Alder Lake將采用性能核+能效核的混合構(gòu)架

其實(shí)2020年的構(gòu)架日，英特爾便提及了AlderLake將采用混合構(gòu)架的信息，不過(guò)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有展開(kāi)具體內(nèi)容。時(shí)隔一年，英特爾將Alder Lake除了需要在10月發(fā)布會(huì)上公布的具體參數(shù)外的所有構(gòu)架信息公之于眾。

按此前公布的產(chǎn)品路線圖，Alder Lake采用了Intel 7的優(yōu)化設(shè)計(jì)，按英特爾自己的說(shuō)法，這是至Skylake以來(lái)，英特爾十多年來(lái)為x86架構(gòu)帶來(lái)的最大進(jìn)展之一。其中最核心的技術(shù)便是“性能混合架構(gòu)”，將處理器核心分為性能核（P-Core）和能效核（E-Core），分別為8核16線程和8核8線程構(gòu)架。

比起以往英特爾采用過(guò)的Atom Mont核，新的能效核微架構(gòu)能夠在低電壓下運(yùn)行，以降低功耗，同時(shí)為在更高頻率下工作創(chuàng)造內(nèi)部功率空間。如果與Skylake相比，單個(gè)能效核比單個(gè)個(gè)Skylake內(nèi)核性能提升40%，功耗反而降低40%。Skylake 內(nèi)核要達(dá)到同樣的性能，功 耗會(huì)增加 2.5 倍。

Alder Lake的性能核同樣被稱(chēng)為“迄今為止性能最高的CPU內(nèi)核”，比起11代酷睿的CypressCove，在通用性能的ISO頻率下，針對(duì)大范圍的工作負(fù)載實(shí)現(xiàn)了平均約19%的改進(jìn)。在我看來(lái)，這樣的表述主要還是為了表明在單線程情況下處理器的最大負(fù)荷能力，當(dāng)然具體的數(shù)值需要留待10月發(fā)布會(huì)時(shí)才會(huì)獲知。

英特爾進(jìn)一步表明，混合架構(gòu)與ARM的大小核的設(shè)計(jì)不同，比如性能核和能效核與傳統(tǒng)意義上的Cove和Mont并不相同，兩者間是基于構(gòu)架的結(jié)合，也就是性能混合的組合，由此可以組成一個(gè)更寬、更深、更智能的架構(gòu)，它的執(zhí)行并性行，時(shí)延和通用性能等參數(shù)上都超越以往的處理器平臺(tái)，更適于大數(shù)據(jù)集和大型代碼體積的應(yīng)用程序。另外，性能核和能效核之間可以分別采用更大跨度的產(chǎn)品，理論上可以將高性能的臺(tái)式機(jī)處理器和定位超輕薄的處理器以混合架構(gòu)的形式進(jìn)行組合。

當(dāng)然，有人會(huì)說(shuō)，采用混合構(gòu)架提升CPU平臺(tái)的功耗控制，對(duì)于臺(tái)式機(jī)平臺(tái)有什么作用呢？其實(shí)新構(gòu)架能夠帶給CPU更合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要知道一個(gè)能效核在DIE上僅占性能核的1/4，卻能有效增加多線程的執(zhí)行能力;而性能核則為追求更高的單線程高性能、低時(shí)延，并提供AI加速能力，這樣的構(gòu)架比以往更加合理。

此次英特爾并未公布性能核和能效核是否在同一電壓和頻率之下，不過(guò)按現(xiàn)有的資料來(lái)看，AlderLake很有可能采用同步多核的技術(shù)。目前ARM構(gòu)架的大小核很多都采用了異步多核架構(gòu)，雖然異步多核能夠?qū)崿F(xiàn)小核心更極端的低頻率、低功耗的運(yùn)行，但異步頻率架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生性能損失，核間通信延遲高。

