Sandy Bridge发威 4款至强E3处理器横评

　　按照Intel著名的时钟规律??Tick-Tock来看，Sandy Bridge明显属于后者，也就是Tock范畴。Tock主要是指处理器微架构方面的改变，而核心工艺的上一次升级已经由我们熟悉的Westmere完成了，下一次22nm的升级还要再等等才行。

　　在进行系统的分析之前，我们先来看看最新的至强Sandy Bridge处理器路线图。相比以往的产品来说，Sandy Bridge至强处理器采用了与桌面级酷睿处理器类似的命名规范，分为E3、E5和E7三个系列。其中，E3系列是面向入门级单路服务器的产品，E5系列则面对了主流的双路服务器平台。唯一有特点的是E7，这款产品虽然在型号上采用了新的命名规则，但是在本质上E7还是上一代架构的产品，它还有一个大家非常熟悉的名字??Westmere-EX 。

至强处理器路线图

　　本次我们要介绍的至强E3系列属于面向单路服务器应用的产品，使用的是LGA115接口，也就是图中的Sandy Bridge-DT。按照产品布局分析，Sandy Bridge-DT主要定位在入门级的单路服务器，虽然同样是单路，但是高端应用的任务则是由Sandy Bridge-EN来承担。

　　横评中的对比产品分别为至强E3-1220、E3-1240、E3-1275和E3-1280。从规格来看，至强E3-1220、E3-1240、E3-1280除了主频不同，在架构上都很接近；唯一特别的是E3-1275，E3系列中以5命名的产品均具备整合显卡。

　　正如我们刚才提到的，新一代的至强Sandy Bridge处理器给我们带来的一个印象就是采用了环形总线架构，这也是Intel在继Nehalem和Westmere之后继续使用环形总线的架构。

Sandy Bridge核外架构图

　　Sandy Bridge处理器使用了新的环形总线设计。事实上从之前的Nehalem开始，Intel就转向了融合核心的理念。在Nehalem当中，Intel将内存控制器融入其中，而在接下来的Westmere当中，GPU也作为融入的对象而出现（只是那时候的GPU还仅仅使用的是45nm工艺）。在之前的8核心Nehalem-EX上，我们就看到了环形总线的身影，不过当时的产品在性能和功耗上并没有表现出明显的优势。

　　本次Sandy Bridge使用的是重新设计的核外结构，全新的Ring Bus环形总线更能够较好的展示出Sandy Bridge的真实性能。通过上图大家可以看到，Ring Bus环形总线连接各个CPU核心、LLC缓存（L3缓存）、融合进去的GPU以及System Agent（系统北桥）等部分。

　　这个图片或许可以更好的说明问题。新的Ring Bus环形总线由四条独立的环组成，分别是数据环Data Ring、请求环Request Ring、响应环Acknowledge Ring和侦听环Snoop Ring。借助于环形总线，CPU与GPU可以共享LLC缓存，将大幅度提升GPU性能。

　　在这个环形总线上，分布着多个Ring Stop，也就是俗称的“站台”。这个“站台”在每个CPU/LLC块上具有两个连接点，而之前使用环形总线的产品，也就是Nehalem-EX环在每个CPU/LLC块上只有一个连接点。

　　环形总线的存在，可以大大减少核心访问三级缓存的周期。在以往的产品中，多个核心共享一个三级缓存，需要访问的话必须先经过流水线发送请求，在进行优先级排序之后才能进行。新的环形总线将三级缓存分割成了若干部分，借助于每个站台，核心可以快速的访问LLC。LLC小容量缓存的延迟优势与核心频率一致性在这里也就体现了出来，这就使得Sandy Bridge的周期相比以往产品有所缩减，从原来的35-40个缩减到了26-31个。同时，由于每个核心与LLC之间可以提供若干带宽，使得Sandy Bridge的整体带宽也提升了4倍。

　　在Sandy Bridge处理器中，Intel使用了一个全新的概念??System Agent（系统助手）。事实上，System Agent也就是我们之前所说的核外架构，只是Intel本次给予了其全新的命名，而在以往的名称中，我们亲切的称之为系统北桥。

系统助手

　　System Agent包含了比以往产品更为丰富的功能，包括整合内存控制器、支持16条PCIE2.0通道的PCIE控制器、图形处理器（GPU）、电源控制单元（PCU）以及DMI总线的IO接口。

