超能课堂(74)：纪念即将被遗忘的AMD“推土机”模块架构
武林高手修炼的一定境界往往会觉得高处不胜寒，因为能跟他匹敌的对手越来越少，哪怕双方正反立场不同，英雄豪杰也会惺惺相惜。Intel现在高端处理器市场上少了AMD这个对手，他们会怀念双方你争我夺的“美好时光”吗？这个就只有Intel自己知道了，过去的几年中AMD的“推土机”模块化架构高喊着革命口号出生，但并没有把Intel拉下马，反倒溅了自己一身血，AMD在高性能处理器市场沉沦了将近5年了。
如果往前数10多年，AMD凭借K8“大锤”处理器也是阔过的，Intel当年在奔腾4时代被AMD“教做人”，充分体验到了“高分低能”的感觉。但是Intel对AMD来说是巨无霸一般的存在，即便是AMD处理器叫好又叫座，Intel公司CPU一哥的地位依然无人动摇，而且他们有足够的实力翻盘，Core处理器横空出世之后，Intel重新逆转了对AMD处理器的性能优势，在K8之后AMD推出的K10处理器遭遇了bug及制程的双重困扰，整体表现要比K8平庸多了，眼睁睁看着Intel华丽转身。
作为一家营收不足Intel公司1/10的“小公司”，AMD公司的斗志以及创新精神让人敬佩，在HT总线、DDR内存、多核处理器等技术上敢为人先，而在64位X86指令集上更是让Intel低头认输，直到现在这个胜利都是AMD最为骄傲的成绩之一。因此在K10架构之后，AMD呕心沥血研发的”推土机“模块化架构让玩家产生了极大的期待，笔者当年在推土机架构前瞻一文中希望AMD能借该架构实现对Intel的复仇，重现K8的辉煌。
但是，最后的结果大家现在都知道了，推土机架构处理器就像是跳水运动员一样，起点很完美，但入水时浪花太大而扑街，实际表现不尽如人意。这次高开低走也让AMD心灰意冷，推土机架构在桌面市场小幅升级到第二代Piledriver打桩机架构之后就草草结束FX处理器更新，后面两代架构只在Kaveri及Carrizo两代APU上出现，桌面版到现在为止差不多5年没升级了。
AMD模块化架构推出了四代，后面两代只用于APU
从2011年FX-8150发布到2015年Carrizo APU问世，AMD的模块化架构一共出了Bulldozer推土机、Piledriver打桩机、Steamroller压路机及Excavator挖掘机四代，其中前两代用于FX及APU处理器，2012年之后AMD就不再升级FX系列的架构了（产品型号倒是有升级），Steamroller压路机及Excavator挖掘机只有APU上才有用，制程工艺也只从32nm升级到28nm，而Intel在这几年中一直升级了SNB、IVB、Haswell、Broadwell及Skylake等处理器，制程工艺也从32nm一路升级到22nm、14nm及最新的14nm Plus。
今天的超能课堂中我们来回顾下AMD模块化架构6年来走过的路，无论大家对它以往的评价如何，现在都不重要了，因为我们都知道它已经是过去时了，AMD即将在Q1季度推出Ryzen处理器，全新的Zen架构、14nm LPP工艺以及AM4平台使得Ryzen更有吸引力，它身上也没了“推土机”架构的影子，从内核到缓存都重新设计了。
AMD四代模块化架构规格一览
Bulldozer推土机：模块化架构之始，AMD不走寻常路
AMD推的第一代模块化架构就是Bulldozer推土机，以至于“推土机”都成了AMD整个模块化架构的代名词。在推土机问世之时，其架构确实有很多革命之处，包括全新的SSE5指令集、模块化多核、弹性浮点单元等设计有其独到之处，也有让人耳目一新的感觉。
推土机开始使用模块化多核架构设计
笔者在之前的分析文章中有过推土机架构的详细分析，这里不再赘述架构设计，当时AMD对多核多线程的设计走的是物理多核，不同于传统的SMT同步多线程，推土机的模块化多核被称为CMT物理多核，其设计意图就是希望通过2个整数单元、1个共享浮点单元解决实际使用中整数多于浮点的过程，理论上这种设计要比SMT多线程更有效率。
推土机架构产品中，旗舰型号是FX-8150，号称首款桌面8核处理器，频率3.6-4.2GHz，支持DDR3-1866，8MB L3缓存，规格比Intel当年的SNB旗舰Core i7-2600K还要高，只不过125WTDP功耗高于后者的95W，毕竟核心数比SNB还是多了一倍。
但是在最终的性能表现上，推土机并没有实现AMD的期待——2011年早些时候Intel推出了SNB处理器，在与SNB的对比中8核推土机除了在多线程上凭借核心多一倍略有优势之外，单线程性能上被SNB处理器完胜，在延迟、内存带宽等方面也不如Intel处理器。