更為高效的線程級(jí)資源調(diào)用—Intel Thread Director

英特爾混合構(gòu)架與其他大小核構(gòu)架的區(qū)別，我認(rèn)為最重要的還包含這個(gè)英特爾硬件線程調(diào)度器（Intel ThreadDirector），它集成在CPU的硬件控制器（微控制器）內(nèi)，主要能夠讓能效核和性能核實(shí)現(xiàn)智能協(xié)同運(yùn)行。

與A RM構(gòu)架大小核的資源調(diào)用不同，它首先是提供線程級(jí)的調(diào)用—“Thread Director”，并不參與到，具體任務(wù)的調(diào)用過(guò)程，而是將其與Windows 11的任務(wù)調(diào)度器對(duì)接，不需要軟件開(kāi)發(fā)人員改寫(xiě)需求。而ARM構(gòu)架大小核是按任務(wù)來(lái)調(diào)用核心資源，比如會(huì)將短信、時(shí)鐘、計(jì)算器等計(jì)算壓力不大的任務(wù)分配給省電的小核;而將游戲、視頻等任務(wù)分配給大核，雖然很多AMR構(gòu)架會(huì)開(kāi)放API供各個(gè)OEM廠商改寫(xiě)資源調(diào)用規(guī)則，但無(wú)論如何，軟件工程師都不可能完全預(yù)估用戶(hù)所有的應(yīng)用場(chǎng)景，所以有可能出現(xiàn)“一核累死、多核圍觀”的情況。

其次，英特爾硬件線程調(diào)度器的智能協(xié)同運(yùn)行按官方的原話是這樣描述的：“更精細(xì)地監(jiān)控指令組合、每?jī)?nèi)核當(dāng)前狀態(tài)以及相關(guān)的微架構(gòu)遙測(cè)，從而更智能地協(xié)助操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。它使用真實(shí)世界的硬件遙測(cè)來(lái)引導(dǎo)操作系統(tǒng)到正確的工作負(fù)載，這可以在正確的時(shí)間被引導(dǎo)到正確的核心。線程控制器是完全動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)的、自主的，而不是靜態(tài)的、確定性的、軟件的方法?！?/p>

我的理解是它采用了一個(gè)相對(duì)合理、動(dòng)態(tài)的調(diào)用機(jī)制的。比如在性能核占滿(mǎn)的情況下，有新的高性能需求的線程進(jìn)入，調(diào)度器會(huì)協(xié)調(diào)一個(gè)性能核線程到能效核當(dāng)中，保證高性能需求線程的及時(shí)響應(yīng)。我們

不妨來(lái)看看線程的實(shí)際調(diào)用情況：一般而言，需要更高性能和更低時(shí)延的矢量任務(wù)（深藍(lán)色）優(yōu)先使用性能核，標(biāo)量指令（綠色）和后臺(tái)任務(wù)（淺藍(lán)色）主要分配給能效核。上圖的影視內(nèi)容創(chuàng)造中便使用了這樣的規(guī)則。

Office場(chǎng)景下，AI線程（橙色）主要在性能核下執(zhí)行，而后臺(tái)程序（淺藍(lán)色）則進(jìn)入能效核。我們可以看到，幾乎所有的應(yīng)用場(chǎng)景下，英特爾的這套混合構(gòu)架非常注重性能的均衡，沒(méi)有出現(xiàn)1核跑滿(mǎn)，7核圍觀的情況出現(xiàn)。

另外，在我理解，英特爾硬件線程調(diào)度器只規(guī)定線程級(jí)的大規(guī)則，具體資源調(diào)的指令用交給Windows 11操作系統(tǒng)，這樣的好處在于僅通過(guò)Windows升級(jí)便能優(yōu)化資源調(diào)用效率，而且線程調(diào)用效率更高—約微秒的時(shí)間里確定一個(gè)線程的性質(zhì)、歸屬，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)度器需要上百甚至幾百微秒，還可能分配錯(cuò)誤。