　　PCI-E控制器，可提供16条PCI-E 2.0信道，支持单条PCI-E x16或者两条PCI-E x8插槽；

　　重新设计的双通道DDR3内存控制器，内存延迟也恢复了正常水平(Westmere将内存控制器移出CPU、放到了GPU上)；

　　此外还有DMI总线接口、显示引擎、电源控制单元(PCU)。

　　系统助手的频率要低于其他部分，有自己独立的电源层。

　　在Sandy Bridge处理器中，最大的改进要算是增加了全新的AVX指令集??Advanced Vector Extensions，高级矢量扩展。这个指令集的增加是X86处理器中的重要内容，不仅仅是提供了更为良好的性能，同时也是对现有指令集的整合与优化。

　　介绍AVX指令集之前，先要引入一个向量的概念。所谓向量，就是多个标量的组合，通常意味着SIMD（单指令多数据），就是一个指令同时对多个数据进行处理，达到很大的吞吐量。早在1996年，Intel就在X86架构上应用了MMX（多媒体扩展）指令集，那时候还仅仅是64位向量。到了1999年，SSE（流式SIMD扩展）指令集出现了，这时候的向量提升到了128位。

　　如今，Sandy Bridge的AVX将向量化宽度扩展到了256位，原有的16个128位XMM寄存器扩充为256位的YMM寄存器，可以同时处理8个单精度浮点数和4个双精度浮点数。换句话说，Sandy Bridge的浮点吞吐能力可以达到前代的两倍。不过现在，AVX的256位向量还仅仅能够支持浮点运算。不过AVX的特别之处在于，它可以应用128位的SIMD整数和SIMD浮点路径。

 

　　既然我们一直在讨论Sandy Bridge核心，那么不谈到其特色的整合GPU显然是不合适的，虽然对于服务器的应用来说多媒体性能的确是无足轻重。其实我们在文章最初就提到过，作为Tioc-Tock时钟式的重要内容，其实从Wesrtmere 32nm处理器开始，Intel就在处理器中整合了GPU，不过仅仅是将二者封装在一个Die上。因为45nm的GPU与32nm的CPU在制程上不一致，最重要的是关键的内存控制器被放在了45nm的GPU当中，造成了32nm Westmere性能并没有想象的那么出色。而在Tock中，Sandy Bridge的出现解决了这一问题，特别是将GPU整合在了环形总线之内，实现了二者真正的融合。

　　SandyBridge GPU有自己的电源岛和时钟域，也支持Turbo Boost技术，可以独立加速或降频，并共享三级缓存。显卡驱动会控制访问三级缓存的权限，甚至可以限制GPU使用多少缓存。将图形数据放在缓存里就不用绕道去遥远而“缓慢”的内存了，这对提升性能、降低功耗都大有裨益。

　　可编程着色硬件被称为EU，包含着色器、核心、执行单元等，可以从多个线程双发射时取指令。内部ISA映射和绝大多数DX10.1 API指令一一对应，架构很像CISC，结果就是有效扩大了EU的宽度，IPC也显著提升。抽象数学运算由EU内的硬件负责，性能得以同步提高。

    　Intel此前的图形架构中，寄存器文件都是即时重新分配的。如果一个线程需要的寄存器较少，剩余寄存器就会分配给其他线程。这样虽能节省核心面积，但也会限制性能，很多时候线程可能会面临没有寄存器可用的尴尬。在芯片组集成时代，每个线程平均64个寄存器，Westmere HD Graphics提高到平均80个，Sandybridge则每个线程固定为120个。

　　对于服务器性能方面的考察，我们主要分为子系统测试和应用性能测试。在子系统测试中我们按处理器、内存以及磁盘等各个子系统进行了分项测试，当然各子系统的测试成绩也是相辅相成，也需要其它子系统的支持，并非是完全独立的，只是对考察的子系统有所偏重而已。

　　处理器子系统测试

　　对服务器处理器子系统的考察，我们主要采用的是业界公认的SPEC CPU 2006测试，该项测试通过对数十个典型应用程序的运行，来测试系统处理器子系统在应用中的整、浮点运算效率。SPEC CPU 2006测试具有很好的开放性，因此在业界为广大用户所接受，可以利用这一公开的测试结果进行系统间运算性能的比较。

