为何如此能超频？解读CPU背后设计实力

聚焦推土机CPU强悍超频能力

在2011年10月中旬，AMD发布了旗舰级CPU产品推土机(Bulldozer)FX系列处理器，除了用户关心的绝对性能之外，推土机FX系列处理器强大的超频能力一直是业界关注的焦点。推土机CPU为什么拥有如此强大的超频能力?为什么AMD需要让这款产品成为新一代的超频明星?在CPU超频世界纪录频频被推土机CPU打破之时，我们也开始寻找一些隐藏在这颗CPU设计过程中的蛛丝马迹。

推土机FX处理器将采用“Bulldozer”微架构，全系列包含8核、6核以及4核处理器，其超强的可超频能力，全系列处理器均不锁频和丰富的指令集支持。推土机系列人气最高的莫过于FX-8150处理器，其8核处理器将成为目前业界唯一的面向台式机的8核心处理器。

推土机FX处理器拥有强劲的超频能力

推土机(Bulldozer)是AMD全新微处理器架构。“推土机”将采用32nm SOI工艺，采用了“模块化(Module)”的设计，每个“模块”包含两个处理器核心。每个Bulldozer Module将会集成2M L2缓存， 8MB的L3缓存，核心面积为30.9平方毫米。

推土机FX系列处理器的超频能力让每一个AMD用户非常自豪，早在2011年AMD就已经对外宣称其推土机FX系列处理器产品在制冷足够的情况下将“有着令人惊喜甚至不可思议的表现”。事实也证明了这一点，熟悉或者关注DIY超频领域的用户应该，早在两年之前CPU主频的世界纪录就突破了8GHz的大关，去年这个世界纪录的具体数字是8.308GHz，而现在，AMD的FX-8150已经将记录再一次改写并得到了吉尼斯世界纪录组织的认证，近期的CPU主频世界纪录是由AMD的FX-8150在2011年8月31日创造的8.429GHz。

推土机FX处理器正在创造更多超频奇迹

就在去年底，这一超频纪录再次被推土机系列CPU自己刷新。上图为台湾著名超频玩家Andre Yang现在又取得了8461.51MHz的更好成绩。和AMD官方的做法类似，Andre Yang也使用了顶级型号FX-8150，同样屏蔽成了单模块双核心。根据CPU-Z认证页面的信息，这颗处理器的外频超到了272.95MHz，倍频为31x，核心电压已经加至1.992V，几乎突破了2V，而主板是推土机御用的华硕玩家国度Crosshair V Formula，内存使用海盗船的一条2GB DDR3，频率909.8MHz，时序9-9-9-24。

更长流水线带来更大频率潜能

从架构来看，推土机是一款使用了全新架构的CPU，同时AMD历经长时间大规模重新开发让推土机和以前的所有CPU有极大的区别——推土机每一个整数单元有两个浮点单元包围，我们可以理解它是一颗自然的超线程处理器。作为AMD耗尽心血研发的新一代CPU，Bulldozer堪称K8之后的最大革新(K10架构只能算K8的增强版，架构变化并不多)，它改变了传统CPU的设计思路，将CPU模块化，每个模块又可细分为两个微内核，这两个微内核相互独立而又高度共享浮点单元、L2缓存等功能单元。

推土机架构CPU每个内核自带双整数单元

得益于对CPU内核的彻底重新设计，AMD开始大手笔改变推土机CPU的流水线，AMD从K8架构也就是Athlon 64处理器开始将流水线提升到12级，这在当时是一个较为平衡的设计，它远低于Intel为了冲击频率高峰而达到的32级;其后Phenom II X4处理器为了提升频率将流水线提升到14级，而到了推土机Bulldozer FX系列处理器，流水线通过添加堆栈、寄存器等访问过程达到了18级。

CPU的流水线可以被比喻为“楼梯”，不管采用几级流水线，一个周期内所达到的高度都是一个楼层的高度。也就是说楼梯采用的阶数越多，坡度越小，同时路程也越长;这样对于构架一定的情况下，楼梯的阶数必然有一个最佳值，流水线太长会导致分支预测失败后流水线重新载入代价太大，但是流水线太短又会导致CPU难以提升到理想运行频率。

流水线对于频率提升至关重要

众所周知，Pentium 4正是在流水管线上的加长设计，使之能够达到如此之高的主频，虽说流水管线的加长会导致数据在管线逗留的时间增长，导致数据出错的可能增加，一旦一个数据出错，其结果就在于整个运算步骤都将重新来过，这样就会造成处理器处理性能的降低。但依靠高效的分支预测体系和Cache机制就可以改善这一点。AMD经过多年探索，认为在多核心之路上仍然不能放弃单核性能，更不能因为提升频率而放弃效率，所以最终将推土机Bulldozer FX系列CPU流水线确定在18级，保证了频率和效率的平衡。

所有推土机FX系列处理器都支持Turbo Core自动超频技术

所以最终产品推土机CPU的频率也是非常值得欣喜的，我们可以看到推土机CPU依靠较长的流水线工位推升了运行频率达到稳定运行3-5GHz。AMD首批发布的四款CPU型号分别为FX-4100、FX-6100、FX-8150和FX-8120，全部都采用了不锁倍频设计。

