英特爾Sandy Bridge 處理器分析測試

在之前的五期連載中，筆者介紹了Sandy Bridge處理器的架構/微架構上的細節(jié)，現(xiàn)在我們來看看Sandy Bridge架構的實際性能表現(xiàn)。

SPEC CPU 2006測試

限于篇幅關系，本篇僅包括了一個測試：SPEC CPU 2006，SPEC CPU測試是業(yè)界沿用多年的一個大型CPU性能測試項目。SPEC是標準性能評估公司（Standard Performance Evaluation Corporation）的簡稱，是由計算機廠商、系統(tǒng)集成商、大學、研究機構、咨詢等多家公司組成的非營利性組織，這個組織的目標是建立、維護一套用于評估計算機系統(tǒng)的標準。

為了保證數(shù)據(jù)的公平、有效和可信，SPEC CPU測試使用了現(xiàn)實世界的應用程序，而不是用循環(huán)的算術操作來進行基準測試。SPEC CPU 2006包括了12項整數(shù)運算和17項浮點運算。各個測試組件基本上由C和Fortran語言編寫，有7個測試項目使用了C++語言，而Fortran語言均用來編寫浮點部分。需要特別說明的是，SPEC CPU是一個僅提供源代碼的測試，需要自行進行編譯生成可執(zhí)行的代碼，因此，SPEC CPU實際上也測試了使用的編譯器，好處是可以體現(xiàn)出時代變遷、編譯器更新帶來的影響，壞處是需要掌握一定的編譯器技術。

從左表中可以看出，SPEC CPU 2006的測試項目都有著其原來的應用程序版本，整個SPEC CPU 2006測試就包括了多種實際的應用程序的項目，例如，bzip壓縮/解壓縮和H264視頻編碼、一些游戲AI中會用到的A＊尋路算法、網(wǎng)絡應用中用到的HTML/XML處理等子項目，SPEC CPU還包含了需要處理大量數(shù)據(jù)的科學應用程序測試項目。SPEC CPU是一個測試CPU子系統(tǒng)的程序，因此，其中涉及讀寫磁盤和網(wǎng)絡傳輸?shù)牟糠侄家呀?jīng)修改，使得外部存儲子系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)對測試結果不造成影響。總的來說，SPEC CPU 2006包含了和CPU相關的大量測試項目，涵蓋了運算密集型和內存密集型的應用，它可以體現(xiàn)出CPU子系統(tǒng)和內存子系統(tǒng)對實際應用程序的性能因素，這也就是其設計目的。

測試系統(tǒng)

我們使用了三套系統(tǒng)進行這個測試，一套是老的Core i7 870，一套是Core i5 2500K，一套則是Core i7 2600K，前者屬于45nm工藝的Westmere架構（Nehalem微架構），后兩個則是32nm工藝的Sandy Bridge架構（同樣，微架構也是Sandy Bridge），這三套系統(tǒng)都屬于中端桌面市場，均只支持雙通道內存。其中，Core i7 870和Core i7 2600K都是四核心八線程，而Core i5 2500K則是四核心四線程。Core i7 870的默認頻率為2.93GHz，內置2.4GHz（4.8GT/s）的QPI總線，而Sandy Bridge架構的Core i5 2500K/Core i7 2600K則取消了QPI總線，默認頻率提升到3.3GHz/3.4GHz，這三個處理器都搭載了Turbo Boost技術，可以在負載高的時候提升運行頻率，不過會對性能分析帶來影響，因此本文僅給出關閉Turbo Boost技術的性能成績。所有的處理器都具有8MB的L3共享內存。

內存子系統(tǒng)也是SPEC CPU測試的重要因素，我們?yōu)镃ore i7 870和Core i7 2600K平臺提供了16GB的內存（4 x 4GB），為Core i5 2500K提供了8GB的內存，這是為了保證每個硬件線程能具備2GB的容量。Sandy Bridge處理器現(xiàn)在可以支持DDR3-1600規(guī)格的內存，不過單條4GB的內存還比較少能達到這個規(guī)格，例如，我們使用的4條芝奇紅鋼牙就只能支持到DDR3-1333，因此我們所有的測試都在DDR3-1333下進行。SPEC CPU幾乎不受CPU和內存之外部件的影響。

測試使用的操作系統(tǒng)平臺是Windows Server 2008 R2，我們在所有的平臺上使用了老的SPEC CPU 2006 v1.1代碼進行測試，基于SPEC CPU 2006 v1.1和一年多前的Intel Compiler 11.0，不支持Sandy Bridge的AVX指令集，這可以體現(xiàn)出Sandy Bridge在運行老的代碼時相對上一代處理器架構的提升，在以后我們會再進行AVX編譯版本的測試，它將可以體現(xiàn)出Sandy Bridge在運行優(yōu)化編碼下的性能。

