当前位置:首页 > 百科

X86处理器技术

Intel公司是IT史上最伟大的公司之一,尤其是在处理器领域,甚至可以说I来自ntel公司三十多年的发展史就是PC处理器的进化过程.360百科从最早的存储器(Intel创业发家靠的就是存储器)到最新的"Tera-scale" 万亿次芯片技术,Intel副犯展奏推出了无数处煤很理器,它们中的有些在市场上大放光芒,有的却又黯然离场.梳理着仅氢负Intel公司的处理器产品线,我们从中撷取了15 款可说最经典的X86处理器(嵌入式等领域角今语静叶植属条的处理器暂不考虑),回顾这些处理器的历史不仅是为了温故更为了知新,我们看到处理器性能越来越强大,功耗却在渐渐降低,未来的处理器有望继续延续这一道路,可以说是会"更好更强大".

  • 中文名称 X86处理器技术
  • 属性 计算机技术
  • 公司 Intel公司
  • 行业 IT行业

简介

  x8灯玉6或80x86是英特宗生末预尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。该系列较早期的处理器名称是以数字来自来表示,并以"86"作为结尾,包括Intel 迫入概后8086、80186、80286、80386以及80486,因此但茶率本掌换附展太群述其架构被称为"x86"。由于数局福及也纪流古细逐字并不能作为注册商标360百科,因此Intel及其竞争者均在新一代处理器使用可注册的名称,如Pentium。现时Intel把x86-32称为IA-32,全名为"Intel Architecture, 32-bit"。

  "X86"是Intel和其他几家公司处理器所支持的一组机器指令集,它大致确定了芯片的使用规范。从8086到80186、80286、80386、80486,再到后来的奔腾系列以及现在的多核技术,都是使用一脉相承的x86指令集,既不断扩展又向后兼容。

  三十年前,英特尔发布了第一款16位微处理器-8086,当时直落今统社的著名广告语是:"开启了一个时代"。而当8086的光环退去之后,其支撑架构-我们后来所熟知的x86也钟统阻成为了最成功的业界技术标准之一。

  在8086之后的30年间,x86家族横跨了桌面、服务器、便携式电脑,超级计算机等等。无数对手败在了它的脚下。

历史回顾

  1971 年,英特尔为一家日本矿货难线盟做位船升低零计算器厂商制造了英特尔历史上的第一块处理器--4位的4004。很快,在197类送型5年,英特尔又推出了8位处理器8008和8080。

  3年以后,16位的8086初次登场。在上世纪80年代初,IBM选择了8086的衍生产品8088作为IBM PC的处理器。IBM的这一举措给x86带来了巨大的发展机遇,并且帮粮学助它成为了行业标准--直到今天。

  英特尔执行副总裁Patr随置盾区护转ick Gelsinger说:"PC行业发展的革命性转折点是1985年32位处理器80占边消势血材九短386的推出,它推动了整个行业的发展。"

  386 之后,19**486诞生了。由于当时数京局字不能作为商标,英特尔从1993年开始改变了产品命名方法。第五代处理器被命名为Pentiu源活每散检举握基m而不是586。

  所有的基于x86架构的芯片,开始于8086,一直延续到今天均肉值老业。当然他们的命名发生了变化,运算速度也有了惊人的提升。

成功秘诀

  x86为什么能一直成功,击退甚至完全打败其他的处理器架构?从一开始,x86的诞生就可谓生逢其时。1978年,计算来自机从巨大、昂贵的中型计算机360百科转变为小型、便宜的微型计算机已经有几年了。台式电脑成为变革的前沿。

  更重要的是,x86证明了戈登·摩尔在1965年提出的一个定律。戈登·摩者写井尔后来成为英特尔的主席和CEO。摩尔说,在成本不变的前提下,微处理器每过二年其运算速度会翻一番。他的预言后来被称为摩尔定律,30年来始终被证明是有效的。

  8086及其后续产品还一直与电脑业的两个大名鼎鼎的名字紧紧联系在一起。1972年,比尔 ·盖茨和保罗·艾伦就尝试用严度性能很弱的8008开发Basic编程语言,但没有成功。但他们最终在性能强劲一些的8080处理器上开发出了Basic语盐味杆还发治保报稳活言,并在1975年把 Basic语言应用到Altair8800 PC。

  这成为英特尔和微软亲密关系的开始。微软从那时起,便创造了一个庞大的软件帝国并推动了整个行业的发展。英特尔首席技术官Justin Rattner指出,x86体系架构的灵活性是它过去以及今后成功的关键。他说,虽然人们通常将x86指令集看作是某种一成不变的规范,但是不管是指令集还是体系架构本身,都在过去几年里发生了巨大的变革。Rattner说,x86在上世纪九十年代曾凭借其内置MMX和SSE指令集扩展,一举提高了多媒体和通信应用所需的速度,从而击退了其他专业媒体处理器对波古它发起的挑战。他还举例说明了x应范确殖86体系架构在过去几年中新增的一些改进功能。比如在内存管理和虚拟化方面的硬件支持等。