不好的消息是，Windows 10系統(tǒng)的用戶(hù)極可能享受不到這一功能，因?yàn)樗鼉H有一個(gè)基礎(chǔ)版的Intel HGS（硬件指引調(diào)度），針對(duì)Intel Thread Director進(jìn)行優(yōu)化前安裝Alder Lake很可能僅是安裝了一個(gè)主核性能升級(jí)的Rocket Lake，所以能升級(jí)的用戶(hù)盡量升級(jí)?。。?！另外，據(jù)稱(chēng)英特爾也會(huì)針對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行優(yōu)化，目前暫未公布上市時(shí)間。

從產(chǎn)品形態(tài)來(lái)看，Alder Lake依舊包含了三類(lèi)產(chǎn)品，10月發(fā)布會(huì)會(huì)具體公布產(chǎn)品型號(hào)：

1. 高性能、雙芯片、插座式的臺(tái)式機(jī)設(shè)計(jì)，具有領(lǐng)先性能、能效、內(nèi)存和I/O。

2. 高性能筆記本處理器，采用BGA封裝，配置圖像單元，更大的 Xe 顯卡和Thunderbolt 4 連接。

3. 輕薄低功耗筆記本處理器，采用高密度封裝和配置優(yōu)化的I/O和電能輸出獨(dú)立顯卡終現(xiàn)，Xe HPG帶來(lái)完全不同的顯示微構(gòu)架構(gòu)架日前兩天，英特爾公布了高性能顯卡品牌“Intel Arc”，顯然是比銳炬更高端的產(chǎn)品線。英特爾已經(jīng)明確表示它將采用獨(dú)立顯卡構(gòu)架，并支持基于硬件的光線追蹤、AI驅(qū)動(dòng)的超級(jí)采樣，并完整支持DX12 Ultimate，這一點(diǎn)還是相當(dāng)令人激動(dòng)的。令我沒(méi)想到的是，蘋(píng)果M1顯示芯片的光追功能，居然也是采用的英特爾光線追蹤數(shù)據(jù)庫(kù)，不得不說(shuō)英特爾“軟件優(yōu)先”的強(qiáng)大實(shí)力依舊是行業(yè)領(lǐng)先的。

構(gòu)架日上，英特爾主要談及Xe顯卡的微架構(gòu)的設(shè)計(jì)方向，主要是關(guān)于高性能顯卡Xe HPG部分的內(nèi)容：此次，英特爾通過(guò)在一個(gè)統(tǒng)一的代碼庫(kù)中涵蓋集成和獨(dú)立顯卡產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，第一款高性能游戲顯卡將性能和質(zhì)量放在首位;英特爾已完成了內(nèi)核顯卡驅(qū)動(dòng)程序組件的重新架構(gòu)，特別是內(nèi)存管理器和編譯器，從而使計(jì)算密集型游戲的吞吐量提高了15% （至多80%），游戲加載時(shí)間縮短了25%。

Xe HPG是一款全新的獨(dú)立顯卡微架構(gòu)，Xe內(nèi)核包含了16個(gè)矢量引擎、16個(gè)矩陣引擎，為Alchemist系列SoC提供動(dòng)力，首批產(chǎn)品預(yù)計(jì)于2022年第一季度上市。值得注意的是，從這一代開(kāi)始，英特爾不再使用EU的概念，不再以此為衡量顯卡性能的單向標(biāo)準(zhǔn)。原因很簡(jiǎn)單，矢量引擎主要做畫(huà)面處理運(yùn)算，而全新的矩陣引擎（Xe Matrix eXtensions，XMX）則為了加速AI工作負(fù)載，提升游戲體驗(yàn)的指標(biāo)將更為豐富。另外，新顯卡還引入了一個(gè)全新升頻技術(shù)（upscaling technology）—XeSS，這是為了進(jìn)一步提高性能和游戲體驗(yàn)的新技術(shù)，英特爾會(huì)向包括競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在內(nèi)的產(chǎn)品上廣泛開(kāi)放這一技術(shù)，以提升這項(xiàng)技術(shù)的普及速度。