　　此外SiSoftware Sandra也有测试子项可用于处理器运算性能测试，其结果通常以每秒完成的指令数来表现。也可以用作不同处理器间运算效率的比较。

　　SPEC CPU 2006 v1.1

　　SPEC是标准性能评估公司（Standard Performance Evaluation Corporation）的简称。SPEC是由计算机厂商、系统集成商、大学、研究机构、咨询等多家公司组成的非营利性组织，这个组织的目标是建立、维护一套用于评估计算机系统的标准。

　　SPEC CPU 2006是SPEC组织推出的CPU子系统评估软件最新版，我们之前使用的是SPEC CPU 2000。和上一个版本一样，SPEC CPU 2006包括了CINT2006和CFP2006两个子项目，前者用于测量和对比整数性能，后者则用于测量和对比浮点性能，SPEC CPU 2006中对SPEC CPU 2000中的一些测试进行了升级，并抛弃/加入了一些测试，因此两个版本测试得分并没有可比较性。

　　SPEC CPU测试中，测试系统的处理器、内存子系统和使用到的编译器（SPEC CPU提供的是源代码，并且允许测试用户进行一定的编译优化）都会影响最终的测试性能，而I/O（磁盘）、网络、操作系统和图形子系统对于SPEC CPU2006的影响非常的小。

　　SPECfp测试过程中同时执行多个实例（instance），测量系统执行计算密集型浮点操作的能力，比如CAD/CAM、科学计算等方面应用可以参考这个结果。SPECint测试过程中同时执行多个实例（instances），然后测试系统同时执行多个计算密集型整数操作的能力，可以很好的反映诸如数据库服务器、电子邮件服务器和Web服务器等基于整数应用的多处理器系统的性能。

　　我们在被测服务器中安装了Intel C++ 11.1.034 Compiler、Intel Fortran 11.1.034 Compiler这两款SPEC CPU 2006必需的编译器，通过最新出现的QxS编译参数，Intel Compiler 10版本开始支持对Intel SSE4指令集进行优化（假如只支持SSE3，则使用QxT编译参数）。我们另外安装了Microsoft Visual Studio 2003 SP1提供必要的库文件。按照SPEC的要求我们根据自己的情况编辑了新的Config文件，使用了较多的编译选项。我们根据被测系统选择实际可同时处理的线程数量，最后得到SPEC rate base测试结果（基于base标准编译，SPEC base rate测试代表系统同时处理多个任务的能力）。

　　和其它测试部件不同，SPEC CPU 2006需要大量的系统物理内存，我们的SPEC测试在64位的Windows Server 2008 R2 下完成，对于每个运算核心，最低配置1.5GB内存。

　　内存子系统测试

　　对于内存子系统的考察，也是利用SiSoftware Sandra来实现，在该软件中有相应组件可进行内存带宽、内存延迟等方面的测试。

　　SiSoftware Sandra v2011

　　SiSoftware Sandra是一款可运行在32bit和64bit Windows操作系统上的分析软件，这款软件可以对于系统进行方便、快捷的基准测试，还可以用于查看系统的软件、硬件等信息。从2007开始，Sandra的Arithmetic benchmarks增加了对SSE3&SSE4 SSE4的支持，在Multi-Media benchmark中增加了对于SSE4的支持，另外还升级了File System benchmark和Removable Storage benchmark两个子项目。对于新的硬件的支持当然也是该软件每次升级的重要内容之一，SiSoftware Sandra 2010对NUMA架构以及最新的Windows 7/Windows Server 2008 R2提供了更好的支持，此外测试项目和测试结果也有了略微的变化。SiSoftware Sandra所有的基准测试都针对SMP和SMT进行了优化，最高可支持32/64路平台。

　　SPEC CPU 2006的浮点运算测试包括的全部都是科学运算，科学运算需要用到大量的高精度浮点数据，如410.bwaves 流体力学、416.gamess 量子化学、433.milc 量子力学、434.zeusmp 物理：计算流体力学、435.gromacs 生物化学/分子力学、436.cactusADM 物理：广义相对论、437.leslie3d 流体力学、444.namd 生物/分子、447.dealII 有限元分析、450.soplex 线形编程、优化、453.povray 影像光线追踪、454.calculix 结构力学、459.GemsFDTD 计算电磁学、465.tonto 量子化学、470.lbm 流体力学、481.wrf 天气预报、482.sphinx3 语音识别共17项测试。 