  Rattner指出,同样重要的是,英特尔在x86体系架构发展的每一振双师收个阶段都保持了向后兼容的特性。指令集的发展以及产品果装者村写素京损式员系列内部的兼容性大大扩展了x86体系架构的款赶宣都经研运犯夜打应用范围,将个人用户与企业用户、便携式电脑和超级计算阳坏期德钢率局卷团沙机都包括了进来。

第算群参烈严敌友哪青  加州大学伯克利分校的计算机科学教授David Pa英创电质tterson说:"认识到x86体系架构并非一种凝固的设计这一点很重要。3甚阿余渐未夜非责优置0多年来,它们每月都会增加一个说明。现在x86指令集的说明已经达到500多个。每一代都会增加20到100多个。前后兼容很重要,它也一直在增加新的内容。"

遵循原则

  1)高性能原则

  保证所选购的服务器,不仅能够满足运营系统的运行和业务处理的需要,而且能够满足一定时甲友期的业务量增长的需要。一般可以根据经验公式计算出所需的服务器TpmC值,然后比较各服务器厂商和TPC组织公布的TpmC值,选择相应的机型。同时,用服务器的市场价/报价除去计算出来的TpmC值得出单位TpmC值的价格,进而选择高性能价格比的继方民式间字服务器。

  2)可靠性原则

  可靠性原则是所有选择设备和系统中首要考虑的,尤其是在大型的、有大量处理要求的、需要长期运行的系统。考虑服务器系统的可靠性,不仅要考虑服务器单个节点的可靠性或稳定性,而且要考虑服务器与相关辅助系统之间连接的整体可靠性,如:网络系统、安全系统、远程打印系统等。在必要时,还应考虑对关键服务器采用集群技术,如:双机热备份或集群并行访问技术,甚至采用可能的完全容错机。

  比如,要保证系统(硬件和操作系统)在99.98%的时间内都能够正常运作(包括维修时间),则故障停机时间六个月不得超过0.5个小时。服务器需7×24小时连续运行,因而要求其具有很高的安全可靠性。系统整机平均无故障时间(MTBF)不低于80000小时。服务器如出现CPU损坏或其它机械故障,都能在20分钟内由备用的CPU和机器自动代替工作,无须人员操作,保证数据完整。

  3)可扩展性原则

  保证所选购的服务器具有优秀的可扩展性原则。因为服务器是所有系统处理的核心,要求具有大数据吞吐速率,包括:I/O速率和网络通讯速率,而且服务器需要能够处理一定时期的业务发展所带来的数据量,需要服务器能够在相应时间对其自身根据业务发展的需要进行相应的升级,如:CPU型号升级、内存扩大、硬盘扩大、更换网卡、增加终端数目、挂接磁盘阵列或与其他服务器组成对集中数据的并发访问的集群系统等。这都需要所选购的服务器在整体上具有一个良好的可扩充余地。一般数据库和计费应用服务器在大型计费系统的设计中就会采用集群方式来增加可靠性,其中挂接的磁盘存储系统,根据数据量和投资考虑,可以采用DAS、NAS或SAN等实现技术。

  4)安全性原则

  服务器处理的大都是相关系统的核心数据,其上存放和运行着关键的交易和重要的数据。这些交易和数据对于拥有者来说是一笔重要的资产,他们的安全性就非常敏感。服务器的安全性与系统的整体安全性密不可分,如:网络系统的安全、数据加密、密码体制等。服务器需要在其自身,包括软硬件,都应该从安全的角度上设计考虑,在借助于外界的安全设施保障下,更要保证本身的高安全性。

  5)可管理性原则

  服务器既是核心又是系统整体中的一个节点部分,就像网络系统需要进行管理维护一样,也需要对服务器进行有效的管理。这需要服务器的软硬件对标准的管理系统支持,尤其是其上的操作系统,也包括一些重要的系统部件。

配置要求

  1)服务器处理能力

  为支持本省的异地转移、异地就医和异地领取养老金等业务,需要较高的交易数据处理能力。TPC计算如下: 假设全省参保总人数C=980万,交易日平均交易人数比例a1=1‰,每笔交易对应数据库事务数a2=5,则: 每日实际交易量M= C×a1×a2;交易日集中交易时间T=120分钟;交易日集中期内交易量比例Ct=80%;基准TPC指标值对应实际交易值的比例M0=6:1;CPU处理能力余量M1=30%-45%,取35%;3年内每年处理能力增长率P=30%。 根据经验公式计算得出TPC=(M×M0×Ct/(T×(1-M1)) ×(1+30%)3=89,435。也就是说,服务器选型应该考虑采用TPC值不低于100,000的高端服务器系统配置。

  2)内存容量

  根据经验和类似业务量和环境,内存容量应为1G/CPU×CPU数,从目前主流硬件厂商的指标来看,TPC值要达到100,000,一般需要配置8个CPU,因此内存建议配置8GB。

  3)总线I/O带宽

  在高CPU、大容量内存的配置下,必须要求主机系统总线带宽、I/O总线带宽都达到很高,否则,系统性能将形成瓶颈。

  4)存储容量

  交换区平均数据量为164.8GB,峰值数据量为164.8GB×1.5,考虑0.2倍的数据库索引和系统占用空间;作RAID保护后60%存储利用率;以后数据增长,需提供30%的数据扩充能力等因素,总存储容量约为:164.8×1.5×1.2/60%/70%=706GB,采用SAN中的光纤通道阵列作为数据存储。