AI加速上，新的Xe顯卡內(nèi)置了XMX AI加速，它通過(guò)深度學(xué)習(xí)，可以合成接近原生高分辨率渲染質(zhì)量的圖像;另外還可實(shí)現(xiàn)對(duì)前一幀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，這其實(shí)也是通過(guò)相鄰像素，重建子補(bǔ)償幀的像素細(xì)節(jié)。另外，憑借DP4a指令，XeSS可以在包括集成顯卡在內(nèi)的各種硬件上提供基于AI的超級(jí)采樣，這為AI功能建立起一個(gè)良好的采樣基礎(chǔ)。

與此前Xe HP、Xe LP相比，Xe HPG也進(jìn)一步增強(qiáng)了功率釋放。的確，如今市面上的獨(dú)臺(tái)顯卡功率高至200W以上，針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的Xe LP明顯便不滿(mǎn)足競(jìng)爭(zhēng)要求，所以Xe HPG需要在功耗上“更有彈性”，而且采用了更高密度的TSMC N6制程，放入更多的處理單元，進(jìn)一步提升性能表現(xiàn)。

還需要談到的是，Xe HPG的產(chǎn)品將在英特爾的產(chǎn)品體系中延續(xù)多代，不僅包括首代基于Xe HPG微架構(gòu)的Alchemist SoC（DG2），還將包括代號(hào)分別為Battlemage、Celestial和Druid的后續(xù)幾代產(chǎn)品。

下一代數(shù)據(jù)中心處理器平臺(tái)SapphireRapids事實(shí)上，英特爾數(shù)據(jù)中心處理器平臺(tái)Ice Lake才在4月份發(fā)布，僅4個(gè)月之后，英特爾便在構(gòu)架日公布了基于Intel 7制程工藝技術(shù)制造的新一代數(shù)據(jù)中心處理器平臺(tái)Sapphire Rapids。比起上一代，它進(jìn)一步提升了速度、低時(shí)延和單線程應(yīng)用性能的極限，并對(duì)工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，以在云、微服務(wù)和AI等彈性計(jì)算模型上提供高性能。

Sapphire Rapids的另一核心優(yōu)勢(shì)在于采用了分區(qū)塊、模塊化的SoC架構(gòu)。它采用了英特爾的嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）封裝技術(shù)，在保持單晶片CPU接口優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，具有顯著的可擴(kuò)展性。

Sapphire Rapids上集成了英特爾加速器接口架構(gòu)指令集（AI A）、英特爾高級(jí)矩陣擴(kuò)展（AMX）、英特爾數(shù)據(jù)流加速器（DSA）在內(nèi)的內(nèi)置加速器引擎，以在各種客戶(hù)工作負(fù)載和使用中提升性能。

更為清晰地了解 IPU

在6月份發(fā)布這種可編程的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備平臺(tái)IPU之后，英特爾在架構(gòu)日進(jìn)一步宣稱(chēng)了這一設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。我們?cè)诖饲搬槍?duì)IPU進(jìn)行過(guò)2～3次專(zhuān)項(xiàng)報(bào)道，同時(shí)也對(duì)ACIS和FPGA兩大技術(shù)流融合的趨勢(shì)進(jìn)行了具體表述。具體就英特爾的IPU而言，它比CPU在性

能利用率上有更大的優(yōu)勢(shì)：

優(yōu)勢(shì)一：能清晰地隔離基礎(chǔ)設(shè)施功能和租戶(hù)的工作負(fù)載，從而使租戶(hù)可以全面掌控CPU

優(yōu)勢(shì)二：為基礎(chǔ)設(shè)施功能減負(fù)

優(yōu)勢(shì)三：它支持遷移到全面的無(wú)磁盤(pán)服務(wù)器架構(gòu)

另外，英特爾還談及了Mount Evans和OakSprings Canyon兩個(gè)IPU的基本應(yīng)用平臺(tái)：MountEvans是與一家一流的云服務(wù)提供商共同設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的，它融合了多代FPGA SmartNIC的經(jīng)驗(yàn);OakSprings Canyon是一個(gè)IPU參考平臺(tái)，基于英特爾至強(qiáng) D 處理器（Intel Xeon-D）和擁有業(yè)界領(lǐng)先的功率、效率、性能的英特爾 Agilex FPGA構(gòu)建。