　　首先我们看到的是浮点预算的测试成绩，对比3款主频不同的处理器我们发现，3者之间的差距非常小，这是因为它们采用了同样的架构，因此测试的差距仅仅源于它们主频的不同。

 　　SPEC CPU 2006整数运算主要包含编译、压缩、人工智能、视频压缩转换、XML处理等，此外，各种日常操作也主要是基于整数操作。SPEC CPU 2006的整数运算包含了400.perlbench PERL编程语言、401.bzip2 压缩、403.gcc C编译器、429.mcf 组合优化、445.gobmk 人工智能：围棋、456.hmmer 基因序列搜索、458.sjeng 人工智能：国际象棋、462.libquantum 物理：量子计算、464.h264ref 视频压缩、471.omnetpp 离散事件仿真、473.astar 寻路算法、483.xalancbmk XML处理共12项。

　　整数测试中同样表现出了主频优势的特点，只是我们发现这项测试对于主频的依赖并不明显。

　　SiSoftware Sandra是一款很不错的软件，但是对于Sandy Bridge平台来说，原来的2010版本已经不能使用，而目前提供免费下载的版本型号为2011Lite。相比我们之前使用的Business版本来说，Lite版简化了许多的功能，还好我们常用的测试项目都还在。

　　在成绩分析前我们必须要清楚，这两个相对比的服务器平台所配的处理器分属于英特尔至强5500和5600前后两个不同的系列，虽然二者每个处理器都是4个核心，但是二者的工作频率却有比较大的差距，联想万全R525 G3采用的至强E5620的工作主频为2.4GHz，是至强5600系列中主频最低的，而对比服务器平台所选用的至强X5570却是至强5500系列中工作主频最高的，为2.93GHz。接下来的对比也将是两个处理器配置悬殊的服务器平台间的较量。

　　随着主频的增加，4款处理器的性能出现了阶梯形的上升，但是这个上升并非是平均的，而是随着主频的增加而在最初出现了大幅度的变化，随后主频的差距逐渐减小，成绩的差异也降低了。

　　内存带宽测试中，由于测试平台使用的是同样的内存，因此在内存测试项目中它们的表现基本相同，差距都是小数点后几位。而在缓存及内存测试中，因为有了处理器的存在，主频依然占据了决定性的作用。

　　CineBench是基于Cinem4D工业三维设计软件引擎的测试软件，用来测试对象在进行三维设计时的性能，它可以同时测试处理器子系统、内存子系统以及显示子系统，我们的平台偏向于服务器多一些，因此就只有前两个的成绩具有意义。和大多数工业设计软件一样，CineBench可以完善地支持多核/多处理器，它的显示子系统测试基于OpenGL。

　　随着主频的提升，从E3-1220到E3-1275单核心和多核心都出现了上升的趋势；但是在E3-1280的测试中，单核心性能依旧表现明显，但是多核心性能并没有出现提升，反而略有下降。 

　　【IT168 评测中心】Tick-Tock战略的出现，使Intel避免了在同一年更新制程和微架构，有效的规避了新平台、新制程出现所带来的商业风险。而随着至强Sandy Bridge处理器的推出，也标志着Intel在桌面和服务器两个平台上全面转向了新的微架构，Tock时代终于到来了。

至强Sandy Bridge处理器

　　Sandy Bridge处理器相比上一代的产品有了非常大的改进，包括AVX指令集、环形总线架构、全新System Agent系统助手、革命性的整合GPU等内容。事实上，Sandy Bridge最大的特征在于全32nm整合CPU和GPU，但对于服务器来说，GPU作为多媒体工具来说并没有实际的用处，除非可以通过GPU加速运算。

　　我们再来看看性能。我们本次测试我们使用了4款E3处理器，通过测试我们发现主频对于最终的解决会有略微的影响，但是由于微架构都采用的是Sandy Bridge，所以差距不大。从这个角度来说，对于E3系列的处理器，架构才是决定性能的关键，主频并不占据绝对的地位。

　　我们相信，随着新一代Sandy Bridge至强处理器的出现，我们在服务器领域可以看到越来越多的、性能更为出色的产品出现。本次我们仅仅进行了4款产品的测试，到年底横评的时候，我们希望能够为大家展示更多采用至强E3的服务器性能。