電腦達人養成計畫 2-11：近代前期 CPU 發展史 (下) AMD K7.5、K8 架構

久違的電腦達人養成計畫更新，不知不覺 CPU 發展史居然寫了這麼多篇 (笑)，上篇講 Intel 的 Netburst 架構時代 (2000 ~ 2006)，本篇自然就是講 Intel 永遠的 (同時也是現在唯一的) x86 處理器對手 AMD 同時期的歷史囉。

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AMD K7.5 架構：Athlon XP/MP

Athlon XP 其實在 CPU 發展史上並不特別，其實就只是 K7 架構第三代之後的產品，因為搭上 2001 年 Windows XP 上市的熱潮因此 AMD 特別將其 K7 架構處理器的新改版命名為 Athlon XP。

K7 架構第 3 代產品：Palomino

↑ AMD Athlon XP 2100+ (Palomino)

發佈時間：2001 年 10 月 09 日
運作時脈：1333 MHz ~ 1733 MHz
FSB 時脈：133 MHz (DDR 雙倍頻寬)
L1 快取大小：128 KB (資料與指令快取各 64 KB)
L2 快取大小： 256 KB (全速，On-die)
支援插槽：Socket A ( 462 針腳 FPGA 封裝)
電壓需求：1.5 V ~ 1.75 V
電晶體數：3720 萬枚
製造工藝：0.18 微米 (µm)
指令集：x86-32 + MMX, 3D Now! Professional, SSE

從 Palomino 開始 Athlon 產品線被一分為三：

Athlon XP
面向一般桌上型電腦用途，XP 則具有 eXtended Performance 與 Windows XP 兩個涵義，是三大產品線中最晚推出者。
Athlon MP
面向伺服器與多處理器工作站用途，可以支援同時安裝多個處理器 (MP 是 Multi Processor 的意思)。
Mobile Athlon 4
面向筆記型電腦用途 (這命名擺明是故意要衝 Mobile Pentium 4 而來 XD)

Palomino 比較鮮明的特色是作為 Athlon XP 家族的開端，AMD 從此恢復採用以 PR 值來命名 CPU 階級的方式 ( 1500+ 意指能與 Pentium 4 1.5 GHz 披敵，此代產品由 1500+ 起跳，最高至 2100+)，除此之外還完整納入了原先只見於 Intel Pentium III 處理器的 SSE 指令集，原有的 3D Now! 指令集也再次獲得升級 (3D Now! Professional)，並對核心架構進行了一定程度的改進，增加並強化 TLB (Translation Lookaside Buffer) 暫存器與加入了新設計的硬體預取 (Prefetch) 機制。

↑ AMD Athlon MP 1500+ (Palomino)

除此之外 Athlon MP 與 Mobile Athlon 4 兩大產品線的成軍也標誌著 AMD 正式大舉進軍原先只屬於 Intel 天下的伺服器市場與行動運算市場 (以往也有以這些市場為目標的產品，但都只是附屬於一般桌上型電腦用途系列之下)。

關於 Palomino 站長還記得有兩件蠻有趣的事情，其一是 Palomino 是 AMD 首次在旗下的處理器產品中納入熱量管理機制 (Thermal Protection)，號稱能夠保證處理器在散熱器失效時不會燒毀，然後 Tom’s Hardware 就把 Palomino 抓來做實驗拍影片了，結局是非常不給面子的整個 die 融化冒煙 XD (相對之下 Pentium III 在過熱時的反應是直接當機，Pentium 4 則是降頻變慢，但把散熱器裝回去之後重開機都能維持正常使用)。

其二則是鉛筆超頻大法，Socket A 封裝的 Athlon 家族處理器的特色之一就是正面有許多金屬觸點，當時被發現只需要使用鉛筆或其他導電材料將特定的觸點連接導通，就能改變 Athlon XP 的運作時脈。

K7 架構第 4 代產品：Thoroughbred

↑ AMD Athlon XP 2400+ (Thoroughbred)

發佈時間：2002 年 06 月 10 日
運作時脈：1400 MHz ~ 2250 MHz
FSB 時脈：133 MHz、166 MHz (DDR 雙倍頻寬)
L1 快取大小：128 KB (資料與指令快取各 64 KB)
L2 快取大小： 256 KB (全速，On-die)
支援插槽：Socket A ( 462 針腳 FPGA 封裝)
電壓需求：1.5 V ~ 1.65 V
電晶體數：3720 萬枚
製造工藝：0.13 微米 (µm)
指令集：x86-32 + MMX, 3D Now! Professional, SSE

↑ AMD Athlon XP (Thoroughbred) Die shot

在 Palomino 推出將近一年之後 AMD 推出了製程升級版本，命名為 Thoroughbred，使用 130 奈米製造工藝，依照推出現後可分為兩個版本，第一版基本上只是 Palomino 的製程微縮版本，沒有甚麼明顯的改變。

不過在第一版推出之後，很快大家便發現 Thoroughbred 的溫度與時脈表現並沒有如同預期般得益於製程升級而有明顯提升，因此前期版本的 Thoroughbred 時脈並沒有辦法提高太多，之後的後期版本 Thoroughbred 則從材質與設計下手進行升級 (例如將原有的八層結構新增一層金屬結構改為九層以解決一些電子效應上的瓶頸之類的，要知道同時期的 Pentium 4 只用了六層，Prescott 也只用了七層，九層結構算是超級複雜的設計了)，以求將時脈與 FSB 頻率繼續提高。