推土机CPU在频率方面的努力还远不止默认频率的提升，通过Turbo Core技术，用户能够在日常工作中获得更高的CPU核心运行频率。我们用简单的总结可以将Turbo Core技术的原理阐述清楚：利用P-State电源管理状态切换。我们可以通过FX系列处理器的规格表格来了解一下全系列推土机FX处理器的Turbo Core情况。

32nm工艺助力提升极限频率

与Intel相比，AMD在32nm方面的技术同样是非常完美的。AMD全球晶圆代工厂Global Foundries在90nm时代就和IBM展开了深入的合作。在今年初，GlobalFoundries与IBM再次达成了协议，利用现有资源和工厂共同生产32nm处理器。面对来势汹汹的Intel，IBM和GlobalFoundries终于携起手来，从技术和产能两个方面为AMD的APU和推土机处理器提供全方位支持。

GlobalFoundries生产的AMD 32nm工艺晶圆

制造工艺的改进理论上可以带来功耗的降低，使得产品的默认时钟频率可以更高，直接提升性能。相对于45nm工艺，AMD所使用的32nm工艺的NMOS和PMOS晶体管漏电量大幅度很多，如果芯片晶体管数量相同，32nm工艺同比封装尺寸仅是45nm工艺产品的70%。由于上述改进，电路的尺寸和性能均可得到显着优化。这种晶体管可以承受最高的驱动电流，并可以提升极限开关速度，配合应变硅SOI技术有效降低发热。

新的推土机FX系列处理器采用的是最新的32纳米制造工艺，在此之前的Llano APU其实也同样采用了相同的工艺技术。让我们换位思考一下，如果不采用32纳米技术，那么我们将看到极高的功耗和无法控制的芯片面积，所以32纳米就成为必然。

推土机使用了先进的32nm工艺

推土机采用GlobalFoundries的32nm新工艺(之前还一直维持在45nm)， 除了SOI(Silicon On Insulator，绝缘硅)技术外，HKMG(高K金属门)工艺也被首次采用。使用HKMG工艺的好处是可以减少栅极的漏电量，降低栅极电容，这也是继续提高制程的关键技术之一。除此之外，11个铜金属层和低K电介质、基于硅锗的拉伸硅、第二代沉浸式光刻等技术也悉数在列，目的就是为了进而使得晶体管的尺寸进一步缩小，减小核心面积，降低整体功耗，提升频率潜力。

不锁倍频享受更轻松超频过程

传统的CPU为了限制用户自主超频，在倍频方面几乎是无法调整的，即便拥有调整余地也只能向下设置以获得更低功耗。AMD自从Athlon X2黑盒时代打破这一格局，推出了可以向上调节倍频的CPU，以便为用户提供更强的超频潜力，同时更小幅度影响到周边硬件设备，在工艺成熟的背景下提供这种增值服务，也让我们看到了AMD对自家CPU产品的质量信心十足。

超频玩家通过液氮助力推土机达到8.335GHz高频

我们知道CPU总频率=外频X倍频，由于CPU的外频调节经常伴随着内存频率、北桥总线、PCI-E频率等一系列频率发生变化，所以大部分被锁定倍频的CPU在超频过程中会影响到内存、显卡、硬盘等硬件的稳定工作，超频幅度被限制。下图中我们看到的是某款990FX系列主板BIOS设置界面，第一项CPU Clock Ratio就是倍频调节选项，直接在这里设置比率，就可以在外频不变的情况下获取更高的核心频率。

推土机搭配990FX主板拥有丰富的超频选项

由于取消了倍频调整的限制，推土机CPU超频更加轻松，在超频过程中对内存、PCI-E频率的影响更小。推土机FX-8150的超频选项和以往的羿龙II没有什么区别，在990FX主板上能够调节的选项主要有倍频、外频、CPB倍频、内存频率等，相对基本上没有什么改变，用户可以通过修改倍频为主要方式进行超频。

风冷超频到4.5GHz的推土机FX-8150

电压选项方面，目前市面上的高端990FX主板提供CPU PLL电压、内存电压、CPU NB电压和CPU电压等多种选项，调节步进精细，调节范围也比较足，我们通过提升PLL电压和CPU电压来配合超频。上图中我们看到推土机FX-8150最终在1.31V电压下稳定超频到4.5G的水平，超频幅度达25%，可以通过AIDA64的3分钟稳定性测试，此时国际象棋成绩为13759，相比默认频率成绩提升约17.3%。

在32nm工艺的全方位配合下，通过改变CPU逻辑架构，加上完全不锁倍频的设计，AMD为高端DIY玩家带来了一款超频潜能极强的CPU。从目前的媒体与用户测试情况来看，推土机CPU的体制不同，极限频率也不同，推土机架构普遍超频能力比较强，风冷可以稳定达到4.5GHz左右，而配合AMD官方水冷可以稳定达到4.9GHz以上。按照关节能、调外频、倍频、升CPU电压、主板相关供电设置的顺序调节可以很轻松的实现超频。