  5)可靠性、扩展性等

  由于作为生产型数据库服务器,支持异地经办业务,属于实时性服务,该服务器系统在可靠性方面要求较高,可靠性必须达到99.99%以上,提供全年7×24的可用性,配置为双机集群方式。系统采用多部件的冗余结构设计,具有高速差错校验和纠错的存储器,并有监控和诊断功能。

  因此,对于服务器的选型,首先需对其业务系统的业务类型、业务复杂度等方面做系统的需求分析,其后根据需求在数据容量、数据处理的强度等方面进行估算,并兼顾服务器的可靠性、扩展性、安全性、可管理性等方面综合考虑,完成最终的产品选型。

  新思维:RISC还是Nehalem-EX?

  由于数据库服务器,尤其是金融电信等关键业务领域的核心数据库,对服务器的可靠性和性能要求非常高,这也使得过去这类应用的数据库系统往往会选择RSIC小型机来承担。而X86服务器虽然有很好的性价比,在总体市场中占据了95%的保有量,但仍然有一些核心领域没有攻克。

  不过,2010年,随着英特尔新一代Nehalem-EX至强7500系列服务器平台的发布,这一格局即将被打破。至强7500有8 个内核,每个核心支持双线程,每颗处理器最多可支持16个线程并行处理;每处理器最多带有4条QPI高速互联,可轻松扩展至8路系统,如果加入第三方节点控制器则可扩展至更多路系统;每处理器最大共享24MB L3缓存,借助可扩展内存缓冲和可扩展内存互连技术,每个处理器可支持16个内存插槽,四路服务器最大内存容量可达到512GB DDR3。而且,Nehalem-EX引入了22条RAS特性,并首次在至强平台上实现了IA64上才有的MCA恢复功能,提供更强的可靠性。无论是在性能、可扩展性和可靠性上,都已经逼近RISC,甚至在某些指标上有所超越。

  因此,随着IBM、HP、戴尔、浪潮等多家厂商推出基于至强7500的四路和八路服务器,核心关键用户将多出许多选择。下面,我们也会推出一系列文章,来帮助解读至强7500在数据库领域的应用表现、产品推荐、方案案例等等。

发展阶段

  CPU的溯源可以一直去到1971年。在那一年,当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器,也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器!!4004含有2300个晶体管,功能相当有限,而且速度还很慢,被当时的蓝色巨人IBM以及大部分商业用户不屑一顾,但是它毕竟是划时代的产品,从此以后,INTEL便与微处理器结下了不解之缘。可以这么说,CPU的历史发展历程其实也就是INTEL公司X86系列CPU的发展历程,我们就通过它来展开我们的"CPU历史之旅"。

  4004处理器核心架构图

  1978年,Intel公司再次领导潮流,首次生产出16位的微处理器,并命名为i8086,同时还生产出与之相配合的数学协处理器i8087,这两种芯片使用相互兼容的指令集,但在i8087指令集中增加了一些专门用于对数、指数和三角函数等数学计算指令。由于这些指令集应用于i8086和i8087,所以人们也这些指令集统一称之为X86指令集。虽然以后Intel又陆续生产出第二代、第三代等更先进和更快的新型CPU,但都仍然兼容原来的X86指令,而且Intel在后续CPU的命名上沿用了原先的X86序列,直到后来因商标注册问题,才放弃了继续用阿拉伯数字命名。至于在后来发展壮大的其他公司,例如AMD和Cyrix等,在486以前(包括486)的CPU都是按Intel的命名方式为自己的X86系列CPU命名,但到了586时代,市场竞争越来越厉害了,由于商标注册问题,它们已经无法继续使用与Intel的X86系列相同或相似的命名,只好另外为自己的586、686兼容CPU命名了。

  1979年,INTEL公司推出了8088芯片,它仍旧是属于16位微处理器,内含29000个晶体管,时钟频率为4.77MHz,地址总线为20位,可使用1MB内存。8088内部数据总线都是16位,外部数据总线是8位,而它的兄弟8086是16位。1981年8088芯片首次用于IBM PC机中,开创了全新的微机时代。也正是从8088开始,PC机(个人电脑)的概念开始在全世界范围内发展起来。

  Intel 8086处理器

  1982年,许多年轻的读者尚在襁褓之中的时候,INTE已经推出了划时代的最新产品枣80286芯片,该芯片比8006和8088都有了飞跃的发展,虽然它仍旧是16位结构,但是在CPU的内部含有13.4万个晶体管,时钟频率由最初的6MHz逐步提高到20MHz。其内部和外部数据总线皆为16位,地址总线24位,可寻址16MB内存。从80286开始,CPU的工作方式也演变出两种来:实模式和保护模式。