除此之外從此代開始 AMD 推出了 Sempron 產品線來取代原有的 Duron 系列，用於與 Intel 的 Celeron 系列抗衡。

K7 架構第 5 代產品：Barton

↑ AMD Athlon XP 3000+ (Barton)

發佈時間：2003 年 02 月 10 日
運作時脈：1833 MHz ~ 2333 MHz
FSB 時脈：166 MHz、200 MHz (DDR 雙倍頻寬)
L1 快取大小：128 KB (資料與指令快取各 64 KB)
L2 快取大小： 512 KB (全速，On-die)
支援插槽：Socket A ( 462 針腳 FPGA 封裝)
電壓需求： 1.65 V
電晶體數：5430 萬枚
製造工藝：0.13 微米 (µm)
指令集：x86-32 + MMX, 3D Now! Professional, SSE

Barton 基本上就是 L2 快取大小加倍的後期版本 Thoroughbred，由於 L2 快取的增加因此在 PR 值標示上也比 Thoroughbred 標得更高，Barton 由於其超頻潛力，在 DIY 界中當時可說是一代傳奇。

在同年九月 AMD 又推出了將 Barton 多出來的 L2 快取屏蔽的核心版本，代號取 Thoroughbred 與 Barton 的融合，命名為 Thorton。

AMD K8 架構

K7 時代晚期 AMD 幾乎陷於劣勢，但處理器的世界真的是三十年河東，三十年河西，在 K8 架構上你可以看到很多後來被大量運用於 Intel 處理器上的技術與做法被 AMD 先做出來，可說是在技術上 AMD 領先 Intel 最多的時期。

AMD64 架構

實際上現今你我所使用的 64 位元系統就是 AMD64 架構，如同過去文章所談過的，Intel 原先所打的算盤是發展全新的 IA-64 架構來取代現有的 x86，成為真正的 64 位元系統，但造成的相容性問題與導入成本高昂最終使得 IA-64 架構完全無法在伺服器領域以外的地方有所斬獲，而 AMD 選擇的方式則是與 Intel 大相逕庭，AMD 決定繼續延伸 x86 的架構，將 x86 的架構拓展到 64 位元系統，增強現有的 x86 處理器的記憶體定址能力並維持與過去 x86 處理器的相容性。

而在 AMD64 獲得市場上的成功之後，Intel 也在自家的處理器納入了幾乎相同的技術，並命名為 EM64T。

整合記憶體控制器

在以往的電腦基礎架構中，核心晶片是由中央處理器、北橋與南橋三顆晶片組成，而後二者也因此得到「晶片組」的名稱，而在 AMD K8 架構中，AMD 為了提高記憶體頻寬吞吐量，將記憶體控制器從北橋晶片中移出，直接整合到處理器中。

↑ 傳統的個人電腦架構，以 Intel X48 為例

在記憶體控制器被整合到處理器中之後，記憶體直接與處理器連接，可以不用經過北橋晶片，在主機板上的物理距離瞬間減少到 1/3 左右，對頻寬與傳輸的穩定性來說都是有益處的，也因此時至今日基本上你所能買到的 x86 處理器都已經整合了記憶體控制器。

↑ AMD K8 的系統架構圖

同時為了應付更高的頻寬需求，從 K8 架構開始，AMD 使用 HyperTransport 來連接北橋晶片與處理器，取代了過去慣用的 EV6 DDR 匯流排。

多核心設計

AMD K8 架構進入雙核心世代的時間也比 Intel 早，當 AMD 推出第一代 Athlon 64 X2 的時候，Intel 內部還正被 Tejas 計畫搞得焦頭爛額，高時脈的泡沫正在破裂。最後在 Athlon 64 X2 發佈的時間點附近，Intel 只端出了直接硬著頭皮將兩顆 Prescott 兜在一塊的 Pentium D 應戰，當時「真雙核」與「膠水雙核」的爭論可是甚囂塵上呢。

↑ 被戲稱是膠水雙核心的 Pentium D

前期產品：基於 130 奈米製造工藝

第一個基於 K8 架構的 AMD 處理器代號為 SledgeHammer，發佈於 2003 年 09 月 23 日，屬於較高階的 Athlon 64 FX 產品線，具備 1MB 的全速 L2 快取與 800 MHz 的 HyperTransport 匯流排，同時也納入了 SSE2 的支援，只能搭配 Registered 記憶體使用，採用 Socket 940 腳位。

之後在同年的十二月，AMD 將 K8 架構拓展到一般級別平台上，推出了 ClawHammer 與 Newcastle 兩款內核，主要加入了更快的 HyperTransport 匯流排 (1000 MHz)，同時不再要求必須搭配 Registered 記憶體，採用 Socket 939 腳位，至於 Newcastle 則是將 ClawHammer 內建的 L2 快取容量減半而來，但 Newcastele 除了一般的 Socket 939 之外，還提供了 Socket 754 的型號 (僅限 HyperTransport 800 MHz)。

之後 ClawHammer 則是在 2004 年 06 月被推展到 Athlon 64 FX 高階產品線上。

中期產品：基於 90 奈米製造工藝

之後在 2005 年 05 月，AMD 終於推出了旗下的雙核心處理器產品線 Athlon 64 X2，代號分別為 Manchester 與 Toledo，均為 90 奈米製造工藝下的產品，同樣使用 1000 MHz 的 HyperTransport 匯流排與 Socket 939 腳位，這兩款核心主要的差異為 L2 快取大小的不同與加入 SSE3 指令集，後來此二種核心也有因其中一個運算核心無法正常運作而打下來作為 Athlon 64 單核心處理販賣。