SPEC CPU測試會給出大量的數(shù)據(jù)，例如，可以分為測試單線程運行效能的speed測試和測試多線程運行效能/測試整個處理器運算吞吐量的rate測試，或者分為測試通常優(yōu)化性能的base測試和極致優(yōu)化性能的peak測試。此外，每個測試同時包含了整數(shù)的int測試和浮點的fp測試，總共會得出8個測試數(shù)據(jù)表，每個表包括一個總分和若干個子項目得分，由于不同的子項目代表不同的應用，因此我們給出了具體的子項目成績。

性能分析：速度測試

我們先來看測試單線程運行效能的speed測試，包含了SPECint_base2006和SPECfp_base2006兩個項目，它可以體現(xiàn)出處理器在將所有資源都供給一個測試實例下的運行效能，其中，Sandy Bridge架構的Core i5 2500K的效能比Westmere架構的Core i7 870整數(shù)得分要高23.2%（35比28.4），浮點得分要高30.9%（40.2比30.7），考慮到Core i5 2500K 3.3GHz的頻率和Core i7 870 2.93GHz的12.6%的頻率差別，則同頻提升分別應為運行分為9.4%（整數(shù)）和16.3%（浮點），10%以上的同頻性能提升是個很不錯的數(shù)據(jù)。特別是考慮到Sandy Bridge平臺在CPU主頻提升時內存規(guī)格并沒有相應改動的情況下。

去掉頻率的影響之后，幾乎所有的子項目中性能都得到了提升，提升特別明顯的整數(shù)項目有401.bzip2 壓縮（26.0%）、464.h264ref 視頻壓縮（25.4%）、473.astar 尋路算法（23.0%），浮點項目有436.cactusADM 物理：廣義相對論（56.0%）、453.povray 影像光線追蹤（46.3%）、447.dealII 有限元分析（24.2%）、416.gamess 量子化學（23.8%）、437.leslie3d 流體力學（22.5%），這些都是運算密集和緩存密集型的項目。

性能分析：吞吐測試

測試多線程運行效能/測試整個處理器運算吞吐量的rate測試是個不同的情況，它包含了SPECint_rate_base2006和SPECfp_rate_base2006兩個項目，它體現(xiàn)的是處理器全力運轉的運算吞吐量和數(shù)據(jù)吞吐量，雖然其中的單個測試線程性能會受到影響，然而處理器的資源得到了最大程度的利用。從結果來看，Sandy Bridge架構的Core i5 2500K的效能比Westmere架構的Core i7 870整數(shù)得分要高23.0%（110比89.4），浮點得分要高21.7%（88.6比72.8），考慮到頻率差別，則同頻提升分別應為運行分為9.2%（整數(shù)）和8.1%（浮點），比起speed測試要低一些，這是因為，rate測試同時運行了多個測試實例（這里是4個），對運行資源的需求更高，特別是對緩存、內存子系統(tǒng)的壓力要大了不少，因此在兩代產(chǎn)品內存規(guī)格一樣時，Sandy Bridge會受到更多的限制。Sandy Bridge支持的DDR3-1600規(guī)格確實有必要。

去掉頻率的影響之后，提升特別明顯的整數(shù)項目有456.hmmer 基因序列搜索（46.4%）、464.h264ref 視頻壓縮（25.4%），浮點項目有453.povray 影像光線追蹤（44.0%）、416.gamess 量子化學（24.0%），它們是從Sandy Bridge環(huán)形總線中獲益最大的項目，這些都是同頻性能提升非常明顯的項目。

結語

和上一代Nehalem相比，Sandy Bridge最大的性能提升應該是內部使用的環(huán)形總線，它大大增加了L3緩存的帶寬，并降低了延遲，此外，處理器微架構上的更新，如L0指令緩存、雙Load端口起到的作用也不小，基本上，同頻下Sandy Bridge的性能提升在10%左右，一些同時也是緩存密集型的應用獲益將會更高，甚至可以達到56%（436.cactusADM 物理：廣義相對論）。雙通道的Sandy Bridge可以很好地在一般的桌面應用下工作，而在運算密集型，特別是內存密集型的科學應用當中，對內存子系統(tǒng)的壓力將會很大，特別是在超線程的環(huán)境下，對內存容量乃至帶寬都有更高的要求，雙通道配置的Sandy Bridge將不敷使用。對應的，英特爾準備了三通道/四通道的LGA2011插槽的Sandy Bridge產(chǎn)品線，將可以更好地滿足這些應用的需求，當然，更高檔的定位也意味著更高的價格。限于篇幅我們沒有給出打開超線程測試的成績，不過可以指出的是，在雙通道配置下，打開超線程的speed測試成績反而是略微下降了，而rate測試雖然有所提升，然而幅度也只有1%#12316;2%，作為對比，在三通道Nehalem-EP至強處理器平臺上，開啟超線程帶來的性能提升可以達到5%#12316;10%。

在目前被限制為雙通道的桌面平臺上，我們可以看到環(huán)形總線架構帶來的L3緩存可以大為提升性能，甚至英特爾還適時地加入了共享L3緩存的核芯顯卡，以充分地利用其資源。下回，我們將繼續(xù)帶來Sandy Bridge的性能，敬請繼續(xù)期待。