更重要的是，AMD的推土机使用的是GlobalFoundries的32nm SOI工艺，虽然同期Intel SNB处理器也是32nm工艺，但8核推土机核心面积高达315mm2，晶体管数量才12亿，Intel 4核SNB处理器核心面积216mm2，晶体管数量11.6亿，而且后者还是包含GPU核心在内的。
最终的结果就是8核推土机架构在技不如人的情况下，发热、功耗控制更是不如SNB处理器，而GF的32nm工艺产能、良率当时也不给力，多重因素制约下，推土机首发表现很难让市场认可，消费者并不买账，唯一值得“炫耀”的就是AMD FX-8150处理器价格只要200美元左右，比Intel 4核Core i7便宜50%左右，性价比是AMD仅存的优势了。
Piledriver打桩机：AMD修补推土机，创高频记录
第一代模块化架构推土机并没有一鸣惊人，AMD在第二代模块化架构“Piledriver”中对推土机架构做了修补，2012年10月份正式推出了Vishera平台，AMD在此基础上不仅推出了FX-8150的继任者FX-8350，还衍生出世界首款5GHz处理器FX-9590，还有TDP降至95W的FX-8370E/8320E处理器。
AMD第二代模块化架构Piledriver
相比第一代的Bulldorzer架构，Piledriver打桩机硬件单元变化不大，主要提升了一倍的L1 TLB单元、新增HW Divider硬件分配器、改善了S/L操作效率、提升了L2缓存效率及预测精度、优化了整数及浮点单元调度，增加了FMA4、BMI、CVT16、TBM等指令，整体上是对推土机架构小修小补，目的是提高架构效率，降低能耗。
从AMD资料来看，Piledriver相比Bulldozer架构减少了10%的动态功耗，同样的电压下大幅提升了CPU频率空间，以FX-8350为例，同样是在125W TDP下，其基础频率从FX-8150的3.6GHz增加到了4GHz，加速频率4.2GHz。
Piledriver这一代中AMD同时在高频率及低功耗上出击
Piledriver架构效率的提升使得AMD在扩展新品上有了更多灵活性，TDP增至220W的情况下，他们推出了号称世界首款5GHz频率的FX-9590处理器，而同样是8核配置下又推出了TDP降至95W的FX-8370E/8320E处理器。遗憾的是，AMD这两波产品都没有获得市场认可，消费者并不买账，AMD后面索性不再折腾FX系列处理器了，从Piledriver架构之后事实上放弃了FX产品线，新品升级都没了。
除了略显悲催的FX系列处理器之外，Piledriver还用在了Trinity APU上，第一代Llano APU因为时间关系没赶上推土机架构，使用的还是K10架构CPU核心，Trinity直接上了第二代模块化架构。用于APU的Piledriver架构砍掉了L3缓存，核心数也从8核降至4核，还增加了GPU核心，TDP功耗也降至100W以内。
AMD的第二代模块架构Piledriver改善了推土机架构的效率、功耗，但并没有根本性变化，并不足以扭转AMD的困境，相反Intel当年推出了22nm工艺的IVB处理器，而且用上了FinFET工艺，GlobalFoundries的32nm SOI工艺即便成熟起来了，AMD跟Intel之间的性能、功耗差距实际上越来越大了。
Steamroller压路机：AMD弃守高性能平台，工艺升级28nm
Piledriver在FX系列处理器上的失利让AMD放弃了高性能平台，高端市场已经无力再跟Intel对干，8核打4核、定价更低的情况下依然无法获得玩家青睐，AMD第三代模块化架构Steamroller索性只用在了Kaveri APU上。
Kaveri APU上使用了Steamroller架构CPU核心
早前AMD官方路线图中表示Piledriver的重点是优化效率，Steamroller才被视作性能增强版，发布之前官方及小道消息都在强调Steamroller架构性能有明显提升，比前代提升至少30%，甚至可以对标Intel的Haswell架构，这才是模块化架构本来应该有的样子，之前的架构名不副实。
Kaveri的最终成品是我们之前已经熟悉的A10-7850K及后续衍生出来的A10-7870K等，其CPU使用了4个Steamroller核心，AMD增加了L1数据缓存到96KB，整数单元拥有独立的解码单元，分支预测更有效率，增强了指令的数据预取性能，核心思路还是提高单核执行能力，推动每瓦性能比进一步提升。
