[科普中国]-安腾处理器

历史

在1989年，惠普认为RISC架构将来会遇到每周期只能运行一个指令的瓶颈。而惠普的研究员在研究一个称之为显式并发指令运算（EPIC）的新架构，该架构允许处理器在一个周期内运行多条指令。EPIC是一种超长指令字（VLIW）架构，每个这种指令即包含多条小指令。使用EPIC技术后，编译器就能决定让这些小指令同时运行于单一周期，因此处理器能够简单的运行这些指令而不需要很复杂的架构去决定哪些指令能够并发运行。

惠普认为它对个别企业系统公司不具有足够的成本效益来自行开发自己的处理器，所以惠普在1994年与英特尔结为合作伙伴来开发EPIC为基础的IA-64架构。而英特尔预测IA-64微处理器将会被使用多数的企业系统制造业采用而给予大量的开发资源。在1998年，惠普与英特尔发表共同的大规模合作开发的成品，内部代号为Merced。

在开发期间，英特尔、惠普还有工业分析家预测IA-64将会支配服务器、工作站、高级电脑，甚至替换RISC与CISC架构的所有既有产品。此预测导致Compaq与Silicon Graphics决定放弃Alpha与MIPS架构的未来开发项目而偏爱转移至IA-64架构。

数个集团分别开始为该架构开发操作系统，包含Microsoft Windows、Linux与Unix的派生版本像是惠普-UX、Solaris、Tru64 UNIX与Project Monterey（后三者在进入市场之前就已被取消）。在1997年发现IA-64架构与该编译器的开发难度比预期还要高，所以Merced的推出时间就一再顺延。该技术困难包含需要非常大量的晶体管才能处理超长指令与大量缓存。在该架构的项目还有一些结构性的问题，在两部分的集成团队使用不同的算法而有些微不同的优先度。自从第一颗EPIC架构的处理器Merced推出后，开发团队也陆续遭遇更多之前未预料到的问题。除此之外，EPIC的概念依赖于编译器的处理能力，而之前完全没有实现过，所以许多未预测到的研究也出现。

英特尔在1999年10月4日发表该处理器的官方名称安腾。几小时之后观察家指出该处理器参考Itanic，源自于Titanic，在1912年沉没的号称“不可能”沉没的远洋邮轮。不少评论媒体暗示安腾像是个大白象耗资亿元的产物却无法达到既定性能与销售量。但此时RISC与CISC的架构长足的增强超标量的性能，能够不使用EPIC的技术来破除单一周期只能运行一个指令的魔咒1。

第一代安腾处理器2001至2002：

第一代安腾在2001年6月推出，但是却不优于同时代的RISC与CISC处理器。安腾与x86的低级服务器（小于4 CPU的系统）竞争，还有跟高级的IBMPOWER架构与SPARC架构竞争市场。而英特尔重新定位安腾指向高级商务与高性能运算系统，尝试去复制x86架构中非常成功的横向市场发展（单一架构，多个系统制造厂）。不过却被局限在业界不想更换惠普制造的PA-RISC与Alpha，还有SGI制MIPS架构的高性能运算系统。因为当x86架构切入商用市场上，POWER与SPARC架构还算是很强健的。以预算为主的考量，x86在商用运算的横向发展中是非常优秀的选择。惠普与英特尔此时发现安腾无法与其他系统相提并论，就在一年后就推出安腾2来替换旧有的安腾。由于缺乏足够的产额、差劲的性能，还有高售价，第一代安腾只有售出几千组系统。不过这些系统在开发安腾2的软件时是相当有用的。不过既使如此，IBM还是有制造出搭载此处理器的超级电脑。

安腾2处理器2002-至今。

研发背景Intel安腾2处理器专为要求苛刻的企业和技术应用而设计。基于Intel安腾2处理器的平台以较低的成本，提供了业界领先的性能，以及比专有RISC技术更广泛的选择空间，可帮助企业和机构最大地提高其投资回报。Intel安腾2处理器得到了广泛生态系统的支持，包括由40多家领先硬件厂商的具有出色可扩充的开放标准64位解决方案，诸如Windows Server 2003、HP-UX和Linux等的超过5款操作系统，以及数百种应用和工具。此外，Intel安腾处理器还为现有的Intel安腾架构软件提供了出色的二进制兼容性，进而可使用户获得强大的投资保护。Intel安腾2处理器家族支持32位Intel架构（IA-32）应用，并将随着32位Intel架构（IA-32）执行层技术的推出进一步增强2。

