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Nehalem微架構

Intel Nehalem (發音：/nəˈheɪləm/[1]) ，是Intel研發的中央處理器微架構之代號，該架構取代了前代的Core微處理器架構。[2] 使用Nehalem架構的微處理器採用45奈米製程（後期改用32奈米製程），在2007年的Intel開發者論壇上Intel官方展示了一個採用兩顆Nehalem微架構的處理器的系統平台。首款採用Intel Nehalem架構的處理器是2008年11月正式發售的桌上型處理器Intel Core i7。[3]

Nehalem
產品化2008年11月11日，​16年前​（2008-11-11）
設計團隊Intel
生產商
指令集架構MMX、SSE、SSE2、SSE3、
SSSE3、SSE4.1、SSE4.2、x86、
x86-64、EM64T、EIST、
XD bit、AES
製作工藝/製程45nm
核心數量2 個至 8 個
一級快取64KB（每核心）
二級快取256KB（每核心）
三級快取4MB～12MB（各核心共享）
CPU主頻範圍至 3.33 GHz
QPI速率4.8 GT/s 至 6.4 GT/s
DMI速率2.5 GT/s 至 5.0 GT/s
CPU插座
封裝
  • LGA（桌面平台、伺服器平台）
  • PGA（行動平台）
應用平台伺服器、工作站、桌上型電腦、筆記型電腦、超級計算機
核心代號
  • 伺服器平台：
    Beckton
  • 伺服器平台：
    Gainestown、Jasper Forest
  • 伺服器平台：
    Bloomfield、Jasper Forest、Lynnfield
  • 桌面平台/伺服器平台：
    Bloomfield、Lynnfield、Jasper Forest 、Havendale（已取消）
  • 行動平台：
    Clarksfield、Auburndale（已取消）
使用的處理器型號
上代產品Core
繼任產品Westmere

Intel在Pentium 4時代也使用過「Nehalem」的代號，該代號曾使用於NetBurst微架構的10Ghz版本之Pentium 4微處理器，後來改計劃取消。Nehalem微架構儘管與Netburst架構不是同一個時代的產物，但是兩者之間有一些共同的技術和特點，如超執行緒、較高的預設時脈等。儘管Nehalem架構的微處理器預設時脈普遍較高，但能效比依然比Core微架構的製程改進版Penryn微架構的微處理器要高。2011年1月，Intel Nehalem微架構由其下一代微架構Intel Sandy Bridge所取代。

Intel Nehalem的架構設計有不少地方與AMD K10類似（譬如每核心獨立電壓及時脈等），但要比AMD K10的效能更佳、能耗更低。AMD後來也推出K10的改進版K10.5來與Intel的Nehalem競爭。

技術特點

 
原生四核心的Nehalem微架構

整合北橋

全部型號的微處理器核心都整合了記憶體控制器，一般支援雙通道DDR3 SDRAM，消費級產品最高支援三通道DDR3 SDRAM，而伺服器平台則可以支援四通道DDR3 SDRAM；除此以外還處理器核心還整合了PCI Express 2.0控制器。

直連式總線

從Nehalem微架構開始，Intel改用QPI/DMI直連式總線，放棄了傳統的FSB。首發的Core i7使用了新的「Quick Path Interconnect」直連式總線，與AMD的HyperTransport相似。

相比FSB，每一個處理器都可以有獨立的QPI通道與其他處理器連接，處理器之間不用再共享FSB頻寬，並繞路到北橋才能通訊。此外，QPI是雙向傳輸[4]。

後來發布的Core i5、i3，處理器內部仍使用QPI，但與外部晶片組連接則使用與QPI類似但較QPI的頻寬小的DMI（Direct Media Interface）總線。

隨著FSB的『卸任』，一般意義上的『外頻』概念由『基準時脈頻率』（BLCK）所取代。[5]

模組化的多核心設計

處理器採用模組化設計[6]。例如核心、記憶體控制器、以至輸入輸出介面控制器，都能夠以不同的數量配搭，而且都能做到原生多核心設計。這樣使得Nehalem架構的處理器產品線可以做成雙核心、四核心、六核心乃至八核心、十核心（僅見於Xeon E7）[7]，可以使到產品更容易針對不同市場。與AMD K10微架構類似，每一個模組都可以有獨立的電壓和獨立的時脈，讓處理器在不同負載水平的效能最大化的同時更省電。

