AMD Opteron

超微要藉x86-64架構處理器，吹起企業用平臺反攻的號角
目標鎖定企業級應用
承先啟後的AMD64架構

美商超微（AMD）自1999年首度提出x86-64這項全新概念以來，經過漫長的等待，終於在今年4月22日發表第一顆兼容32位元和64位元運算環境的Opteron處理器。同時超微將x86-64技術命名為「AMD64」，正式向全球宣告64位元運算時代來臨。

Opteron是超微的第八代處理器，也就是大部分人俗稱的「K8」處理器。研發代號「Sledgehammer」的Opteron，採0.13微米製程核心、Socket 940架構，內建128kB第一階快取和1MB第二階快取，處理器外頻200MHz。時脈方面，目前推出的三款型號－Opteron 240、242、244，時脈分別是1.4GHz、1.6GHz和1.8GHz，支援1～2顆處理器，未來超微還會陸續推出支援單顆處理器的Opteron 1xx系列，及支援2～8顆處理器的Opteron 8xx系列。依照超微的計畫，Opteron處理器的定位將自高階工作站起始，一口氣橫跨前端（front-end）、中層（mid-tier）和後端（back-room）資料庫伺服器，鎖定的競爭對手是英特爾的Xeon處理器，並上打IA64架構的Itanium 2。

Opteron採用類似Pentium 4的mPGA封裝，在核心晶片上加裝金屬保護片，使得外觀看起來就像大一號的Pentium 4處理器，不過Opteron的主體材質為陶瓷，而非Pentium 4的塑膠，理論上散熱效果會比較好。Opteron的針腳數多達940根，比Pentium 4多上近一倍，密密麻麻的針腳看起來相當嚇人，所幸裝上插座並不會顯得吃力，不過由於處理器和插座上並沒有明顯的防呆指示，安裝時需注意腳位是否相符，避免不慎壓斷針腳。

自1985年80386處理器問世至今，近十多年來32位元運算平臺一直是市場標準，無論是個人電腦或伺服器，32位元運算平臺的佔有率皆在90％以上。既然32位元平臺這麼普遍，為什麼我們還需要64位元？目前32位元架構最大的問題，在於僅支援4GB的記憶體定址容量，過去或許還算夠用，近年來企業軟體如大型資料庫、ERP、CRM等應用，無不需要複雜的運算和大容量記憶體。64位元平臺可提供最大1TB的真實記憶體定址空間，以及256TB的虛擬記憶體定址空間，對伺服器的運算效率有極大的幫助。

Opteron是第一顆將64位元運算技術引進x86指令集架構（ISA）的處理器。它是以現有的x86為基礎，將內部資料暫存器寬度從32位元提升至64位元，用戶不但可以執行現有的32位元作業系統和應用程式，未來還能在不更動硬體架構的情況下，順利升級至64位元平臺。對企業來說，採用AMD64平臺最直接的好處就是在32位元轉換至64位元的過程中，能有效降低總體持有成本（TCO），並能獲得最大的投資報酬率（ROI）。處理器內建記憶體控制器
先進的HyperTransport技術

傳統南北橋架構的系統，記憶體控制是由北橋晶片所負責，因此北橋晶片又稱為Memory Controller Hub（MCH）。Opteron處理器另一項突破性的技術進展，就是將記憶體控制器由北橋晶片移至處理器核心，優點是在多處理器同時運作的環境下，每顆處理器都擁有專屬的記憶體通道，不會因為共享記憶體頻寬而導致效能受限。AMD 8000系列晶片組更是第一個採用雙通道DDR333 SDRAM架構，擁有伺服器領域當中最佳的記憶體效能。

由於記憶體直接由處理器控制，Opteron在多處理器架構下，採用「crossbar communication architecture」技術，簡稱Xbar。透過這項技術，每個處理器可透HyperTransport通道存取其他處理器控制的記憶體，以提高記憶體的使用率。

HyperTransport的中文可稱為「超傳輸介面」，嚴格說起來不能算是一項新技術，早在2001年2月，AMD就已正式對外發表HyperTransport，同年6月，繪圖晶片大廠Nvidia推出的第一款系統晶片組－nForce，南北橋之間的傳輸通道便採用HyperTransport技術。

作為一個系統內部晶片與晶片之間的傳輸通道，HyperTransport和傳統架構於PCI匯流排上的諸多技術相較，究竟有什麼不同之處？首先，HyperTransport是採用點對點（peer-to-peer）的串列傳輸模式，晶片與晶片之間採用兩個單向連接，每個方向的匯流排寬度可以是2、4、8、16或32位元，傳輸速度從400MHz到1.6GHz。相較於PCI匯流排，HyperTransport的傳輸速率不但快了許多，最重要的是晶片間的頻寬是專屬的，資料傳送時不會因共享頻寬而降低效率。

此外，HyperTransport的實體層和數據鏈路層採用低電壓差動式（LVDS）信號，主機板只需成本低廉的四層PCB板，同時還能減少晶片的接腳數和主機板上的布線，降低生產成本。總的來說，HyperTransport技術不但可以解決I/O介面間低速匯流排造成的效能瓶頸，還能進一步降低設計和生產成本，可謂一舉兩得。AMD 8000系列晶片組打頭陣

Opteron處理器發表同時，超微一併推出搭配Opteron的晶片組－AMD 8000系列，值得注意的是，這一系列晶片組和我們熟知的南北橋架構有很大的不同，它包含了三種不同功能的晶片，分別簡述如下：