概述安腾的微架构是彻底的不同于其他英特尔处理器采用的x86（包含x86-64）架构。这个架构是建基于显性的指令并发，由编译器来决定哪些指令并发处理。这种方式允许处理器在每个周期最多可以运行6个指令。与超标量架构的不同点，安腾在并发处理中并没有复杂的线路来判断指令依赖性，所以编译器必须要在编译的时候就已经处理妥当。

在一系列的拖延开发进度后，第一款安腾于2001年推出，性能更强的安腾处理器在之后则是有周期性的持续推出。采用安腾处理器的制造商之中，以惠普的制造量最多。在2007年，安腾在企业界系统采用的架构之中是位于第四名，而前三名则是x86-64、IBM POWER与SPARC。英特尔于2007年11月推出最新的安腾处理器为Montvale核心，2012年推出安腾9500（Poulson）3。

突出特点更高的性能，更低的成本，更多的选择。

带有6MB三级高速缓存的Intel安腾2处理器具有出色的并行计算能力，可扩充和可靠性，全面支持数据库、企业资源规划、供应链管理、业务智能以及诸如高性能计算（HPC）等其他数据密集型应用。通过采用兼容原有Intel安腾2处理器的插座设计，它可以为OEM和用户带来出色的投资保护。此外，它还二进制兼容现有Intel安腾架构软件，并且还可以提供比原有Intel安腾2处理器高出30%-50%或更高的性能。凭借大量执行资源、6.4GB/秒的系统总线带宽、6MB的集成三级高速缓存和1.5GHz的主频，新型Intel安腾2处理器能够以相当于同档RISC平台一半的交易成本，提供两倍的交易性能，同时还可提供毫不逊色的$/FLOPS4优势。

支持技术计算的领先性价比

带有1.5MB三级高速缓存的Intel安腾2处理器1.5GHz为包括高性能和技术计算在内的计算密集型工作提供了领先的性价比，同时为网络前沿、安全性、和软件工程等应用提供了卓越的性能。与可以提供业界领先的$/FLOPS的RISC平台相比，专为DP服务器和工作站优化的带有1.5MB三级高速缓存的Intel安腾2处理器可提供更出色的性价比优势。

更低功耗更高密度系统

采用低压Intel安腾2处理器的平台可以提供更低的功耗以支持与日俱增的计算密集型工作，这使得它成为数据中心内的高密度机架安装式和刀片式配置的理想选择；同时它也是运行网络前沿、安全应用和软件工程应用的入门级服务器和工作站的最佳选择。Intel安腾2微体系结构的特性包括到集成高速缓存的快速访问，处理器与内存之间的出色带宽，以及可以显著高指令执行速度和吞吐率的大量执行资源。

32位Intel架构（IA-32）软件应用

所有基于Intel安腾2处理器的系统都支持32Intel架构（IA-32）软件应用，从而用户移植到Intel安腾2架构提供了更高的灵活性。Intel提供了一种名为32位英特尔架构（IA-32）执行层（EL）的技术来支持32位英特尔架构（IA-32）软件应用。32位特尔架构（IA-32）执行层得到了Microsoft Windows Server 2003操作系统的支持，预计今年后期将有更多领先操作系统提供支持。

安腾与Xeon、Opteron的区别

对于安腾处理器设计，Intel继续扮演激进分子，违背了公认的标准。不是RISC或CISC方法，Intel退回到了曾经被用在老式大型机和昔日其它电脑中的技术VLIW（Very Long Instruction Word）。不过Itanium不是一台严格意义上的VLIW机器，因为VLIW有一些众所周知的缺点已被Intel努力克服，而Intel选择称呼他们的新方法为EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computer）。对比Xeon和Opteron每个时钟周期发出最多三条指令的设计，Itanium 2能够每个时钟发出八条指令，这与VLIW设计不同，将来的Itanium芯片能发出更多的指令而无需重编译代码。理论上，1 GHz Itanium芯片能够表现得差不多跟2.66 GHz Xeon/Opteron一样快，或是1.5 GHz Itanium 2大约跟4 GHz Xeon/Opteron一样快。当然那只是理论性能，全面系统设计将在决定系统的潜力能真正实现多少上扮演一个重要的角色。