  Intel 80286处理器

  1985年INTEL推出了80386芯片,它是80X86系列中的第一种32位微处理器,而且制造工艺也有了很大的进步,与80286相比,80386内部内含27.5万个晶体管,时钟频率为12.5MHz,后提高到20MHz,25MHz,33MHz。80386的内部和外部数据总线都是32位,地址总线也是32位,可寻址高达4GB内存。它除具有实模式和保护模式外,还增加了一种叫虚拟86的工作方式,可以通过同时模拟多个8086处理器来提供多任务能力。除了标准的80386芯片,也就是我们以前经常说的80386DX外,出于不同的市场和应用考虑,INTEL又陆续推出了一些其它类型的80386芯片:80386SX、80386SL、80386DL等。1988年推出的80386SX是市场定位在80286和80386DX之间的一种芯片,其与80386DX的不同在于外部数据总线和地址总线皆与80286相同,分别是16位和24位(即寻址能力为16MB)。1990年推出的80386 SL和80386 DL都是低功耗、节能型芯片,主要用于便携机和节能型台式机。80386 SL与80386 DL的不同在于前者是基于80386SX的,后者是基于80386DX的,但两者皆增加了一种新的工作方式:系统管理方式(SMM)。当进入系统管理方式后,CPU就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作,甚至停止运行,进入"休眠"状态,以达到节能目的。

  Intel 80386处理器

  1989年,我们大家耳熟能详的80486芯片由INTEL推出,这种芯片的伟大之处就在于它实破了100万个晶体管的界限,集成了120万个晶体管。80486的时钟频率从25MHz逐步提高到33MHz、50MHz。80486是将80386和数学协处理器80387以及一个8KB的高速缓存集成在一个芯片内,并且在80X86系列中首次采用了RISC(精简指令集)技术,可以在一个时钟周期内执行一条指令。它还采用了突发总线方式,大大提高了与内存的数据交换速度。由于这些改进,80486的性能比带有80387数学协处理器的80386DX提高了4倍。80486和80386一样,也陆续出现了几种类型。上面介绍的最初类型是80486DX。1990年推出了80486SX,它是486类型中的一种低价格机型,其与80486DX的区别在于它没有数学协处理器。80486 DX2由系用了时钟倍频技术,也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍,即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行,但仍以原有时钟速度与外界通讯。80486 DX2的内部时钟频率主要有40MHz、50MHz、66MHz等。80486 DX4也是采用了时钟倍频技术的芯片,它允许其内部单元以2倍或3倍于外部总线的速度运行。为了支持这种提高了的内部工作频率,它的片内高速缓存扩大到16KB。80486 DX4的时钟频率为100MHz,其运行速度比66MHz的80486 DX2快40%。80486也有SL增强类型,其具有系统管理方式,用于便携机或节能型台式机。

发展战略

  即使没有与应用有关的改进,性能上的改进也足以使x86获得令人惊奇的成就。1978年,8086处理器问世的时候,它的工作频率只有5MHz,芯片内的晶体管数量为2.9万多个。 如今的四核英特尔台式电脑处理器的工作频率已经达到3GHz,速度是8086的300多倍,芯片内的晶体管数量也增加到了8.2亿多个,是原来的2.8万倍。

  卡内基梅隆大学计算机科学教授、英特尔研究顾问Todd Mowry说:"在不断减小晶体管尺寸和其他技术改进的过程中,英特尔也遇到不少巨大的技术难题,英特尔对此进行了大量投资。"英特尔将其中一个问题称作是右拐弯。随着电路尺寸的缩小,散热问题变得越来越难解决,只能通过增加芯片上的处理器核心数量来提升性能,而不能无限制地加快处理器时钟速度。

  Mowry说,随后对提升性能的研究也就从硬件转移到了软件上。他说:"在研究社区,问题的重点不是我们如何开发出更好的处理器核心,而是如何将许多核心集成到一个芯片上。" 目前最有希望取得成功的解决方案是利用软件交互内存的技术将多核心芯片并联起来,那样就可以在不损害共享数据的情况下保留并行线程,而且也不用锁定或限制对那些数据的访问。这是一种算法解决方案,属于软件范畴,但是对这种技术的支持可以被内建到x86硬件中去。

  Mowry说,不断在处理器芯片上增加更多核心,这种解决方案的唯一限制是软件开发商利用那些核心的能力。最大的障碍就是思路的转变,从串行思路转向并行思路。Rattner预计,在未来五到七年内,每片芯片中的处理器核心数量将达到数百个。由于每个核心都拥有多条线程,因此芯片支持的并行线程的数量可能会超过1000个。 但是他也承认,现在这个世界上还没有多少人知道如何利用好1000条线程。

  Rattner提到了英特尔实验室中正在开发的一些相当有趣的东西。例如,他提到x86体系架构将包括对安全的一些新硬件支持,这样整个架构在面对攻击时就有更强的抵抗力。但是他没有透露更多的详细资料。他还提到了即将推出的基于x86体系架构的Larrabee芯片,这款图形处理单元足以同NVIDIA和AMD旗下的ATI生产的专业图形处理单元相抗衡。 Larrabee将包含一整套全新的可视计算指令。与竞争对手的高度专业化图形处理单元不同的是,Larrabee是对通用x86体系架构的扩展。 他说:"我们可以保证这种体系架构的稳定性和耐用性,它的性能将超出大多数人的预料。"