二級分支預測器和新的轉譯後備緩衝區（Translation Lookaside Buffer，TLB）。

超執行緒

主條目：超執行緒

超執行緒技術回歸：部分處理器型號支援超執行緒的技術。消費級市場發售的最高六核心，十二執行緒，企業級的更達到八核心，十六執行緒甚至到後期的十核心，二十執行緒。不僅多執行緒處理能力加強，Intel認為該技術還能最多提升處理器30%的效能。

快取

多級快取：每核心64KB的L1快取（32KB指令快取+32KB資料快取）；每核心256KB的L2快取，雖容量大小較Core微架構的小但擁有更低的讀寫延遲值；與AMD K10一樣，Intel Nehalem微架構的處理器都內建L3快取，每一個處理器共享最小4MB至最大12MB（企業級處理器更達到30MB）。

效能、電源管理

效能動態調節和電源管理：中高階型號的處理器會支援Turbo Boost（港澳地區沒有正式官方中文名稱，台灣官方中文名稱為『渦輪加速』，中國大陸官方中文名稱為『睿頻』。其後該技術更名為Dynamic Speed，動態時脈[8]）動態時脈調整技術，倘若有程式使用較多的處理器負載，處理器的頻率可以按步驟提升，此外，可以自動往上提升倍頻[9]該功能基本不需要作業系統的支援，完全由硬體監控[10]。除了時脈管理，電源管理方面引入Power Gates技術，核心閒置的時候可被關閉。對比上一代的Core架構，的核心電阻可以被關閉，電流可以完全不通過核心。各個處理器核心可運作於不同的頻率和電壓[11]。Turbo Boost及Power Gates功能都是由同一個單元提供，佔去大約一百萬個電晶體[12]。而AMD K10及後來的改進版K10.5，核心必須手動才能關閉。

指令集

指令集更新：SIMD指令SSE4的版本會提升為SSE 4.2，SSE4.2在SSE4.1（於Core架構上）的基礎上新增了7條指令[13]；引入第二代Intel虛擬化技術，支援EPT（Extended Page Table，擴展分頁表）、VPIDs（virtual processor identifiers，虛擬處理器標識）以及非封鎖中斷窗口退出（non-maskable interrupt-window exiting）。[14]Intel Nehalem架構的原子操作延時降低了50%，在試圖限制原子的開銷上。[15]

搭配晶片組

晶片組方面，Intel推出了5系列晶片組與之搭配，桌面平台有P5*、H5*、X5*等系列型號，其中P5*、H5*系列型號採用LGA1156插座，X5*採用LGA1366插座。代號Bloomfield的Core i7和後期第二批的Intel X58晶片組（允許更變倍頻）的組合再次提升Intel平台的超頻極限。核心代號Lynnfield的Core i5所使用的晶片組，更名為「PCH」（Platform Controller Hub，PCH，整合了一部分北橋和整個南橋），取代以往分離的北橋晶片和南橋晶片，成為單晶片組。[16]早期，處理器核心的電壓與系統記憶體同步。此前，Intel官方表示首批處理器產品會支援DDR3-800和DDR3-1066規格的記憶體。對於DDR3-1333，由於處理器只可以接受較低的電壓水平（限制在1.65V或以下），高速的記憶體意味著需要較高的電壓，所以此規格的官方支援仍然存在疑問[17]。後來第二批X58晶片組主機版上，處理器核心電壓與系統記憶體電壓可以實現非同步，方便用家超頻[18]。另外，原先只有XE版本處理器可以調整記憶體頻率。後來Intel修改為所有上市的Core i7處理器，均可以修改記憶體和QPI總線的頻率[19]。

效能和能耗之改進

儘管核心面積比Core架構要大不少，效能較Core架構系列則仍大幅提升，並沒有令市場期望失望。[20]

與Core架構的45奈米製程版本Core相比，Nehalem架構：

  • 在相同的能耗下比Core架構的單執行緒效能高出10%至100%；
  • 同樣的效能下的能耗平均比Core架構的低30%；
  • 每核心每時鐘週期的效能平均比上代架構高12%至20%。