为了帮助达到那样的潜力，Itanium芯片采用128-bit的系统总线，（暂时）使用标准的SDRAM。更低的时钟速度结合更宽的总线使得SDRAM不像高速桌面系统下那么问题多多。最初的Itanium设计Merced有四个整数单元（ALU），两个浮点单元（FPU）及三个分支单元（BRU），两个SIMD（也就是MMX/SSE）单元，和两个载入/存储单元- 在其它CPU中也成为地址形成单元（AGU）。后来修改过的McKinley设计有六个ALU，三个BRU，两个FPU，一个SIMD，两个载入单元和两个存储单元 - 有几分象拥有4个AGU，不过它们分工更细了。另外，McKinley有相当于Merced三倍的缓存带宽。Merced也是六指令设计，具有更深的管线（10级）和更少的内存带宽 - 一个相当有问题的设计。McKinley和后来的设计都是八指令设计，具有更短的管线（8级）和更多的内存带宽。虽然Merced很少完全用到它的六指令设计，但McKinley的增强帮助它更接近于每个时钟发出最大的八条指令。

另外，Itanium的一个特点是包括了三级(L3)高速缓冲存储器，补充了现有的L1和L2高速缓冲存储器的不足，后两者L1和L2是今天普遍使用的高速缓冲存储器。

如今多数的应用是基于32-位微处理器体系上的，被设计来作四十亿字节的内存。然而，随着更大数据库的运用变得越来越重要，计算机产业中许多主要的软件和硬件供应商已经开始开发能够处理64-位址空间的应用软件和系统。

Itanium的一个特点就是它使用了"智能编辑器"去优化如何将指令传递给处理器。这个方法允许Itanium和未来的IA-64微处理器在每脉冲周期(IPCs)处理更多的指令。(IPCs可以和脉冲速度(MHz)一起用于表示微处理器的总性能。)

Itanium被英特尔及公司观测员认为是一个新层次的UNIX和Windows服务器市场、同时也是高端PC工作站市场的硬件平台。观测员说Itanium基础的服务器将更能适应如今大企业具有数据库的计算处理环境和复杂查询及事务的处理需求。

事实上，先进应用软件、高端系统、操作系统以及计算机硬件的所有大制造商和供应商都认可了Itanium和处理器的IA-64架构。

安腾一般用在高端应用上，运行的系统一般是UNIX系统，比如HPUX4。

分类安腾的机器一般划分位小型机一类。他是IA64的处理器，最开始由HP开发，后来和intel联合开发，由于intel开发不利，后来HP将compaq的开发人员转向开发安腾，所以在第二代安腾的时候就性能非常优异了。

Itanium是英特尔最初的基于64-位体系的微处理器。随着Merced代码名称的发展，人们希望Itanium和它下面的机构能提供用于服务和高端工作站市场的下一代软件的基础。

英特尔计划采用附加的IA-64微处理器，其代码名称为MCKinley，Madison和Deerfield。

除了支持64-位处理器和一套28寄存器之外，64-位设计允许使用非常大的内存(VLM)。总之，这个体系开发出了明确地并行指令处理(EPIC)的特点，是英特尔和Hewlett-Packard的联合发展的成果。这些提供了诊断和思考之间计算机指令并行处理操作的优势。

架构英特尔有庞大的安腾指令集与微架构的纪录文件，而且技术文件也提供浏览。该微架构在历史上曾几度更名。惠普称之为EPIC，后来改为PA-WideWord，后来英特尔称之IA-64，之后又改为安腾处理器架构（IPA），在提出英特尔安腾架构之前，该架构通常称为IA-64。这是明确且并发的64位寄存器架构。基础的数据长度为64个比特，并能提供定址，逻辑定址空间为2字节。该架构并能提供分支预测与预测运行。它使用硬件寄存器更名结构而不是简单的寄存器映射。这相同的结构也用于判断允许并发运行循环。这些能力是可以被编译器控制的：每个指令字包含许多此动作。这就是该架构的特点之一。

