安腾

在1989年，惠普認為RISC架構將來會遇到每週期只能執行一個指令的瓶頸。而惠普的研究員在研究一個稱之為顯式並行指令運算（EPIC）的新架構，該架構允許處理器在一個週期內執行多條指令。EPIC是一種超長指令字（VLIW）架構，每個這種指令即包含多條小指令。使用EPIC技術後，編譯器就能決定讓這些小指令同時執行於單一週期，因此處理器能夠簡單的執行這些指令而不需要很複雜的架構去決定哪些指令能夠並行執行[2]。[3]

惠普認為它對個別企業系統公司不具有足夠的成本效益來自行開發自己的處理器，所以惠普在1994年與英特尔結為合作夥伴來開發EPIC為基礎的IA-64架構。而英特尔預測IA-64微處理器將會被使用多數的企業系統製造業採用而給予大量的開發資源。在1998年，惠普與英特尔發表共同的大規模合作開發的成品，內部代號為Merced。[3]

在開發期間，英特尔、惠普還有工業分析家預測IA-64將會支配伺服器、工作站、高階電腦，甚至取代RISC與CISC架構的所有既有產品。此預測導致Compaq與Silicon Graphics決定放棄Alpha與MIPS架構的未來開發計畫而偏愛轉移至IA-64架構。[4]

數個集團分別開始為該架構開發作業系統，包含Microsoft Windows、Linux與Unix的衍生版本像是惠普-UX、Solaris、Tru64 UNIX與Project Monterey[5]（後三者在進入市場之前就已被取消）。在1997年發現IA-64架構與該編譯器的開發難度比預期還要高，所以Merced的推出時間就一再順延。[6]該技術困難包含需要非常大量的電晶體才能處理超長指令與大量快取。在該架構的專案還有一些結構性的問題，在兩部分的整合團隊使用不同的演算法而有些微不同的優先度。自從第一顆EPIC架構的處理器Merced推出後，開發團隊也陸續遭遇更多之前未預料到的問題。除此之外，EPIC的概念依賴於編譯器的處理能力，而之前完全沒有實作過，所以許多未預測到的研究也出現。

英特尔在1999年10月4日發表該處理器的官方名稱安腾。[7]幾小時之後觀察家指出該處理器參考Itanic，[8]源自於Titanic，在1912年沉沒的號稱“不可能”沉沒的遠洋郵輪。不少評論媒體暗示安腾像是個大白象耗資億元的產物卻無法達到既定效能與銷售量。但此時RISC與CISC的架構長足的增強超純量的性能，能夠不使用EPIC的技術來破除單一週期只能執行一個指令的魔咒。

第一代安腾在2001年6月推出，但是卻不優於同時代的RISC與CISC處理器。安腾與x86的低階伺服器（小於4 CPU的系統）競爭，還有跟高階的IBM POWER架構與SPARC架構競爭市場。而英特尔重新定位安腾指向高階商務與高效能運算系統，嘗試去複製x86架構中非常成功的橫向市場發展（單一架構，多個系統製造廠）。不過卻被侷限在業界不想更換惠普製造的PA-RISC與Alpha，還有SGI製MIPS架構的高性能運算系統。因為當x86架構切入商用市場上，POWER與SPARC架構還算是很強健的。以預算為主的考量，x86在商用運算的橫向發展中是非常優秀的選擇。惠普與英特尔此時發現安腾無法與其他系統相提並論，就在一年後就推出安腾2來取代舊有的安腾。由於缺乏足夠的產額、差勁的性能，還有高售價，第一代安腾只有售出幾千組系統。不過這些系統在開發安腾2的軟體時是相當有用的。不過既使如此，IBM還是有製造出搭載此處理器的超級電腦。[9]

每個128位元的指令字就包含三個小指令，預讀機制可以在每個週期中從L1 快取中讀取兩個指令到管線。當編譯器能夠在這個機制上獲得最大優勢，處理器就能在每個週期中執行六條指令。該處理器在11個群組中有30個功能性執行單位。每一個單位能夠執行指令集中的特殊子集，除非為了等候資料中止執行，否則每個單位就會每個週期執行一個指令。且並不是在一個群組的所有單位執行指令集的相同子集，而是共同的指令能在多個單位中被執行。這些群組包括：

