安腾

在1989年，惠普认为RISC架构将来会遇到每周期只能运行一个指令的瓶颈。而惠普的研究员在研究一个称之为显式并行指令运算（EPIC）的新架构，该架构允许处理器在一个周期内运行多条指令。EPIC是一种超长指令字（VLIW）架构，每个这种指令即包含多条小指令。使用EPIC技术后，编译器就能决定让这些小指令同时运行於单一周期，因此处理器能够简单的运行这些指令而不需要很复杂的架构去决定哪些指令能够并行运行[2]。[3]

惠普认为它对个别企业系统公司不具有足够的成本效益来自行开发自己的处理器，所以惠普在1994年与英特尔结为合作伙伴来开发EPIC为基础的IA-64架构。而英特尔预测IA-64微处理器将会被使用多数的企业系统制造业采用而给予大量的开发资源。在1998年，惠普与英特尔发表共同的大规模合作开发的成品，内部代号为Merced。[3]

在开发期间，英特尔、惠普还有工业分析家预测IA-64将会支配服务器、工作站、高端电脑，甚至取代RISC与CISC架构的所有既有产品。此预测导致Compaq与Silicon Graphics决定放弃Alpha与MIPS架构的未来开发计划而偏爱转移至IA-64架构。[4]

数个集团分别开始为该架构开发操作系统，包含Microsoft Windows、Linux与Unix的衍生版本像是惠普-UX、Solaris、Tru64 UNIX与Project Monterey[5]（后三者在进入市场之前就已被取消）。在1997年发现IA-64架构与该编译器的开发难度比预期还要高，所以Merced的推出时间就一再顺延。[6]该技术困难包含需要非常大量的晶体管才能处理超长指令与大量缓存。在该架构的项目还有一些结构性的问题，在两部分的集成团队使用不同的算法而有些微不同的优先度。自从第一颗EPIC架构的处理器Merced推出后，开发团队也陆续遭遇更多之前未预料到的问题。除此之外，EPIC的概念依赖于编译器的处理能力，而之前完全没有实作过，所以许多未预测到的研究也出现。

英特尔在1999年10月4日发表该处理器的官方名称安腾。[7]几小时之后观察家指出该处理器参考Itanic，[8]源自于Titanic，在1912年沉没的号称“不可能”沉没的远洋邮轮。不少评论媒体暗示安腾像是个大白象耗资亿元的产物却无法达到既定性能与销售量。但此时RISC与CISC的架构长足的增强超纯量的性能，能够不使用EPIC的技术来破除单一周期只能运行一个指令的魔咒。

第一代安腾在2001年6月推出，但是却不优于同时代的RISC与CISC处理器。安腾与x86的低级服务器（小于4 CPU的系统）竞争，还有跟高端的IBM POWER架构与SPARC架构竞争市场。而英特尔重新定位安腾指向高端商务与高性能计算系统，尝试去拷贝x86架构中非常成功的横向市场发展（单一架构，多个系统制造厂）。不过却被局限在业界不想更换惠普制造的PA-RISC与Alpha，还有SGI制MIPS架构的高性能运算系统。因为当x86架构切入商用市场上，POWER与SPARC架构还算是很强健的。以预算为主的考量，x86在商用运算的横向发展中是非常优秀的选择。惠普与英特尔此时发现安腾无法与其他系统相提并论，就在一年后就推出安腾2来取代旧有的安腾。由于缺乏足够的产额、差劲的性能，还有高售价，第一代安腾只有售出几千组系统。不过这些系统在开发安腾2的软件时是相当有用的。不过既使如此，IBM还是有制造出搭载此处理器的超级电脑。[9]

每个128比特的指令字就包含三个小指令，预读机制可以在每个周期中从L1 缓存中读取两个指令到管线。当编译器能够在这个机制上获得最大优势，处理器就能在每个周期中运行六条指令。该处理器在11个群组中有30个功能性运行单位。每一个单位能够运行指令集中的特殊子集，除非为了等候数据中止运行，否则每个单位就会每个周期运行一个指令。且并不是在一个群组的所有单位运行指令集的相同子集，而是共同的指令能在多个单位中被运行。这些群组包括：