  AMD显然也有类似的计划。AMD在1月份宣布,打算推出一款名为Fusion的混合CPU-GPU芯片,Fusion将是现有Phenom系列处理器的一个扩展产品。 AMD称,Fusion将作为笔记本电脑的一个双核处理器在2009年推出。刚刚面向迷你笔记本电脑市场发布VIA Nano处理器的威盛电子公司也表示,它将继续把高能效系列的x86处理器的目标市场锁定在移动市场,同时也会向台式机电脑市场拓展。虽然有些全新的微处理机体系架构可能会冒出来并排挤x86体系架构,但是Rattner认为,x86体系架构仍可受到Wintel软件的保护,后者曾在上个世纪八十年代末期帮助x86体系架构化解了RISC处理器对它构成的威胁。他说:"除非你能够站出来宣布你可以用不同的指令集将性能提高五倍,否则x86体系架构的地位不会受到太大影响。"

  但是这并不是说随着硅晶体管数量的增加,x86指令集就不会以全新的方式得到应用。40多年来,晶体管一直被置于硅片表面的下方。现在出现了一种新技术,可以将它们安装在硅片表面的上方。那样就有可能用硅之外的其他材料来生产晶体管了,比如像砷化镓那样的材料拥有更好的能量和性能特性。Rattner说:"在一二代产品(大约二到四年)内,我们还不能开发出晶体管位于硅片表面上的处理器产品,但是处理器生产材料必定会在未来十年发生许多创新。"威盛电子的Centaur研究中心总裁Glenn Henry说:"在低端方面,x86体系架构的发展空间是有限的,它就像是烤箱或者汽车里的燃料喷射器一样。如果你想开发出原子弹那样的高端产品,可能也存在一个限制。在这两者之间,x86体系架构已经多次证明它是可以适应的。"

  虽然英特尔正在开发基于全新晶体管的电子学,但是Rattner指出,英特尔最多只能在芯片中增加更多的核心。比如为量子和DNA计算服务开发的处理器。他解释说:"那确实改变了计算服务的数学基础,而且风险也很大。 同时它们可能只能应用于非常窄的应用领域,不能用于通用计算服务。" 要想实现那些新技术,至少还要20年的时间。他说:"我预计只有当我们真的开始达到传统技术的顶峰时,人们才会去认真对待那些新技术。"

选型注意

  1) 超强计算性能满足业务需求与成长

  传统X86处理器由于架构和原理上的差异,因此在面对并行计算需求强,浮点运算和大规模数据库时的性能往往不能与RISC架构处理器相比。除了这些对处理器架构有所依赖的"硬指标"之外,数据库应用往往还需要多核处理器在互联上以及内存访问上拥有较高的带宽--因为其数据吞吐量大,计算随机性和突发性大。这也是x86处理器长期以来的软肋。

  此外,用户在选购服务器时往往还会考虑未来的可扩展性,尤其是处理器方面。传统的x86处理器很难直接支持4路以上的扩展,因此在数据库业务拓展上存在瓶颈。

  但近几年x86处理器性能提升很快,尤其是英特尔Tick-Tock战略推出之后,x86处理器以一年架构、一年工艺的速度飞快发展,与RISC处理器的性能差距越来越小,在某些方面甚至超越了RISC。

  英特尔最新发布的至强7500系列处理器,不但可以支持2路到最高256路服务器的拓展,满足业务拓展,此外还通过强大的Nehalem-EX架构使其在计算性能上不弱于当今主流RISC处理器,为数据库应用开辟了新路。

  与上一代至强7400相比,至强7500采用8核(高端版本)封装,加上超线程技术(HT),一举将逻辑计算线程提升到了16条,数据库并行处理能力大大增加。据英特尔官方数据,处理器在数据方面的计算性能是上一代的2.5倍,而其中最显著的功效来源于4条QPI直连总线带来的超快通讯速度(可到6.4GT/s,远非以往FSB总线所能企及)、超大的L3缓存(多达24MB)和9倍于前的内存带宽(四通道DDR3)。

  这一系列技术使得至强7500成为目前最强的x86处理器,足以轻松应对现有数据库应用的升级,并获得较高的整合效率。在专业针对数据库应用的TCP-E测试中(详见:至强7500横空出世 TCP-E数据库测试名列榜首),采用了至强7500系列处理器的NEC和IBM服务器分别获得了前两名,足见其性能之强悍。

  2) 保证可靠性是x86处理器的必修课

  但是另一个摆在我们面前的问题是处理器的可靠性问题。众所周之,企业中的数据库作为支撑前台业务的核心,其可靠性要保证在99.9%以上。而与RISC平台相比,x86处理器由于计算原理所限,在计算可靠性和精确性上有天然缺陷。也因此,关键业务领域一直以来都选用的是RISC平台,而x86平台被看做是不稳定、不可靠的通用计算平台。