AMD-8151
稱之為AGP 3.0 Graphics Tunnel的AMD-8151，功能近似北橋晶片。由於記憶體控制器已移至處理器內，AMD-8151的工作只剩繪圖控制部分，主要是提供AGP 8x顯示卡介面。它和處理器之間以一條16位元、6.4GB/s頻寬的HyperTransport通道相連，另外以一條8位元的HyperTransport通道和系統其他元件連接。

AMD-8131
又稱為PCI-X Tunnel的AMD-8131，內建兩條PCI-X匯流排通道，每條通道最多可連接5條PCI插槽，最多可擴充10組。同時支援64位元PCI-X介面和PCI 2.2規格，最大資料傳輸頻寬可達133MHz。AMD-8131同樣以一條16位元的HyperTransport通道和處理器相連結。

AMD-8111
亦可稱之為I/O Hub，功能和南橋晶片相同，整合Ultra ATA/133介面、32位元PCI介面、USB 2.0、AC97音效、10/100BASE-T網路、時脈控制器和APIC輸出入控制器等多項功能。AMD-8111是以一條8位元HyperTransport通道和處理器或其他晶片連接，雖然頻寬僅800MB/s，由於連結的多半是速度較慢的I/O裝置，事實上已相當夠用。

以上三組晶片不一定要全部使用，主機板廠商可視功能的不同，選擇AMD-8131加AMD-8111的伺服器解決方案，或單一顆AMD-8111的低成本入門級Opteron平臺，以及三顆晶片全部用上的高階工作站解決方案，運用上相當有彈性。

除了AMD 8000系列晶片組，使用者可以選擇的方案還有很多，幾乎所有叫得出名號的晶片組廠商都有推出Opteron相對應的產品。威盛（VIA）有K8T800和K8M800晶片組，揚智（ALi）有M1687＋M1563晶片組，矽統（SiS）有SiS 755和SiS 760，連繪圖晶片大廠Nvidia都在第一時間推出nForce3 Pro 150和nForce3 Pro 250晶片組。測試平臺採32位元架構

本次測試由AMD提供兩顆Opteron 244處理器，實際時脈1.8GHz，主機板則是由泰安電腦和華碩電腦提供。泰安送測的是Tyan S2880 Thunder K8S，晶片組架構為AMD 8131＋AMD 8111，支援兩顆Opteron處理器，主要用在伺服器；華碩送測的是Asus SK8N，採用Nvidia nForce3 Pro150晶片組，支援單顆Opteron處理器，內建AGP 8x介面，主要定位在工作站市場。

測試環境方面，由於支援Opteron平臺的64位元Windows作業系統仍未推出，加上目前98％以上的用戶執行的仍是32位元作業系統和應用程式，故本次僅測試Opteron 平臺在32位元環境下的效能，作業系統採用32位元的Windows XP Professional英文版。測試平臺分別是安裝兩顆Opteron 244處理器的Tyan S2880 Thunder K8S，以及安裝單顆Opteron 244處理器的Asus SK8N，記憶體皆安裝4條256MB的Apacer Registered ECC PC2700 SDRAM。

本次測試的重心放在子系統效能部分，我們採用SiSoftware Sandra Standard MAX3!和SuperPi這兩套專門測試核心元件運作效能的軟體進行測試。SiSoftware Sandra是業界相當知名的綜合型測試軟體，範圍幾乎涵蓋所有電腦元件的測試，本次測試擷取其中三項。CPU Arithmetic Benchmark測試的是處理器核心的算術邏輯和浮點運算能力；CPU Multi-Media Benchmark是測試處理器的多媒體運算能力，分為整數及浮點運算兩項成績；Memory Bandwidth Benchmark則是測試記憶體的傳輸頻寬，同樣透過整數及浮點運算兩部分，以MB/s為單位，測試每秒通過記憶體的資料量。SuperPi是由東京大學的Kanada Lab所撰寫的系統測試軟體，利用不斷計算圓周率的公式，衡量處理器的效能和系統的穩定性，我們以最常用的1MB單位模式，求出系統計算所需的時間，數字是越低越好。

從SiSoftware Sandra Standard MAX3!測試結果中可以看出，Opteron 244的實際時脈只有1.8GHz，在32位元平臺下的測試分數卻都能領先同時脈的競爭對手一大截，雖然還是落後競爭對手的頂級產品，表現已是可圈可點。SuperPi的測試中，兩組測試平臺皆有50秒之內計算完成的功力。我們也嘗試連續不間斷以SuperPi運算8小時以上，兩組測試平臺皆能順利完成測試，沒有任何當機或錯誤產生，證明Opteron處理器在32位元平臺下不僅能順利執行高速運算，還能保持良好的穩定性。軟體的支援度是成敗關鍵

Opteron處理器兼容32位元和64位元運算的架構，堪稱是電腦發展史上的一項劃時代創舉。不過話說回來，這麼先進的硬體設計，如果沒有好的軟體支援，恐怕也只能徒呼負負。目前僅Linux陣營有支援Opteron處理器的作業系統，分別是SuSe Linux for AMD64和Trubo Linux for AMD64，所幸微軟已經表示，Windows XP 64bit Editon for AMD64和Windows Server 2003 64bit Editon for AMD64已經在加緊開發當中，相信不久就會問世。一旦有完整的作業系統和應用軟體支援做後盾，再加上價格優勢，屆時肯定會對英特爾主導的32位元伺服器市場帶相當大的衝擊。文⊙張智鴻