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Nehalem微架构

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Intel Nehalem (发音：/nəˈheɪləm/[1]) ，是Intel研发的中央处理器微架构之代号，该架构取代了前代的Core微处理器架构。[2] 使用Nehalem架构的微处理器采用45纳米制程（后期改用32纳米制程），在2007年的Intel开发者论坛上Intel官方展示了一个采用两颗Nehalem微架构的处理器的系统平台。首款采用Intel Nehalem架构的处理器是2008年11月正式发售的桌面型处理器Intel Core i7。[3]

Nehalem
产品化2008年11月11日，​15年前​（2008-11-11）
设计团队Intel
生产商
指令集架构MMX、SSE、SSE2、SSE3、
SSSE3、SSE4.1、SSE4.2、x86、
x86-64、EM64T、EIST、
XD bit、AES
制作工艺/制程45nm
核心数量2 个至 8 个
一级缓存64KB（每核心）
二级缓存256KB（每核心）
三级缓存4MB～12MB（各核心共享）
CPU主频范围至 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
封装
  • LGA（桌面平台、服务器平台）
  • PGA（移动平台）
应用平台服务器、工作站、台式机、笔记本电脑、超级计算机
核心代号
  • 服务器平台：
    Beckton
  • 服务器平台：
    Gainestown、Jasper Forest
  • 服务器平台：
    Bloomfield、Jasper Forest、Lynnfield
  • 桌面平台/服务器平台：
    Bloomfield、Lynnfield、Jasper Forest 、Havendale（已取消）
  • 移动平台：
    Clarksfield、Auburndale（已取消）
使用的处理器型号
上代产品Core
继任产品Westmere

Intel在Pentium 4时代也使用过“Nehalem”的代号，该代号曾使用于NetBurst微架构的10Ghz版本之Pentium 4微处理器，后来改计划取消。Nehalem微架构尽管与Netburst架构不是同一个时代的产物，但是两者之间有一些共同的技术和特点，如超线程、较高的默认主频等。尽管Nehalem架构的微处理器默认主频普遍较高，但能效比依然比Core微架构的制程改进版Penryn微架构的微处理器要高。2011年1月，Intel Nehalem微架构由其下一代微架构Intel Sandy Bridge所取代。

Intel Nehalem的架构设计有不少地方与AMD K10类似（譬如每核心独立电压及主频等），但要比AMD K10的性能更佳、能耗更低。AMD后来也推出K10的改进版K10.5来与Intel的Nehalem竞争。

技术特点

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原生四核心的Nehalem微架构

集成北桥

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全部型号的微处理器核心都集成了存储器控制器，一般支持双通道DDR3 SDRAM，消费级产品最高支持三通道DDR3 SDRAM，而服务器平台则可以支持四通道DDR3 SDRAM；除此以外还处理器核心还集成了PCI Express 2.0控制器。

直连式总线

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从Nehalem微架构开始，Intel改用QPI/DMI直连式总线，放弃了传统的FSB。首发的Core i7使用了新的“Quick Path Interconnect”直连式总线，与AMD的HyperTransport相似。

相比FSB，每一个处理器都可以有独立的QPI通道与其他处理器连接，处理器之间不用再共享FSB带宽，并绕路到北桥才能通信。此外，QPI是双向传输[4]。

后来发布的Core i5、i3，处理器内部仍使用QPI，但与外部芯片组连接则使用与QPI类似但较QPI的带宽小的DMI（Direct Media Interface）总线。

随着FSB的‘卸任’，一般意义上的‘外频’概念由‘基准时钟频率’（BLCK）所取代。[5]

模块化的多核心设计

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处理器采用模块化设计[6]。例如核心、存储器控制器、以至输入输出接口控制器，都能够以不同的数量配搭，而且都能做到原生多核心设计。这样使得Nehalem架构的处理器产品线可以做成双核心、四核心、六核心乃至八核心、十核心（仅见于Xeon E7）[7]，可以使到产品更容易针对不同市场。与AMD K10微架构类似，每一个模块都可以有独立的电压和独立的主频，让处理器在不同负载水平的性能最大化的同时更省电。

二级分支预测器和新的转译后备缓冲器（Translation Lookaside Buffer，TLB）。

超线程

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主条目：超线程

超线程技术回归：部分处理器型号支持超线程的技术。消费级市场发售的最高六核心，十二线程，企业级的更达到八核心，十六线程甚至到后期的十核心，二十线程。不仅多线程处理能力加强，Intel认为该技术还能最多提升处理器30%的性能。