  在数据库规模日趋庞大的今天,很多企业在犹豫是保有原来的x86平台数据库,承担可能的风险;还是迁移到RISC小型机上,承担一大笔成本。实际上,这类矛盾和担忧一直存在于关键业务领域在x86平台和RISC平台的博弈中。甚至有DBA在采访中称:"性能高、稳定性又能与小型机媲美,我当然会选择相对灵活的x86平台,因为成本要少很多。" 可见,x86平台的开源和低成本是吸引数据库用户部署的主要因素。另一方面,x86处理器在说服数据库用户时,迫切需要提高的就是可靠性。

  传统上来说,RISC+UNIX比x86+Linux或Windows更稳定。RISC服务器在硬件架构设计上与X86服务器有很大的差别,使用了非常多的冗余技术和高可用技术,因此可靠性较高,当然成本也更高。X86服务器的硬件质量水平参差不齐,有高有低,硬件做工上稍差。不过,X86服务器--尤其是X86处理器与RISC处理器的可靠性比拼上,也在不断进步。

  在至强7500的正式说明文档中,提到的RAS特性就有22条之多,集中解决三个方面的问题:一是数据保护,利用CRC、ECC等硬件机制来对传输的数据进行校验、纠错,如果无法纠正,就将损坏的数据进行隔离,以保证不造成更大的数据,避免系统的重启和宕机。二是高可用性,包括各种主要部件的备、镜像和热切换等,以保证系统的高可用性。 三是计划宕机时间最小化,包括系统分区管理技术、CPU和内存的热添加和热移除等,将系统维护时间降低到最小。

  这些特性形成了一个完整的MCA架构(Machine Check Architecture),可以在不关机的情况下检查和纠正处理器、内存或者IO中的错误,在OS配合的情况可以对系统进行热维护,保障系统的不间断运行。据了解,原先只在IA64架构处理器上才有MCA功能;而系统方面,包括微软Windows Server、RedHat、SUSELinux以及VMware等平台都已经支持这一功能。

  3) 从采购到运营 强势生态造就低成本

  如果说以前企业在考虑购买数据库服务器时,考虑的仅仅是性能足够。那么今天的企业IT部门在部署数据库服务器时,更多考虑的是其性能是否适用于未来业务的拓展。

  从性价比来看,至强7500由于性能相比上一代产品提升2.5倍(数据库应用),因此在同样规模的业务量下,部署数量也相应要较少2倍多。而售价上至强7500只上升了约10%,这笔帐想必买家都会计算。但是如前文分析,设备的淘汰和折旧,产品生命周期,能否适应业务的升级,是现在用户更加关注的问题。在未来数据库规模拓展,需要更多计算量的时候,至强7500提供了两种选择:一种是无缝升级到更多内核的处理器;另一种是拓展成多路服务器系统。前文已经说过,至强7500支持2路到最高256路的多路服务器系统,其中8路以下拓展不需要第三方节电控制器的支持。拓展之后的性能,也因为QPI总线的内部互联而彻底解除了瓶颈。

  此外,至强7500系列处理器支持多达16条DIMM内存插槽。在Dell新推出的至强7500服务器中,创造性的采用Flex Memory Bridge技术,使得一个四路服务器在仅插两个处理器的情况下,每个处理器可以使用另外没插处理器的8条DIMM内存插槽(每个处理器标配了8个DIMM内存插槽),也就是两个处理器可以用全服务器内的32条内存插槽(请自行理解)。这给了用户极大的灵活性--有的用户数据库规模大,运算量却并不大,因而仅需要内存多,而并不需要插满四个处理器。

  另一方面,受去年金融危机的影响,IT业界普遍认为未来的IT系统应更加注重能效比(有数据称数据中心两年的电费等于采购成本)。至强7500相比上一代处理器平均性能提升了3倍,而功耗在95W~130W之间,因此可以说"在性能相同的情况下,电费仅为过去的1/3"。 与小型机相比,至强7500的x86生态环境更加开放,支持Linux、Windows、Solaris等多种操作系统。此外,由于x86平台软件厂商众多,支持的应用软件数量远远多于RISC+UNIX,因此可以更加灵活地适应各种环境变化,数据库迁移相对容易。

  从整个产业的发展来看,X86服务器有广泛的生态系统,各种软硬件厂商数量众多,用户甚础也相当庞大,整个产业有强大在的生命力。而RISC小型机的厂商各自为战,IBM、HP、Sun自成一家,硬件和操作系统都相对封闭很多,因此生命力不如X86。而基于以上三大方面的考虑,RISC平台在传统数据库领域的性能优势、可靠性优势和可拓展性优势仍然存在,但在以至强7500为首的x86处理器的冲击下,差距正逐渐缩小。我们相信,在x86和RISC平台的争夺与发展中,受益的永远是用户。

未来发展

  空间的限制

  虽然微处理器和周边装置在过去几年中在某种程度上维持了一个算是比较固定的大小,但是有一个地方却在占用的空间上非常快速的增加,那就是系统的内存。低成本的DRAM和当今的高效能处理器两个条件结合在一起,使得CompactPCI处理器卡板在内存的需求急遽地上升,大部分的供货商在单槽的CompactPCI卡板上提供1 or 2 GB的内存,这些内存一般是透过直接附着在卡板上的DRAM,再加上SO-DIMM的扩充槽来达成。下一代的设计将会用到4到8 GB的内存,设计者使用典型密度约2GB的SDIMM,在CompactPCI的设计上需用DIMM底座来达到8GB的内存。在下一代的卡板设计上,设计者必须要找到方法在一块卡板上放入38个或更多的DRAM,而且还能够提供满足客户期望的丰富多样周边装置,512MB和1GB密集度的内存芯片将会是必需品。卡板大小所面临的挑战,将是在能完整发挥内存运作下,将内存设备置入并做线路规划,这个目标是可以达成的,但是比较起以往的设计来说,会花上更长的规划与设计周期。

