12代酷睿對比此前的CPU，異構(gòu)設(shè)計到底是一場怎樣的革命？

說起現(xiàn)代處理器的設(shè)計，主要有兩種常見模式，一種是優(yōu)先采用多核心設(shè)計，通過多核心的方法來提高并行計算的能力，另一種就是優(yōu)先高頻率，通過高頻率來直接的提高計算能力。然而我們知道，處理器頻率的提升是越往后越困難的，這個困難并不是提升頻率本身的技術(shù)方面有困難，而是提升之后產(chǎn)生的持續(xù)的高發(fā)熱難以解決，同時在功耗方面，在頻率超過一定的值以后，功耗會急劇的增加（這也是高發(fā)熱量的根本原因），盡管這個功耗我們可以提供，但是顯然并不值得。

當(dāng)然，“優(yōu)先高頻率”的模式也有曲線救國的方法，比如通過改進(jìn)架構(gòu)設(shè)計、采用更先進(jìn)的制程技術(shù)等等，這樣就是可以在同樣時鐘頻率的情況下實現(xiàn)更高的計算性能，但是無論如何這些方法都比“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”的模式要復(fù)雜和困難很多，于是“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”的模式不可避免的成為簡單、取巧的解決方案。

異構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)全應(yīng)用場景下的體驗提升

然而，對于中央處理器CPU來說，“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”的模式在根本上是有問題的，與進(jìn)行圖像渲染的圖形處理器GPU不同，CPU并不是用來做特定用途的一種處理器，拿筆者很喜歡的一個例子來說就是，如果說GPU是一個很擅長做粵菜的一個粵式餐飲店，那么CPU就是一棟大酒樓，八大菜系全都要會，或許它出品的粵菜方面并不及一個專精粵菜的粵式餐飲店，但是它保證了你走進(jìn)它的時候，無論提出什么要求，起碼它是能做出來這道菜的。

也就是說，CPU是用來處理復(fù)雜問題的，它涉及到的要處理的問題各種各樣，所以很多時候它并不像GPU那樣能把特定的問題分解成可以同時進(jìn)行的小問題來解決。比如GPU要渲染一幅大圖像，它可以將一幅大圖像切成很多個小塊，每個計算單元負(fù)責(zé)渲染一個小塊，最終它們都渲染出來拼接好就是解決了最初的那個問題。

但是CPU要解決的問題，可能并不能分解成可以同時進(jìn)行的，因為這個問題的每一步進(jìn)行都需要上一步的結(jié)果，那么這種情況下，就只能通過提高頻率，或者說提高單線程計算能力來加快計算時間了，“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”的模式在這里就行不通，這也是為什么對于很多游戲應(yīng)用來說，多核心性能強的處理器并不能帶來更好的體驗的原因。

那么總結(jié)一下就是，CPU作為是用來解決復(fù)雜問題的中央處理器來說，它是需要采用“優(yōu)先高頻率”的設(shè)計模式才能提升它在所有應(yīng)用場景下的體驗提升的，然而，“優(yōu)先高頻率”的設(shè)計模式又相較于“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”的模式而言困難很多，并且在可以并行計算的應(yīng)用場景（比如圖像渲染）下，“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”的模式（比如GPU）就是能實現(xiàn)更快的計算。

正式由于這樣的矛盾，Intel第12代酷睿處理器推出了異構(gòu)設(shè)計，既沒有放棄“優(yōu)先高頻率”的設(shè)計模式，用性能核（P-Core）繼續(xù)增強了單線程的計算能力，同時又加入了能效核（E-Core）的設(shè)計，讓其在可以并行計算的應(yīng)用場景下，可以用多核心設(shè)計來實現(xiàn)更快的計算，這樣，就可以說在全應(yīng)用場景下，它的使用體驗都得到了提升。

異構(gòu)設(shè)計并不同于ARM架構(gòu)的大小核

今天要說的另外一個重要的點是，由于此前ARM架構(gòu)的大小核設(shè)計太深入人心，很多人以為Intel第12代酷睿處理器的異構(gòu)設(shè)計就是把ARM架構(gòu)的大小核設(shè)計搬入到X86體系中而已。