• 六個一般的ALU、兩個整數單位與一個移位單位
• 四個資料快取單位
• 六個多媒體單位、兩個平行移位單位、一個平行乘法器與一個群組計數器
• 兩個浮點乘積累加器，兩個“雜項的”浮點單位
• 三個分支單位

因此，編譯器能時常聚集指令進入同時能執行的六個的群組。因為浮點單位執行一次乘積累加運算，當應用程式需要將相加數值做乘積，一個浮點指令就能執行二個指令的工作：這在科學處理中非常常見。當這種情況發生後，處理器就能在每個週期執行四個指令（4 FLOPS）。比方來說，800 MHz的安腾理論運算能力為3.2 GFLOPS，然後最快的安腾2，時脈為1.67 GHz的運算能力則達6.67 GFLOPS。

安腾2處理器階層式的使用共享的快取。等級1（L1）有16KB的指令快取與16KB的資料快取。等級2（L2）是256KB的統一型（指令與資料共用）快取。L3也是統一型的快取，不過大小從1.5MB至24MB不等。在256KB的L2快取中包含了足夠的邏輯電路來處理信號標就不需要使用到算術邏輯單元（ALU）。

主記憶體則是透過匯流排聯繫至晶片組來存取。安腾2的匯流排最初稱之為McKinley bus，不過現在通常直接稱之為安腾匯流排。該匯流排的速度會因為新處理器的發佈而顯著提升。匯流排在每個週期傳輸2×128個位元，所以200 MHz匯流排的傳輸率達6.4 GB/s，而533 MHz的匯流排的傳輸率則是高達17.056 GB/s。[13]

在2006年之前推出的安腾處理器一概支援IA-32架構來支援舊有的伺服器應用程式，但是與同世代的原生x86來比效能是相當糟糕的。而在2005年英特尔開發出IA-32 EL軟體模擬器來提供更好的效能。在Montecito，英特尔移除了IA-32的硬體支援。

雖然Montecito沒有IA-32的能力，但是英特尔也在增強了一些功能在這顆核心上。[14]該架構支援硬體多執行緒，也就是一顆處理器能夠處理兩個執行緒。當其中一個執行緒要去讀寫記憶體時，另一個執行緒就執行指令。英特尔為了區分在x86處理器的超執行緒，在安腾稱之為“稀疏執行緒”（Coarse multithreading）。稀疏執行緒搭配安腾架构所得的效能增進是顯而易見的。英特尔也在該核心上支援硬體的虛擬化技術。虛擬化技術能夠在性能損失降到最低時同時執行多個作業系統。除此之外Montecito也具備了分離式L2快取，新增專用的1 MB L2指令快取，原本256 KB的L2快取則是變成資料快取。

在2007年，部分製造廠商提供搭載安腾2的系統，包含惠普，SGI、NEC、Fujitsu、Unisys、Hitachi與Groupe Bull。除此之外，英特尔也有提供機架[15]提供給系統組裝員建造安腾系統。惠普則是業界前四大伺服器製造廠中唯一一家提供安腾方案的系统供应商，超過80%的安腾2系統是由惠普製造出來的。在2006年第一季惠普售出多達7200組安腾系統。[16]左右系統的售價是取決於企業伺服器與技術性運算的規模，平均一組系統造價約200,000美元。一般的安腾系統會搭載8顆以上的處理器。

安腾的匯流排介面是靠晶片組來聯繫的。企業伺服器製造廠區分系統的不同點，是在於開發設計不同的晶片組來連結處理器到記憶體、內部連結還有週邊控制器。這些晶片組在每個系統架構的設計中是非常重要的。目前而言，安腾的晶片組有惠普、Fujitsu、SGI、NEC、Hitachi與Unisys分別開發。IBM與英特尔分別於2003與2002年也有推出晶片組，但是他們並沒有支援比較新的技術，像是DDR2或是PCI Express。[17]

安腾處理器在性能上顯現出長足的進步。Merced是實做對架構的概念。而McKinley顯著的提升快取的等級而且讓安腾能夠與其他架構平起平坐。Madison則是藉由轉移到130奈米製程，能夠增加快取大小來克服主要效能的瓶頸。Montecito使用的是90奈米製程，允許實作雙核心並且在能源效率上取得進步。Montvale加入了3個新功能：Core-level lockstep、demand-based switching與前端匯流排頻率提升到667 MHz。