核外架構的進化

和微架構方面一樣，Sandy Bridge的架構方面也具有了很大的變化。這個變化來自兩個方面的考慮：性能和可擴展性，其中后者包括了要面對越來越多的處理器核心的問題，還有要面對來自GPU挑戰的問題。針對GPU的壓力，英特爾一方面采取了更寬的256位AVX向量運算提升CPU處理能力，一方面采取了在CPU內直接融合GPU的方法。關于GPU的部分可以寫出多個長篇內容，因此這里主要談及Sandy Bridge其它方面的架構變化。

這個變化就是Sandy Bridge采用了新的Ring Bus環形總線來連接各個CPU核心、LLC緩存（就是L3緩存）、融合進去的GPU以及System Agent（就是系統北橋）部分。自從Nehalem開始使用融合核心策略后，不同產品線的處理器都基于同一種核心，只是具有不同的核外架構（稱為Uncore架構），這個核外架構在不同的產品線上必須進行不同的設計，對應地芯片組也要進行變化。在核心數量比較少的時候，這很容易辦到，然而在高端服務器上，核心數量很高，這種方式就難以具有匹配的性能，并且開始變得難以實現。實際上，高端8核心的Nehalem-EX處理器就采取了和桌面/移動端完全不同的Uncore架構：使用了一個環形總線，而在后來加入GPU的Westmere后，新加入的GPU迫使內存控制器和CPU核心分立，并和GPU一起集成到一個相對落后的45nm制程的芯片上，影響到了性能和功耗。現在，這個Nehalem-EX的環形總線技術被應用到了Sandy Bridge全線產品線上來。

革命性的環形總線

通常的處理器使用Crossbar交叉開關來連接多個組件，在部件較少時性能表現良好，然而其復雜度隨著連接件數量的提升呈幾何級數增長。采用環形總線的話，則是呈線性增長，結構簡單并且布線也更方便，可以很容易地擴展到更大數量的連接部件，并且可以很方便地加入如GPU等獨立構造。在Sandy Bridge上，這個總線實際上是直接放置在LLC緩存上方，比交叉開關占地面積更小，布線更加方便。

這個環形總線其實由四條獨立的環組成，分別是數據環(Data Ring)、請求環(Request Ring)、響應環(Acknowledge Ring)、偵聽環(Snoop Ring)。其中用來傳輸數據的數據環的寬度是32B（128bit），剛好是L3緩存線的一半。和Nehalem-EX的一樣，這個數據環應該還是雙向的，這樣通過自動選擇最近的線路，對目標的存取延遲可以降低到平均只有一個環的一半。

Sandy Bridge環形總線上分布著多個Ring Stop，叫做“站臺”，這個“站臺”和Nehalem-EX的并不太一樣，其實仔細看的話，Sandy Bridge的環形總線和Nehalem-EX的也不太一樣。Nehalem-EX的環顯得更大一些，每個CPU/LLC塊上只有一個連接點，而Sandy Bridge的顯得很纖細，每個CPU/LLC塊上具有兩個連接點，這種差異的具體細節尚不清楚。

環形總線是全流水線化的，并且運行在核心頻率/電壓上，因此其帶寬會根據不同的型號/工作狀態而變化，并且可以根據加入站臺的數量而擴展。當然，站臺數量的增加會增長總線的寬度，并會對應地增加延遲，每個站臺之間的傳輸時間是一個時鐘周期。理論上，3.4GHz的Sandy Bridge每個站臺可以具有108.8GB/s的帶寬，4個核心就具有435.2GB/s的理論帶寬，由于數據經過不同的站臺的時候，該站臺需要等待而無法傳輸數據，因此實際的帶寬無法達到理論值。

LLC：L3緩存的變化

環最主要的作用是將CPU核心與L3緩存聯結起來，L3緩存是處理器的最低一級緩存，因此也叫Last Layer Cache（LLC）。每一個CPU/LLC塊上具有一個稱為Interface Block（接口塊）的部件來負責和Ring通信，每個接口塊上包含了一個獨立的緩存控制器，負責回應緩存請求、維持一致性和排序，并在L3緩存未命中、芯片件偵聽以及非緩存請求時和System Agent通信。實際上，Sandy Bridge實現了一個分區化的分布式仲裁緩存架構。

除去使用環形總線的EX系列，Nehalem/Westmere的L3是一個單塊的大緩存，具有統一的32B（256bit）帶寬，到了環形總線架構之后，就不再是這樣了。和Nehalem-EX/Westmere-EX一樣，Sandy Bridge將LLC分成多個具有32B寬度接口的緩存塊，系統內存的物理地址還通過Hash機制分布到所有的緩存塊上，因此實際上所有的緩存塊都可以同時運作，增加了帶寬、簡化了一致性問題并避免了熱區效應，其性能和沒采取環形總線的時候相比具有著巨大的提升。

每一個LLC緩存塊都具有和原來Nehalem/Westmere的大緩存塊類似的結構，在桌面處理器上，每個核心將會對應一個LLC緩存塊，而每個2MB容量的LLC塊屬于16路組相連。在服務器產品線上，每個核心仍然對應一個緩存塊，然而由于去掉了GPU模塊，因此LLC緩存塊獲得了更大的面積，其容量提升到了2.5MB，對應地，組相連也提升到20路，這些進一步提升了其緩存命中率表現。

Sandy Bridge的L3緩存仍然使用了包含式的設計，在上級緩存上具有的內容在L3緩存上具有同樣的副本，和Nehalem一樣，Sandy Bridge也提供過核心有效位來提供偵聽過濾器的作用，只是增加了GPU對應的位，因為Sandy Bridge的緩存是CPU、GPU共享。

除了緩存的分布式仲裁、運作帶來的高帶寬之外，Sandy Bridge的緩存延遲實際上也得到了降低，大約從原有的35#12316;40個時鐘周期降低到26#12316;31個時鐘周期。延遲的降低一部分是因為小的緩存塊本身就具有較低的延遲，存取對應的標記和數據都比原有的單個大緩存塊要快。延遲降低的另一個原因是現在LLC緩存運行的頻率和核心頻率保持了一致。在Nehalem/Westmere上，LLC緩存運行于Uncore頻率，通常是比核心頻率要低的。一致的運行頻率還避免了不同頻率區間傳遞信號的懲罰，最終讓Sandy Bridge延遲表現更好。

System Agent：更快速的北橋

System Agent系統代理扮演原有的北橋角色，連接內存控制器、PCI Express總線以及PCH（類似南橋芯片），此外還帶有PCU功率控制單元管理其他部件的頻率/電壓，實現Turbo Boost 2.0功能，System Agent還負責引出GPU的顯示輸出。在帶有GPU的Sandy Bridge處理器上，CPU/LLC、GPU運行于動態的電壓和頻率，而System Agent則運行于固定的電壓和頻率。和傳統的分立北橋和上一代Lynnfield的多芯片同封裝相比，完全集成在一起的System Agent盡可能地消除了各個部件間的聯線，可以提供更好的延遲表現。

通過使用新的環形總線，Sandy Bridge以更有效率的方式對CPU、LLC、GPU和System Agent進行了組織，提供了更高的內部帶寬和更低的L3存取延遲，并且可以很好地融合新加入的GPU模塊，并適應高端服務器市場上的大數量處理器核心場景。在下回，筆者將介紹Sandy Bridge全新的GPU部件，敬請期待。