• 六个一般的ALU、两个整数单位与一个移位单位
• 四个数据缓存单位
• 六个多媒体单位、两个平行移位单位、一个平行乘法器与一个群组计数器
• 两个浮点乘积累加器，两个“杂项的”浮点单位
• 三个分支单位

因此，编译器能时常聚集指令进入同时能运行的六个的群组。因为浮点单位运行一次乘积累加运算，当应用程序需要将相加数值做乘积，一个浮点指令就能运行二个指令的工作：这在科学处理中非常常见。当这种情况发生后，处理器就能在每个周期运行四个指令（4 FLOPS）。比方来说，800 MHz的安腾理论运算能力为3.2 GFLOPS，然后最快的安腾2，时脉为1.67 GHz的运算能力则达6.67 GFLOPS。

安腾2处理器阶层式的使用共享的缓存。等级1（L1）有16KB的指令缓存与16KB的数据缓存。等级2（L2）是256KB的统一型（指令与数据共用）缓存。L3也是统一型的缓存，不过大小从1.5MB至24MB不等。在256KB的L2缓存中包含了足够的逻辑电路来处理信号标就不需要使用到算术逻辑单元（ALU）。

主内存则是通过总线联系至芯片组来访问。安腾2的总线最初称之为McKinley bus，不过现在通常直接称之为安腾总线。该总线的速度会因为新处理器的发布而显著提升。总线在每个周期传输2×128个比特，所以200 MHz总线的传输率达6.4 GB/s，而533 MHz的总线的传输率则是高达17.056 GB/s。[13]

在2006年之前推出的安腾处理器一概支持IA-32架构来支持旧有的服务器应用程序，但是与同世代的原生x86来比性能是相当糟糕的。而在2005年英特尔开发出IA-32 EL软件仿真器来提供更好的性能。在Montecito，英特尔移除了IA-32的硬件支持。

虽然Montecito没有IA-32的能力，但是英特尔也在增强了一些功能在这颗内核上。[14]该架构支持硬件多线程，也就是一颗处理器能够处理两个线程。当其中一个线程要去读写内存时，另一个线程就运行指令。英特尔为了区分在x86处理器的超线程，在安腾称之为“稀疏线程”（Coarse multithreading）。稀疏线程搭配安腾架构所得的性能增进是显而易见的。英特尔也在该内核上支持硬件的虚拟化技术。虚拟化技术能够在性能损失降到最低时同时运行多个操作系统。除此之外Montecito也具备了分离式L2缓存，添加专用的1 MB L2指令缓存，原本256 KB的L2缓存则是变成数据缓存。

在2007年，部分制造厂商提供搭载安腾2的系统，包含惠普，SGI、NEC、Fujitsu、Unisys、Hitachi与Groupe Bull。除此之外，英特尔也有提供机架[15]提供给系统组装员建造安腾系统。惠普则是业界前四大服务器制造厂中唯一一家提供安腾方案的系统供应商，超过80%的安腾2系统是由惠普制造出来的。在2006年第一季惠普售出多达7200组安腾系统。[16]左右系统的售价是取决于企业服务器与技术性运算的规模，平均一组系统造价约200,000美元。一般的安腾系统会搭载8颗以上的处理器。

安腾的总线接口是靠芯片组来联系的。企业服务器制造厂区分系统的不同点，是在于开发设计不同的芯片组来链接处理器到内存、内部链接还有周边控制器。这些芯片组在每个系统架构的设计中是非常重要的。目前而言，安腾的芯片组有惠普、Fujitsu、SGI、NEC、Hitachi与Unisys分别开发。IBM与英特尔分别于2003与2002年也有推出芯片组，但是他们并没有支持比较新的技术，像是DDR2或是PCI Express。[17]

安腾处理器在性能上显现出长足的进步。Merced是实做对架构的概念。而McKinley显著的提升缓存的等级而且让安腾能够与其他架构平起平坐。Madison则是借由转移到130纳米制程，能够增加缓存大小来克服主要性能的瓶颈。Montecito使用的是90纳米制程，允许实作双内核并且在能源效率上取得进步。Montvale加入了3个新功能：Core-level lockstep、demand-based switching与前端总线频率提升到667 MHz。