此架构提供128个整数寄存器、128个浮点数寄存器、64个单比特预测器与8个分支寄存器。而浮点数寄存器的长度高达82个比特而能够提供精确的运算结果5。

指令运行每个128位的指令字就包含三个小指令，预读机制可以在每个周期中从L1缓存中读取两个指令到管线。当编译器能够在这个机制上获得最大优势，处理器就能在每个周期中运行六条指令。该处理器在11个组群中有30个功能性运行单位。每一个单位能够运行指令集中的特殊子集，除非为了等候数据中止运行，否则每个单位就会每个周期运行一个指令。且并不是在一个组群的所有单位运行指令集的相同子集，而是共同的指令能在多个单位中被运行。这些组群包括：

六个一般的ALU、两个整数单位与一个移位单位

四个数据缓存单位

六个多媒体单位、两个平行移位单位、一个平行乘法器与一个组群计数器

两个浮点乘积累加器，两个“杂项的”浮点单位

三个分支单位

因此，编译器能时常聚集指令进入同时能运行的六个的组群。因为浮点单位运行一次乘积累加运算，当应用程序需要将相加数值做乘积，一个浮点指令就能运行二个指令的工作：这在科学处理中非常常见。当这种情况发生后，处理器就能在每个周期运行四个指令（4 FLOPS）。比方来说，800 MHz的安腾理论运算能力为3.2 GFLOPS，然后最快的安腾2，时钟频率为1.67 GHz的运算能力则达6.67 GFLOPS。

存储器架构安腾2处理器层次结构式的使用共享的缓存。档次1（L1）有16KB的指令缓存与16KB的数据缓存。档次2（L2）是256KB的统一型（指令与数据共用）缓存。L3也是统一型的缓存，不过大小从1.5MB至24MB不等。在256KB的L2缓存中包含了足够的逻辑电路来处理信号量就不需要使用到算术逻辑单元（ALU）。

主存则是通过总线联系至芯片组来访问。安腾2的总线最初称之为McKinley bus，不过现在通常直接称之为安腾总线。该总线的速度会因为新处理器的发布而显著提升。总线在每个周期传输2×128个比特，所以200 MHz总线的传输率达6.4 GB/s，而533 MHz的总线的传输率则是高达17.056 GB/s。

架构修改在2006年之前推出的安腾处理器一概支持IA-32架构来支持旧有的服务器应用程序，但是与同世代的原生x86来比性能是相当糟糕的。而在2005年英特尔开发出IA-32 EL软件模拟器来提供更好的性能。在Montecito，英特尔移除了IA-32的硬件支持。

虽然Montecito没有IA-32的能力，但是英特尔也在增强了一些功能在这颗核心上。该架构支持硬件多线程，也就是一颗处理器能够处理两个线程。当其中一个线程要去读写存储器时，另一个线程就运行指令。英特尔为了区分在x86处理器的超线程，在安腾称之为“稀疏线程”（Coarse multithreading）。稀疏线程搭配安腾架构所得的性能增进是显而易见的。英特尔也在该核心上支持硬件的虚拟化技术。虚拟化技术能够在性能损失降到最低时同时运行多个操作系统。除此之外Montecito也具备了分离式L2缓存，新增专用的1 MB L2指令缓存，原本256 KB的L2缓存则是变成数据缓存。

硬件支持系统支持在2007年，部分制造厂商提供搭载安腾2的系统，包含惠普，SGI、NEC、Fujitsu、Unisys、Hitachi与Groupe Bull。除此之外，英特尔也有提供机架提供给系统组装员建造安腾系统。惠普则是目前唯一一家业界中前四大服务器制造厂提供搭载安腾的系统，超过80%的安腾2系统是由惠普制造出来的。在2006年第一季惠普售出多达7200组安腾系统。左右系统的售价是取决于企业服务器与技术性运算的规模，平均一组系统造价约200,000美元。一般的安腾系统会搭载8颗以上的处理器。