其實并不是這樣。

要說明這個問題，我們還是得再深入了解一點性能核（P-Core）和能效核（E-Core）。

性能核：相比11代IPC性能提升19%

Intel第12代酷睿處理器性能核的曾用代號是Golden Cove，是Sunny Cove與Willow Cove這條核心線路下的直系后代。

性能核旨在提高速度，突破低時延和單線程應(yīng)用程序性能的限制。全新性能核微架構(gòu)帶來了顯著增速同時更好地支持代碼體積較大的應(yīng)用程序，與現(xiàn)有CPU架構(gòu)相比，性能核的改動可以歸納為更寬、更深、更智能。

Golden Cove這次直接拓寬了前端，解碼長度從16字節(jié)翻倍到32字節(jié)，****由4個增至6個，每時鐘周期執(zhí)行微指令從6增至8。微指令隊列每個線程從70條目增加到72條目，單線程則從70增加到144。微指令緩存從2.25K擴大到4K，增加了命中率與前端帶寬。

增強了編碼預(yù)取能力，4K指令TLB從128條目增加到256條目，2M/4M指令TLB從16條目增加到32條目，分支目標(biāo)從5K增至12K，同時改進(jìn)了分支預(yù)測精度，具備更智能的編碼預(yù)取機制。整數(shù)執(zhí)行引擎增加了第五個通用執(zhí)行端口，五個端口都有ALU和LEA單元，增加ALU數(shù)量很重要，因為ALU操作非常普遍，很多軟件都對其加以利用。

矢量執(zhí)行引擎在端口1和端口5下方各加了一個FADD快速加法器，此前Intel的處理器浮點加發(fā)都是交由FMA單元處理的，在端口0和1上需要4個時鐘周期，而端口5上則要6個時鐘周期，現(xiàn)在交由FADD做的話只需要3個時鐘周期，效率更高而且延遲更低。FMA單元現(xiàn)在支持FP16浮點數(shù)據(jù)類型，它屬于AVX-512指令集的一部分，這在加速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面非常有效。

此外端口5上還多了個AMX單元，它的全稱是Advanced Matrix Extensions高級矩形擴展，它可執(zhí)行矩陣乘法運算，現(xiàn)在支持AVX512_VNNI的處理器每個內(nèi)核每時鐘周期可執(zhí)行256次int8運算，而現(xiàn)在借助AMX可讓這性能提升至8倍，達(dá)到每時鐘周期執(zhí)行2048次int8運算，這可用于AI學(xué)習(xí)推理和訓(xùn)練，讓處理器的AI性能大幅加速。

緩存系統(tǒng)方面，增加了一個AGU Load的端口，載入端口從2個增加到3個，吞吐量提高了50%，可同時載入3組256bit的數(shù)據(jù)或2組512bit的數(shù)據(jù)，這有效的降低了L1緩存延遲， 同時加深了載入與存儲緩存區(qū)，使其具備更強的內(nèi)存并行性，對大型數(shù)據(jù)和代碼體積較大的應(yīng)用程序提供更好的支持。

L1數(shù)據(jù)TLB從64條目增加到96條目，L1數(shù)據(jù)緩存可并行多獲取25%以上的未命中，數(shù)據(jù)預(yù)取器得到了增強，可面對更強的亂序執(zhí)行架構(gòu)，可同時服務(wù)4個page-table walks，較上代架構(gòu)翻了一倍，這對現(xiàn)代大型、不規(guī)則數(shù)據(jù)集的工作負(fù)載更為有利。

L2緩存桌面與移動端每核心還是和Tiger Lake一樣是1.25MB，但與現(xiàn)在11代桌面處理器相比則是增加了150%，服務(wù)器的Sapphire Rapids則是每核心2MB，優(yōu)化了全寫入預(yù)測帶寬，減少內(nèi)存讀取。

Golden Cove相比目前第11代酷睿桌面處理器的Cypress Cove，在通用性能的ISO頻率下，針對大范圍的工作負(fù)載實現(xiàn)了平均約19%的性能提升，可以理解成IPC提升了這么多。

能效核：同頻比10代還強1%

Gracemont是Intel第12代酷睿處理器能效核的曾用代號，它是Atom處理器所用的Mont系列的第七代架構(gòu)，它更追求能效，會在多線程以及線程吞吐上有所加強。此高能效x86微架構(gòu)在有限的體積內(nèi)實現(xiàn)多核任務(wù)負(fù)載，并具備寬泛的頻率范圍。它能夠通過低電壓能效核降低整體功率消耗，為更高頻率運行提供功率熱空間。這也讓能效核提升性能，以滿足更多動態(tài)任務(wù)負(fù)載。

