為何如此能超頻?解讀推土機CPU背後設計實力

聚焦推土機CPU強悍超頻能力

在2011年10月中旬，AMD發布了旗艦級CPU產品推土機（Bulldozer）FX系列處理器，除了用戶關心的絕對性能之外，推土機FX系列處理器強大的超頻能力一直是業界關注的焦點。推土機CPU為什麼擁有如此強大的超頻能力？為什麼AMD需要讓這款產品成為新一代的超頻明星？在CPU超頻世界紀錄頻頻被推土機CPU打破之時，我們也開始尋找一些隱藏在這顆CPU設計過程中的蛛絲馬跡。

推土機FX處理器將採用「Bulldozer」微架構，全系列包含8核、6核以及4核處理器，其超強的可超頻能力，全系列處理器均不鎖頻和豐富的指令集支持。推土機系列人氣最高的莫過於FX-8150處理器，其8核處理器將成為目前業界唯一的面向臺式機的8核心處理器。

推土機FX處理器擁有強勁的超頻能力

推土機（Bulldozer）是AMD全新微處理器架構。「推土機」將採用32nm SOI工藝，採用了「模塊化（Module）」的設計，每個「模塊」包含兩個處理器核心。每個Bulldozer Module將會集成2M L2緩存， 8MB的L3緩存，核心面積為30.9平方毫米。

推土機FX系列處理器的超頻能力讓每一個AMD用戶非常自豪，早在2011年AMD就已經對外宣稱其推土機FX系列處理器產品在製冷足夠的情況下將「有著令人驚喜甚至不可思議的表現」。事實也證明了這一點，熟悉或者關注DIY超頻領域的用戶應該，早在兩年之前CPU主頻的世界紀錄就突破了8GHz的大關，去年這個世界紀錄的具體數字是8.308GHz，而現在，AMD的FX-8150已經將記錄再一次改寫並得到了金氏世界紀錄組織的認證，近期的CPU主頻世界紀錄是由AMD的FX-8150在2011年8月31日創造的8.429GHz。

推土機FX處理器正在創造更多超頻奇蹟

就在去年底，這一超頻紀錄再次被推土機系列CPU自己刷新。上圖為臺灣著名超頻玩家Andre Yang現在又取得了8461.51MHz的更好成績。和AMD官方的做法類似，Andre Yang也使用了頂級型號FX-8150，同樣屏蔽成了單模塊雙核心。根據CPU-Z認證頁面的信息，這顆處理器的外頻超到了272.95MHz，倍頻為31x，核心電壓已經加至1.992V，幾乎突破了2V，而主板是推土機御用的華碩玩家國度Crosshair V Formula，內存使用海盜船的一條2GB DDR3，頻率909.8MHz，時序9-9-9-24。

更長流水線帶來更大頻率潛能

從架構來看，推土機是一款使用了全新架構的CPU，同時AMD歷經長時間大規模重新開發讓推土機和以前的所有CPU有極大的區別——推土機每一個整數單元有兩個浮點單元包圍，我們可以理解它是一顆自然的超線程處理器。作為AMD耗盡心血研發的新一代CPU，Bulldozer堪稱K8之後的最大革新（K10架構只能算K8的增強版，架構變化並不多），它改變了傳統CPU的設計思路，將CPU模塊化，每個模塊又可細分為兩個微內核，這兩個微內核相互獨立而又高度共享浮點單元、L2緩存等功能單元。

推土機架構CPU每個內核自帶雙整數單元

得益於對CPU內核的徹底重新設計，AMD開始大手筆改變推土機CPU的流水線，AMD從K8架構也就是Athlon 64處理器開始將流水線提升到12級，這在當時是一個較為平衡的設計，它遠低於Intel為了衝擊頻率高峰而達到的32級；其後Phenom II X4處理器為了提升頻率將流水線提升到14級，而到了推土機Bulldozer FX系列處理器，流水線通過添加堆棧、寄存器等訪問過程達到了18級。

CPU的流水線可以被比喻為「樓梯」，不管採用幾級流水線，一個周期內所達到的高度都是一個樓層的高度。也就是說樓梯採用的階數越多，坡度越小，同時路程也越長；這樣對於構架一定的情況下，樓梯的階數必然有一個最佳值，流水線太長會導致分支預測失敗後流水線重新載入代價太大，但是流水線太短又會導致CPU難以提升到理想運行頻率。

流水線對於頻率提升至關重要

眾所周知，Pentium 4正是在流水管線上的加長設計，使之能夠達到如此之高的主頻，雖說流水管線的加長會導致數據在管線逗留的時間增長，導致數據出錯的可能增加，一旦一個數據出錯，其結果就在於整個運算步驟都將重新來過，這樣就會造成處理器處理性能的降低。但依靠高效的分支預測體系和Cache機制就可以改善這一點。AMD經過多年探索，認為在多核心之路上仍然不能放棄單核性能，更不能因為提升頻率而放棄效率，所以最終將推土機Bulldozer FX系列CPU流水線確定在18級，保證了頻率和效率的平衡。

所有推土機FX系列處理器都支持Turbo Core自動超頻技術

所以最終產品推土機CPU的頻率也是非常值得欣喜的，我們可以看到推土機CPU依靠較長的流水線工位推升了運行頻率達到穩定運行3-5GHz。AMD首批發布的四款CPU型號分別為FX-4100、FX-6100、FX-8150和FX-8120，全部都採用了不鎖倍頻設計。

