容過期需更新）

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