能效核可以利用各種技術(shù)進(jìn)步，在不額外增加處理器功率的情況下對工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)先級排序，并改進(jìn)處理器的IPC性能。

Gracemont大幅擴大了分支預(yù)測器，現(xiàn)在擁有5000個條目的分支目標(biāo)緩存區(qū)，實現(xiàn)更準(zhǔn)確的分支預(yù)測。一級指令緩存增大到64KB，在不耗費內(nèi)存子系統(tǒng)功率的情況下保存可用指令，它還擁有Intel的首款按需指令長度****，可生成預(yù)解碼信息，加速具有大量代碼的現(xiàn)代工作負(fù)載。采用兩組三寬度的簇亂序執(zhí)行****，可在保持能效的同時，每時鐘周期解碼多達(dá)6條指令。

后端執(zhí)行單元拓寬了，具備5組寬度分配、8組寬度引退、256個亂序窗口入口和17個執(zhí)行端口，共計擁有4個整數(shù)ALU、2個載入AGU、2個存儲AGU、2個跳轉(zhuǎn)端口、2個整數(shù)存儲數(shù)據(jù)、2個浮點/矢量存儲、2個浮點/矢量堆棧、以及第3矢量ALU。

存儲系統(tǒng)采用了雙載入雙存儲的配置，每4個核心共享4MB二級緩存，緩存帶寬高達(dá)64 Bytes/cycle，延遲則是17時鐘周期，并支持深度緩沖、高級預(yù)取器和Intel資源調(diào)配技術(shù)。

指令集方面，支持控制流強制技術(shù)和虛擬化技術(shù)重定向保護(hù)等功能；同時它也是首款支持AVX2指令集的“Mont”核心，以及支持整數(shù)人工智能操作的新擴展。

與Skylake核心相比，能效核能夠在相同功耗下實現(xiàn)40%的單線程性能提升，或者只有不到40%的功耗提供相同的性能。與雙核四線程Skylake相比，四個能效核能夠在功耗更低的情況下同時帶來80%的性能提升，或者在提供相同性能的同時功耗減少80%。

P-Core性能核的目的是提升處理器的單線程性能，而E-Core效能核的目的設(shè)計目的則是用更低的功耗來提升多線程性能，根據(jù)Intel的示意圖，四個效能核加起來才等于一個性能核那么大。

在相同頻率下，P-Core的性能比10代酷睿（也就是Skylake）提升了28%，比11代酷睿提升了14%，而E-Core的性能也是要比經(jīng)典的10代酷睿高1%的?？梢钥吹?，E-Core效能核的的性能并不低，這與ARM處理器的小核為了省電而幾乎放棄性能的做法是不同的，E-Core存在的首要目的并不是省電，而是為了多線程性能，在同樣的芯片面積下，將一個性能核P-Core換成四個效能核E-Core，可以極大的提升在執(zhí)行并行計算時候的多線程性能。

總結(jié)

如同一個集大成者，12代酷睿的異構(gòu)設(shè)計融合了“優(yōu)先高頻率”和“優(yōu)先采用多核心設(shè)計”這兩種現(xiàn)代處理器的設(shè)計模式，通過性能核（P-Core）和能效核（E-Core）的異構(gòu)設(shè)計即增強了單線程的計算能力，同時又讓其在可以并行計算的應(yīng)用場景下，可以用多核心設(shè)計來實現(xiàn)更快的計算，實現(xiàn)全應(yīng)用場景下的體驗提升。

12代酷睿的異構(gòu)設(shè)計盡管看起來有些像是ARM架構(gòu)的大小核設(shè)計，實為全新的一種設(shè)計理念，能效核（E-Core）并不是如同ARM處理器中的小核那樣為了省電的目的而去設(shè)計的，而是為了增加處理器的多線程計算能力而設(shè)計的，這樣設(shè)計出來的能效核具有很小的核心面積，可以在同樣尺寸的芯片面積下實現(xiàn)最大化的多線程計算性能，由于最終是為了計算性能，所以每個能效核的計算能力并不差，同頻下相比10代的酷睿還有1%的性能水準(zhǔn)提升。