具体到产品上来看，Kaveri APU除了CPU、GPU架构升级之外，内存频率也提升到DDR3-2133MHz，支持了PCI-E 3.0，而且制程工艺也从之前的32nm SOI升级到了28nm SHP，AMD从这一代节点开始放弃SOI工艺，而28nm虽然也不是最适合CPU的高性能工艺，但AMD已经顾不了这么多了，现在的重点是APU产品线，FX系列已经不闻不问了。
Kaveri在AMD APU产品线表现算是很不错的了，CPU、GPU架构及工艺升级使之具备更好的性能、功耗表现，虽然CPU性能依然不能跟Intel同代相提并论，但凭借GPU的优势，Kaveri战战Core i3或者部分Core i5处理器还是可以的，能满足一般家庭使用。
不过AMD最大的问题还是出在自己身上，Kaveri自身进度一拖再拖，发布时间从2013年推到了2014年初，真正铺货时间更晚，而后续产品又出现了脱节，导致了AMD在2015年又用Kaveri Refresh硬撑一年，这就到了Carrizo一代了。
Excavator挖掘机：模块化架构最终体，DDR4/AM4又晚了
时间到了2015年，AMD在台北电脑展上正式发布了Carrizo APU，相比Kaveri升级到了第四代模块化架构Excavator挖掘机，制程工艺还是28nm SHP不变，但这一次AMD继续挖掘工艺潜力，在核心面积从245mm2仅仅增加到250mm2的情况下提高了晶体管密度，31亿晶体管要比Kaveri APU的24亿多了29%。
Excavator架构重点是优化工艺密度、降低功耗
在Excavator架构上，AMD的重点还是继续优化效率，降低功耗，从Steamroller压路机的高性能库转向高密度库设计，换来的好处就是同样的28nm工艺下，CPU内核面积可以减少23%，功耗更低，自适应电压技术的加入减少了10%的电压波动，泄露减少了18%，同样的功率下频率可提升10%，或者同样的频率下减少20%的功耗。
另一方面，Excavator架构还增加了新技术、新规范支持，支持AVX2指令集，还有DDR4内存，其中Carrizo桌面版中的A12-9800频率从之前的3.7-4.0GHz提升到了3.8-4.2GHz，TDP功耗反而从95W降低到了65W。
可惜的是，Carrizo的Excavator架构虽然日趋成熟，但AMD在进度上一直不尽如人意，Carrizo 2015年推出了移动版，桌面版本该稍后，但还是各种延期，直到2016年9月份才算是正式发布桌面版，支持DDR4和AM4平台还是挺有新意的，但是AMD的AM4平台又因为Zen处理器延期，Carrizo桌面版发布了也没啥存在感，直到现在你也无法在零售渠道买到A12-9800处理器，更没有AM4平台主板可用。
考虑到Ryzen处理器即将在Q1季度问世，恐怕AM4平台解决了，大家对Carrizo桌面版APU也没啥兴趣了，因为Ryzen处理器更值得期待。
总结
从Bulldozer推土机开始，AMD的模块化多核架构先后衍生出Piledriver打桩机、Steamroller压路机和Excavator挖掘机四代，制程工艺从32nm SOI升级到28nm SHP，功耗、发热及性能也越来越成熟。但是回头来看，AMD模块多核的理念最终是镜中花水中月，并没有如最初期待的那样对X86架构进行革命，反倒是让AMD在这5年中彻底败走高性能处理器市场，徒留Intel寂寞沙洲冷。
AMD的模块化架构失利有多方面因素，制程工艺上AMD还要受到GlobalFoundries的掣肘，后者在32nm SOI、28nm及FinFET工艺上磕磕绊绊不断，直到全盘使用三星的14nm FinFET工艺之后才算稳定下来。
不过AMD自身原因才是根源，四代模块架构即便性能打不过Intel，但也不至于混到这般下场，公平地说推土机等架构在多线程性能上还是值得一战的，但AMD各种进度延期导致它们并不能在合适的机会问世，就算是玩田忌赛马策略，好歹也要几匹马上场才行啊！
只是这些话都没意义了，过去5年中推土机架构不论是有功还是有过，现在它们都走到了生命尽头了，同样拖延很久的Zen架构很快就要来了，AMD完全放弃了推土机架构中的物理多核思路，重新回归SMT多线程，CPU内核、缓存系统也重新设计，模块多核已经没多少存在感了。
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