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2009年3月，英特尔宣布推出基于45nm工艺和全新微架构的至强处理器，代号Nehalem-EP，包括12款至强5500系列产品面向双路主流市场和3款至强3500系列产品面向单路市场。该处理器由于采用了全新的微架构而被称作是自PentiumPro以来最具革命性的x86服务器处理器产品。 Nehalem-EP系列至强处理器内核数虽然同样为四核，但是与至强5400的最大区别在于统一封装在了一个DIE上，并且将FSB前端总线彻底抛弃，转而采用了QPI总线（快速互联通道），并且加入了能动态调节处理器主频频率和功耗的TurboBoost睿频技术。此外，HT超线程技术的回归让逻辑处理器一下上升到了8个，而IntegratedPowerGate功率门技术和新一代VT硬件虚拟化，集成的三通道DDR3内存控制器都华丽丽的让Nehalem黄袍加身，成为当时x86领域的性能之王。而取代FSB的QPI总线彻底解决了多路互连的瓶颈，是Nehalem架构的精髓所在。
根据英特尔的官方数字，至强5500相比上一代产品性能提升了1.25倍，带宽提升了2.5倍，而功耗则降低了一半。该系列处理器有W、X、E、L五个子类别，除最低端的E5502是双核心型号外均为四核心，集成7.31亿个晶体管，主频1.86-3.20GHz不等，QPI总线频率4.8/5.86/6.4GT/s，三级缓存4/8MB，热设计功耗60/80/95/130W，支持DDR3内存频率低则800MHz、高则1333MHz，最大容量144GB(18×8GB)或192GB(12×16GB)，插槽为LGA1366。 Xeon3500系列代号Nehalem-WS，有W3570/W3540/W3520三款，就规格而言分别与Corei7-965/940/920完全相同，也是四核心八线程、3.20/2.93/2.66GHz频率、8MB三级缓存、QPI总线频率6.4GT/s或4.8GT/s、热设计功耗130W。 此外还有两款嵌入式服务器处理器XeonL5518/L5508，也是Nehalem架构产物，前者主频2.13GHz、热设计功耗60W，后者主频2.00GHz、热设计功耗38W，均面向通信市场领域，享受长达七年的生命周期支持。 之后，在2010年3月，英特尔又发布了基于Nehalem微架构面向四路和八路市场的至强7500处理器，代号“Nehalem-EX”。该系列处理器与至强7400相比性能提升也是巨大的，首先工艺升级到45nm，意味着功耗的降低，而八核心16线程的设计也让至强7500成为新的性能王。四条QPI总线意味着四路系统中任意两个内核可以直接通讯，通过第三方节点控制器最多可以支持八路并联——也就是单一节点最多可以拥有64核心，128个逻辑线程。 至强7500核心面积近600多平方毫米，集成23亿个晶体管。这么多晶体管，除了八核心之外，还拥有多达24MB的三级缓存，四条QPI总线等。其他如内存控制器、VT硬件虚拟化和睿频支持都与Nehalem-EP相似。但是插槽是LGA1567，其热设计功耗最高为130W。
至强7500系列处理器首批共有八款型号，其中XeonX7560/X7550/L7555都是八核心，主频最高2.26GHz，三级缓存最多24MB，热设计功耗最高130W，QPI总线频率最高6.40GT/s；XeonE7540/E7530/L7545/X7542都是六核心，主频1.86-2.00GHz，三级缓存18MB，热设计功耗95-130W，其中X7542不支持超线程，但主频高达2.66GHz；XeonE7520则是四核心，主频1.86GHz，三级缓存也有18MB，QPI总线仅为4.80GT/s，不支持TurboBoost加速技术。 此外还有一个衍生的至强6500系列处理器，包括XeonX6550/E6540/E6510三款型号，分别为八、六、四核心，专为需要大容量内存的双路服务器提供低价解决方案。 值得注意的是，至强7500中首次引入了多达22条RAS特性，这是原先在传统RISC处理器中才具有的高可靠性和可用性特性。这些特性保证了x86处理器在关键业务中也能一展拳脚。此外，至强7500对内存容量的支持增加了四倍（四路最多1TB），对虚拟机动态迁移的特性支持以及高I/O特性也保证了该产品在虚拟化和数据库业务方面的强势。 英特尔官方介绍表示，至强7500系列处理器的性能是至强7400的三倍，可以取代20套四路单核至强服务器系统，且能耗要低92%。
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