缓存

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多级缓存：每核心64KB的L1缓存（32KB指令缓存+32KB资料缓存）；每核心256KB的L2缓存，虽容量大小较Core微架构的小但拥有更低的读写延迟值；与AMD K10一样，Intel Nehalem微架构的处理器都内置L3缓存，每一个处理器共享最小4MB至最大12MB（企业级处理器更达到30MB）。

性能、电源管理

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性能动态调节和电源管理：中高阶型号的处理器会支持Turbo Boost（港澳地区没有正式官方中文名称，台湾官方中文名称为‘涡轮加速’，中国大陆官方中文名称为‘睿频’。其后该技术更名为Dynamic Speed，动态主频[8]）动态主频调整技术，倘若有程序使用较多的处理器负载，处理器的频率可以按步骤提升，此外，可以自动往上提升倍频[9]该功能基本不需要操作系统的支持，完全由硬件监控[10]。除了主频管理，电源管理方面引入Power Gates技术，核心闲置的时候可被关闭。对比上一代的Core架构，的核心电阻可以被关闭，电流可以完全不通过核心。各个处理器核心可运作于不同的频率和电压[11]。Turbo Boost及Power Gates功能都是由同一个单元提供，占去大约一百万个晶体管[12]。而AMD K10及后来的改进版K10.5，核心必须手动才能关闭。

指令集

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指令集更新：SIMD指令SSE4的版本会提升为SSE 4.2，SSE4.2在SSE4.1（于Core架构上）的基础上新增了7条指令[13]；引入第二代Intel虚拟化技术，支持EPT（Extended Page Table，扩展标签页表）、VPIDs（virtual processor identifiers，虚拟处理器标识）以及非屏蔽中断窗口退出（non-maskable interrupt-window exiting）。[14]Intel Nehalem架构的原子操作延时降低了50%，在试图限制原子的开销上。[15]

搭配芯片组

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芯片组方面，Intel推出了5系列芯片组与之搭配，桌面平台有P5*、H5*、X5*等系列型号，其中P5*、H5*系列型号采用LGA1156插座，X5*采用LGA1366插座。代号Bloomfield的Core i7和后期第二批的Intel X58芯片组（允许更变倍频）的组合再次提升Intel平台的超频极限。核心代号Lynnfield的Core i5所使用的芯片组，更名为“PCH”（Platform Controller Hub，PCH，集成了一部分北桥和整个南桥），取代以往分离的北桥芯片和南桥芯片，成为单片机组。[16]早期，处理器核心的电压与系统存储器同步。此前，Intel官方表示首批处理器产品会支持DDR3-800和DDR3-1066规格的存储器。对于DDR3-1333，由于处理器只可以接受较低的电压水平（限制在1.65V或以下），高速的存储器意味着需要较高的电压，所以此规格的官方支持仍然存在疑问[17]。后来第二批X58芯片组主机版上，处理器核心电压与系统存储器电压可以实现异步，方便用家超频[18]。另外，原先只有XE版本处理器可以调整存储器频率。后来Intel修改为所有上市的Core i7处理器，均可以修改存储器和QPI总线的频率[19]。

性能和能耗之改进

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尽管核心面积比Core架构要大不少，性能较Core架构系列则仍大幅提升，并没有令市场期望失望。[20]

与Core架构的45纳米制程版本Core相比，Nehalem架构：

  • 在相同的能耗下比Core架构的单线程性能高出10%至100%；
  • 同样的性能下的能耗平均比Core架构的低30%；
  • 每核心每时钟周期的性能平均比上代架构高12%至20%。

核心及其步进

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核心数量（存储器通道数量、其他总线） 制程 芯片面积 CPUID Model 步进 移动平台 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（双通道、PCIe） 45 nm 296 mm² 106E4
106E5		 30 B0
B1 		Clarksfield (80607) Lynnfield (80605) Jasper Forest (80612)
双核心（双通道、PCIe、内置显示核心） 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)
双核心（双通道、PCIe、内置显示核心） 32 nm
45 nm		 81+114 mm² 20652
20655		 37 C2
K0 		Arrandale (80617) Clarkdale (80616)
  • 极致性能级别的处理器无倍频限制；
  • 全部微处理器使用133MHz的基准时钟频率。

处理器列表

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主条目：Intel Core i7、Intel Core i5、Intel Core i3、Intel Pentium和Intel Xeon

继任微架构

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Intel遵循Tick-Tock策略，于2011年第一季度发布了Intel Sandy Bridge微架构，正式取代Intel Nehalem微架构以及其制程改进版Intel Westmere微架构。

 
Intel的微处理器架构路线图，从 NetBurst以及P6至Tigerlake

参考

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

外部链接

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