Windows Server 2008 R2将是最后一款支持Intel Itanium架构的Windows Server操作系统，同时，SQL Server 2008 R2和Visual Studio 2010的下一代版本也将不再支持Itanium。

根据微软产品支持周期政策，Itanium版本Windows Server 2008的主流支持将在2013年7月9日终结，扩展支持将持续到2018年7月10日。

微软解释说，本周Intel、AMD都发布了核心数量创新高的处理器，很多服务器制造商也都宣布了采用8个或更多x64处理器的服务器，此类包含64至96个处理器核心的服务器也将如雨后春笋般不断增多。因此，微软决定逐渐淘汰对Itanium架构的支持。

据国外媒体报道，微软高级技术产品经理丹·雷格尔（Dan Reger）上周五通过官方博客网站称，新版Windows Server OS将不再支持英特尔的安腾处理器。雷格尔说，“Windows Server 2008 R2将是支持安腾的最后一个WindowsServer版本，SQL Server 2008 R2和Visual Studio 2010将分别是支持安腾的最后一个数据库和开发工具版本。”

这一消息对英特尔而言是一大挫折，英特尔一直在向服务器厂商推广安腾处理器。英特尔推出了最新款4核安腾处理器。Linux的其中一家发行商Red Hat 宣布，其新版Linux将不再支持安腾处理器。

市场研究公司Burton Group分析师尼克·辛普森（Nik Simpson）表示，微软在英特尔发布至强7500系列处理器当周宣布这一消息“并非巧合”，至强7500包含安腾处理器的高端可靠性功能，“对于微软而言，可靠性是其支持安腾处理器的唯一原因。安腾版Windows销量与x64版相比几乎可以忽略不计，因此不支持安腾处理器对微软业务影响不大”。

雷格尔表示，“x64架构的发展使得处理器和服务器能够满足目前的关键任务负载所要求的可伸缩性和可靠性”，微软将在2013年7月份前对安腾版软件提供主流支持，2018年7月份前提供延伸支持。

英特尔宣布将在未来4年提供至少2代安腾处理器——代号分别为Poulson和Kittson。惠普曾多次表示将支持安腾处理器。

微软的决定将引发对安腾处理器前景的新一轮质疑。辛普森表示，对于安腾处理器的前景而言，微软的决定“很严重，但并非是灾难性的，至少目前不是灾难性的”。大多数安腾处理器被用于惠普的HP-UX服务器中，但很快将只有数款企业级操作系统支持安腾处理器，其中包括Novell的Suse Enterprise Linux、Groupe Bull的GCOS，以及惠普的HP-UX和OpenVMS。

微软发言人证实雷格尔通过博客发布的消息是确切的。英特尔未就此置评6。

芯片组安腾的总线接口是靠芯片组来联系的。企业服务器制造厂区分系统的不同点，是在于开发设计不同的芯片组来链接处理器到存储器、内部链接还有周边控制器。这些芯片组在每个系统架构的设计中是非常重要的。目前而言，安腾的芯片组有惠普、Fujitsu、SGI、NEC、Hitachi与Unisys分别开发。IBM与英特尔分别于2003与2002年也有推出芯片组，但是他们并没有支持比较新的技术，像是DDR2或是PCI Express。

软件支持为了让更多的软件可以运行在安腾上，英特尔支持开发安腾平台的有效的编译器，特别是自身包的编译器英特尔Compiler。GCC、Open64与MS Visual Studio 2008（及后来版本）也都能够编译出安腾的程序。直到2007年，安腾支持的操作系统有Windows Server 2003、好几种的Linux版本（包括Debian、Red Hat与SUSE）、FreeBSD、惠普-UX、OpenVMS与惠普的NonStop。它也支持主机环境的GCOS还有一些IA-32的操作系统也能通过指令集模拟器在安腾运行。使用QuickTransit就能经由“动态比特转换”让IRIX（MIPS架构）与Solaris（SPARC架构）运行于安腾的Linux上。根据安腾解决方案联盟指出，在2007年初有超过一万个应用程序可以运行于安腾系统上，但是昇阳对此数字保持怀疑态度。而该协会也支持Gelato，一个安腾高性能运算用户组群与开发者社区之园开放源代码的安腾7。