英特爾還針對(duì)搭載至強(qiáng)服務(wù)器設(shè)計(jì)的SmartNIC開(kāi)放了代號(hào)為“Arrow Creek”的N6000加速開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它內(nèi)置英特爾Agilex FPGA和用于高性能100GB網(wǎng)絡(luò)加速的英特爾以太網(wǎng)800系列控制器，支持多種基礎(chǔ)設(shè)施工作負(fù)載，使通信服務(wù)提供商（CoSP）能夠提供靈活的加速工作負(fù)載，如JuniperContrai、l OVS和SRv6。

英特爾迄今為止最復(fù)雜的SoC

Ponte Vecchio是能充分顯示英特爾在生產(chǎn)端（IDM 2.0戰(zhàn)略）最強(qiáng)技術(shù)的產(chǎn)品之一。它擁有百億億次級(jí)運(yùn)算的能力以及英特爾目前最高水平的計(jì)算密度和帶寬。Ponte Vecchio基于XeHPC微架構(gòu)，采用多種先進(jìn)的半導(dǎo)體制程工藝、英特爾變革性的EMIB技術(shù)以及Foveros 3D封裝技術(shù)，提供業(yè)界領(lǐng)先的每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（FLOPs）和計(jì)算密度，以加速AI、HPC和高級(jí)分析工作負(fù)載。

Ponte Vecchio的核心，基于臺(tái)積電先進(jìn)的N5制程工藝技術(shù)，是一個(gè)密集的多個(gè)Xe內(nèi)核。它同樣基于Intel 7制程工藝，針對(duì)Foveros技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

它是一個(gè)集成化技術(shù)相當(dāng)高的多個(gè)GPU集合，它的一個(gè)基礎(chǔ)單元便相當(dāng)于一個(gè)GPU。

GPU間通過(guò)Xe 鏈路單元連接，支持每單元8個(gè)鏈路，也就是說(shuō)每個(gè)單元均能夠使用獨(dú)立鏈路與其他單元相連，核間通信效率相當(dāng)高。

進(jìn)展迅速的oneAPI

此外，英特爾還公布了oneAPI的最新進(jìn)展。自從2020年12月發(fā)布第一個(gè)版本以來(lái)，超過(guò)20萬(wàn)名開(kāi)發(fā)者在獲得Xe HPC之前就已經(jīng)安裝了英特爾的oneAPI產(chǎn)品。多個(gè)領(lǐng)域的獨(dú)立軟件開(kāi)發(fā)商已經(jīng)推出了超過(guò)300個(gè)采用oneAPI統(tǒng)一編程模型的應(yīng)用軟件。而且，英特爾有80多個(gè)支持Xe HPC的關(guān)鍵HPC應(yīng)用軟件、AI框架和中間件，它們利用oneAPI快速移植當(dāng)前基于CPU或CUDA的GPU實(shí)施。

寫(xiě)在最后：

構(gòu)架日最后，帕特·基辛格（P a tGelsinger）的一句”Intel is back”讓我們看到，曾經(jīng)那個(gè)惟技術(shù)第一的藍(lán)色巨人回來(lái)了。作為英特爾公司第一任CTO，作為主導(dǎo)過(guò)80486等在英特爾發(fā)展史上有標(biāo)志意義的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)人員，基辛格比以往任務(wù)一屆CEO都更希望英特爾能夠?qū)Ｗ⒂诩夹g(shù)路線的發(fā)展，所以英特爾最近半年才會(huì)以如此高的頻度向媒體一再講述英特爾在生產(chǎn)、技術(shù)和產(chǎn)品上的進(jìn)展。今天的構(gòu)架日公布如此多的信息，特別是像PonteVecchio這樣秀肌肉的產(chǎn)品，正是英特爾用產(chǎn)品宣告重回技術(shù)之巔的決心。