核心及其步進

核心數量（記憶體通道數量、其他總線） 製程 晶片面積 CPUID Model 步進 行動平台 桌面平台、 UP Server DP Server MP Server
八核心（四通道） 45 nm 684 mm² 206E6 46 D0 Beckton (80604)
四核心（三通道） 45 nm 263 mm² 106A4
106A5		 26 C0
D0 		Bloomfield (80601) Gainestown (80602)
四核心（雙通道、PCIe） 45 nm 296 mm² 106E4
106E5		 30 B0
B1 		Clarksfield (80607) Lynnfield (80605) Jasper Forest (80612)
雙核心（雙通道、PCIe、內建顯示核心） 45 nm Auburndale （已取消） Havendale （已取消）
十核心（四通道）[21] 32 nm 513 mm² 206F2 47 A2 Westmere-EX (80615)
六核心（三通道） 32 nm 248 mm² 206C2 44 B1 Gulftown (80613) Westmere-EP (80614)
雙核心（雙通道、PCIe、內建顯示核心） 32 nm
45 nm		 81+114 mm² 20652
20655		 37 C2
K0 		Arrandale (80617) Clarkdale (80616)
  • 極致效能級別的處理器無倍頻限制；
  • 全部微處理器使用133MHz的基準時脈頻率。

處理器列表

主條目：Intel Core i7、Intel Core i5、Intel Core i3、Intel Pentium和Intel Xeon

繼任微架構

Intel遵循Tick-Tock策略，於2011年第一季度發布了Intel Sandy Bridge微架構，正式取代Intel Nehalem微架構以及其製程改進版Intel Westmere微架構。

 
Intel的微處理器架構路線圖，從 NetBurst以及P6至Tigerlake

參考

  1. ^ I Am Nehalem, [2012-04-30], （原始內容存檔於2011-12-10） 
  2. ^ Intel Details Upcoming New Processor Generations, Intel Corporation, 2007-03-28 [2012-04-30], （原始內容存檔於2009-02-20） 
  3. ^ Gruener, Wolfgang, Nehalem = i7: Intel unveils new Core processor brand, TG Daily, 2008-08-10 [2012-04-30], （原始內容存檔於2009-08-14） 
  4. ^ 45nm最强平台！Core i7+X58深度解析. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-04-30）. 
  5. ^ 又能超外頻了? Haswell或恢復FSB概念 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - zol.com.cn
  6. ^ 上方文Q. Intel谈Nehalem带宽、扩展性、频率. 驅動之家. 2008-06-17 [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-01-14）. 
  7. ^ Intel® Xeon® Processor E7-8870 (30M Cache, 2.40 GHz, 6.40 GT s Intel® QPI). [2012-06-27]. （原始內容存檔於2011-12-17）. 
  8. ^ Core i7的Turbo Boost将改名为Dymanic Speed. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2008-09-20）. 
  9. ^ IDF秋08：Intel公布Nehalem更多细节. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2008-12-03）. 
  10. ^ 英特尔下個月推四核心Atom处理器. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-04-13）. 
  11. ^ Intel发布首颗6核心处理器Xeon X7460. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-01-14）. 
  12. ^ 更低功耗：Core i7動態超頻技術. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-01-22）. 
  13. ^ 革命即将开始！Core i7 965性能详测. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2009-08-17）. 
  14. ^ QInside Nehalem: Intel's Future Processor and System. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-03-13）. 
  15. ^ NO EXECUTE!, [2012-04-30], （原始內容存檔於2012-05-11） 
  16. ^ Botezatu, Bogdan, Intel: No Overclocking for Mainstream Nehalems, Softpedia, 2008-04-22 [2012-04-30], （原始內容存檔於2012-01-18） 
  17. ^ Nehalem平台极限超频存在电压限制. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-01-14）. 
  18. ^ X58主板可以支持处理器、内存电压异步. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2012-01-14）. 
  19. ^ Intel改变策略，非XE版Core i7也能调内存频率. [2012-04-30]. （原始內容存檔於2009-02-26）. 
  20. ^ Intel's dual teamed approached to micro-architecture development, PC Watch, 2008-01-29 [2012-04-30], （原始內容存檔於2012-03-08） 
  21. ^ Westmere-EX 10 core CPUs announced by Intel at IDF. [2012-06-03]. （原始內容存檔於2012-03-16）. 

外部連結

 
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