  微处理器功率设计导引

  在CompactPCI演进的历史轨迹中,x86处理器已经经历过非常显著的变化。有些非常早期的卡板用的是66MHz的CPU,目前这一代的x86产品,包含了1.7GHz Mobile Pentium 4 CPU。在嵌入式工业对支持长生命周期的产品需求,造成了产品制造厂在处理器的选择上,倾向从嵌入式或有长周期支持的产品线去选择。这些产品并不像桌上型计算机或服务器的处理器那样走得那么先端,这些产品的生命周期是用年而不是用月来计算的。此外,这个产业也藉由使用mobile processor而取得一些优势,这种处理器在电源供应的需求上和嵌入式以及电信领域的应用非常类似。下图提供了Pentium各系列的处理器与其功率消耗的一个关连性,可以看到Pentium III与Mobile Pentium 4处理器家族的产品符合了今日CompactPCI板卡对处理器所提供的30Watts功率规格。

  展望未来x86的设计,我们可以预期到CompactPCI卡板的设计将必须支持会消耗到60甚至80Watts的处理器。要解决这个问题,将需要更强的散热片设计与更佳的热管理。卡板与机构设计者在协力合作解决散热问题挑战上的能力,对下一代的设计工作将是非常重要。

  板卡电源

  CompactPCI卡板透过J1/J2的连接器来接收电源。有8个3.3V、6个5V、1个+12V、1个-12V的电源接脚。这些接脚供应1安培 IEC61076-4-101规格的电。每个接脚一安培的限制是保守的,而且某种程度上会误导让人以为所有的接脚可以在周边温度70°C的状况下去接一安培的电流。在现实状况中并不是所有连接器中的接脚都负载到最大的电流量,事实上大部分的CompactPCI接脚都是负载在以毫安为单位的电流范围中。70°C一安培的限制,是基于流过接脚的电流所产生的热。当电流增加时,也加大了跨过接脚的电位差。产生的热是一种电压和电流的函数,电压和电流的增加会使连接器接脚的温度上升。在CompactPCI中有最显著电流量的的接脚,是电源供应器接脚。如果设计者假设J1/J2连接器中的其它所有接脚都有电流负载,每一个接脚的最大电流则会是在40°C 2.5Amps, 这个信息可以在IEC61076-4-101的规格中的4.2.3中被找到。在每个接脚2.5安培的条件下,板卡可取得的功率大小如下表所示,此表显示出卡板的设计者最多可以从J1/J2连接器中拉出200Watts的电。

  Voltage Number of Pins Power 3.3V 8 66W +5V 6 75W +12V 1 30W -12V 1 30W -12V 201W

  CompactPCI卡板上的电源供应状况 设计者必须注意对任何的个别供应电压,不要超过其功率上限。典型的DC-DC转换的产生会造成CPU的核心电压流出+12V,即使增加电流在+12V上可额外得到功率,也很可能难以满足下一代的处理器。设计者必须要注意去平衡输入电压的使用,而不要使个别的供电超出了最大的功率值。从一个使用者的观点来看,他必须注意要确保整个系统里面卡板所需的功率不会超过系统所能提供的上限,检查电源供应器的建议功率值,确保整体的承载不会超过系统所能供应的。散热问题

  将CompactPCI卡板上产生的热能移除是一大挑战。用风扇将风吹进来是非常典型用来进行卡板冷却散热的方式。直觉来看,似乎透过增加散热片上的空气对流或散热片本身的大小就足以解决散热的问题。事实上,用加强吹风散热或增大散热片的方式都会受到限制。大部分的CompactPCI卡板都有PMC(PCI Mezzanine Card)的区域与内存模块影响了散热片大小的扩增.此外,处理器所产生的热能会集中在一个小的区域内,增加散热片的大小并不能等比例地达到强化散热的效果。另外一个因素是散热片本身的散热能力,我们称之为热阻(Thermal Resistance) 。热阻的单位是°C/W,当要被发散的能量上升时,可预期到周边的温度一定会上升。举例来说,一颗处理器产生了40W的能量要被发散,散热片的热阻如果是0.5°C/W,这处理器的温度就会比其周边高出20度。下图提供了一般的热阻、散热片大小与风速的对应关系,请注意到图形中的X轴与Y轴是以对数的方式呈现。