推土機CPU在頻率方面的努力還遠不止默認頻率的提升，通過Turbo Core技術，用戶能夠在日常工作中獲得更高的CPU核心運行頻率。我們用簡單的總結可以將Turbo Core技術的原理闡述清楚：利用P-State電源管理狀態切換。我們可以通過FX系列處理器的規格表格來了解一下全系列推土機FX處理器的Turbo Core情況。

32nm工藝助力提升極限頻率

與Intel相比，AMD在32nm方面的技術同樣是非常完美的。AMD全球晶圓代工廠Global Foundries在90nm時代就和IBM展開了深入的合作。在今年初，GlobalFoundries與IBM再次達成了協議，利用現有資源和工廠共同生產32nm處理器。面對來勢洶洶的Intel，IBM和GlobalFoundries終於攜起手來，從技術和產能兩個方面為AMD的APU和推土機處理器提供全方位支持。

GlobalFoundries生產的AMD 32nm工藝晶圓

製造工藝的改進理論上可以帶來功耗的降低，使得產品的默認時鐘頻率可以更高，直接提升性能。相對於45nm工藝，AMD所使用的32nm工藝的NMOS和PMOS電晶體漏電量大幅度很多，如果晶片電晶體數量相同，32nm工藝同比封裝尺寸僅是45nm工藝產品的70%。由於上述改進，電路的尺寸和性能均可得到顯著優化。這種電晶體可以承受最高的驅動電流，並可以提升極限開關速度，配合應變矽SOI技術有效降低發熱。

新的推土機FX系列處理器採用的是最新的32納米製造工藝，在此之前的Llano APU其實也同樣採用了相同的工藝技術。讓我們換位思考一下，如果不採用32納米技術，那麼我們將看到極高的功耗和無法控制的晶片面積，所以32納米就成為必然。

推土機使用了先進的32nm工藝

推土機採用GlobalFoundries的32nm新工藝（之前還一直維持在45nm）， 除了SOI（Silicon On Insulator，絕緣矽）技術外，HKMG（高K金屬門）工藝也被首次採用。使用HKMG工藝的好處是可以減少柵極的漏電量，降低柵極電容，這也是繼續提高製程的關鍵技術之一。除此之外，11個銅金屬層和低K電介質、基於矽鍺的拉伸矽、第二代沉浸式光刻等技術也悉數在列，目的就是為了進而使得電晶體的尺寸進一步縮小，減小核心面積，降低整體功耗，提升頻率潛力。

不鎖倍頻享受更輕鬆超頻過程

傳統的CPU為了限制用戶自主超頻，在倍頻方面幾乎是無法調整的，即便擁有調整餘地也只能向下設置以獲得更低功耗。AMD自從Athlon X2黑盒時代打破這一格局，推出了可以向上調節倍頻的CPU，以便為用戶提供更強的超頻潛力，同時更小幅度影響到周邊硬體設備，在工藝成熟的背景下提供這種增值服務，也讓我們看到了AMD對自家CPU產品的質量信心十足。

超頻玩家通過液氮助力推土機達到8.335GHz高頻

我們知道CPU總頻率=外頻X倍頻，由於CPU的外頻調節經常伴隨著內存頻率、北橋總線、PCI-E頻率等一系列頻率發生變化，所以大部分被鎖定倍頻的CPU在超頻過程中會影響到內存、顯卡、硬碟等硬體的穩定工作，超頻幅度被限制。下圖中我們看到的是某款990FX系列主板BIOS設置界面，第一項CPU Clock Ratio就是倍頻調節選項，直接在這裡設置比率，就可以在外頻不變的情況下獲取更高的核心頻率。

推土機搭配990FX主板擁有豐富的超頻選項

由於取消了倍頻調整的限制，推土機CPU超頻更加輕鬆，在超頻過程中對內存、PCI-E頻率的影響更小。推土機FX-8150的超頻選項和以往的羿龍II沒有什麼區別，在990FX主板上能夠調節的選項主要有倍頻、外頻、CPB倍頻、內存頻率等，相對基本上沒有什麼改變，用戶可以通過修改倍頻為主要方式進行超頻。

風冷超頻到4.5GHz的推土機FX-8150

電壓選項方面，目前市面上的高端990FX主板提供CPU PLL電壓、內存電壓、CPU NB電壓和CPU電壓等多種選項，調節步進精細，調節範圍也比較足，我們通過提升PLL電壓和CPU電壓來配合超頻。上圖中我們看到推土機FX-8150最終在1.31V電壓下穩定超頻到4.5G的水平，超頻幅度達25%，可以通過AIDA64的3分鐘穩定性測試，此時西洋棋成績為13759，相比默認頻率成績提升約17.3%。

在32nm工藝的全方位配合下，通過改變CPU邏輯架構，加上完全不鎖倍頻的設計，AMD為高端DIY玩家帶來了一款超頻潛能極強的CPU。從目前的媒體與用戶測試情況來看，推土機CPU的體制不同，極限頻率也不同，推土機架構普遍超頻能力比較強，風冷可以穩定達到4.5GHz左右，而配合AMD官方水冷可以穩定達到4.9GHz以上。按照關節能、調外頻、倍頻、升CPU電壓、主板相關供電設置的順序調節可以很輕鬆的實現超頻。