  从图上可以看出散热片的散热能力并不和风速成一线性函数,在热阻上一个非常显著的改善,会在稍呈对流状态的空气与每分钟500英尺的风速情况下显现出来,但是从每分钟500英尺增加到每分钟1000英尺的风速时,热阻的改善就没那么显著了。另一个用吹风方式的限制因素是噪音,当吹过卡板与散热片的风速增加时,所产生的噪音也会增加。从实务面来看,大部分的CompactPCI机箱提供每分钟300英尺的风速,如先前提到的,散热片通常会被内存以及PMC的空间给限制了大小,一个CompactPCI卡板若含有两个PMC的设计,通常会有一个处理器散热片的大小约为3 inch x 4.5 inch x 0.7 inch或9.45立方英吋, ,这样通常约在每分钟300英尺的风速下有0.62°C/W的热阻,大部分的处理器在最热的例子下会到70°C,在一个嵌入式的应用中,周边的最高温很容易就达到50°C,透过这些信息,当遇到限制时,一颗微处理器所能产生出来的热量可透过下列的公式计算而得:最高温度=热阻 x 功率 + 周边温度(最高温度-周边温度)/ 热阻= 功率 (70-50)/0.62= 32Watt。

  一个32W的功率让一颗Pentium 4的处理器可以跑到1.7GHz,要增加处理器的速度则让我们必须增加散热片的大小,或是降低最大操作温度、增强吹风,或者是这些方法中的某种组合。下一代的设计目标会是达到3GHz的P4处理器,那表示我们必须要能处理65W的热能。下一代的卡板由于将具备更加多样丰富的功能与规格,势必难以在增加散热片大小上做文章,多出来的33W将必须通过增加风速和降低最大操作温度来达成。每分钟450英尺的风速,散热片热阻0.45°C/W,周边操作温度可被降到40°C。如果给定这样的条件,处理器最大的功率将是 (70-40)/0.45=66Watts,这样刚好进到足以处理的区间。这样的计算显示出通过增加风速和改变温度的规格,是有可能提升处理器的效能的。要注意的是,热阻的大小将会随散热片附着方式的不同而有所变化。另外要考虑的一点是,处理器所产生的热通常会在中间,而且并不会均匀地分布在散热片上,如此也降低了散热片的散热效能,热模拟在确认热处理解决方案时是必要的。下一代卡板的使用者,将需要确定所使用的机箱能提供的风速足以确保处理器能在其规格的极限上运转。

大事记

  1947:

  贝尔实验室发明晶体管。

  1965:

  Fairchild半导体公司的戈登·摩尔发现了著名的"摩尔定律":微处理器每过二年其运算速度会翻一番。

  1968:

  摩尔、Robert Noyce和Andy Grove创办了英特尔公司,开始从事"INTegrated ELectronics"(集成电子)事业。

  1971:

  英特尔发布了全球第一块微处理器,4位的Intel 4004,设计者为Federico Faggin。

  1972:

  英特尔发布8位8008处理器。年轻的比尔·盖茨和保罗·艾伦尝试着为这块芯片开发编程语言,但效果并不好。

  1974:

  英特尔发布了8位8080处理器,带有4500个晶体管,性能超过8008处理器10倍以上。

  1975:

  8080处理器在Altair 8800计算机上找到了第一个用武之地,从而引发了PC革命。

  1976:

  x86体系架构遭遇对手,Steve Jobs和Steve Wozniak发布了使用8位6502处理器的苹果II电脑。

  1978:

  英特尔发布16位8086处理器,后来成为行业标准。

  1979:

  英特尔推出低成本8086版本,即应用8位总线的8088处理器。

  1980:

  英特尔推出8087数学协处理器。

  1981:

  IBM选择了Intel 8088装备其IBM PC。一位英特尔高管后来称此举为"英特尔有史以来最伟大的胜利。"

  1982:

  IBM与AMD签署协议,将AMD作为8086和8088的第二个供应商。

  1982:

  英特尔发布16位80286处理器,集成了134000个晶体管。

  1984:

  IBM开发出第二代PC,即80286 PC-AT。PC-AT运行MS-DOS,成为PC行业的事实标准长达10年之久。

  1985:

  英特尔退出DRAM业务,专注于微处理器的研制和生产,很快推出了32位80386处理器。

  1986:

  Compaq推出了80386 PC。

  1987:

  VIA科技在加州Fremont创办,专门销售x86内核逻辑芯片组。

  1989:

  80486发布,内置数学协处理器。

  1990:

  Compaq推出业界首台PC服务器,采用了80486处理器。

  1993:

  310万晶体管、66MHz的Pentium处理器问世。

  1995:

  RISC架构杀手Pentium Pro亮相。

  1997:

  英特尔发布64位Epic处理器技术。

  1998:

  英特尔推出低端赛扬处理器。

  2000:

  英特尔Pentium 4首次亮相,集成了4200万个晶体管。

  2003:

  AMD推出了x86-64指令集,这是x86指令集的64位超集。

  2004:

  AMD演示了x86双核处理器。

  2005:

  ·英特尔交付第一款双核处理器。

  ·苹果宣布将把其Macintosh电脑所用的处理器从Freescale和IBM制造的PowerPC转向英特尔的x86处理器家族。

  2006:

  英特尔发布首款至强四核处理器Xeon 5300。

  2007:

  ·AMD发布四核皓龙(巴塞罗那)处理器。

  ·英特尔推出处理器的45纳米制程工艺。

标签:

  • 关注微信

相关文章