12代酷睿對比此前的CPU，異構設計到底是一場(chǎng)怎樣的革命？

說(shuō)起現代處理器的設計，主要有兩種常見(jiàn)模式，一種是優(yōu)先采用多核心設計，通過(guò)多核心的方法來(lái)提高并行計算的能力，另一種就是優(yōu)先高頻率，通過(guò)高頻率來(lái)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(gè)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)生的持續的高發(fā)熱難以解決，同時(shí)在功耗方面，在頻率超過(guò)一定的值以后，功耗會(huì )急劇的增加（這也是高發(fā)熱量的根本原因），盡管這個(gè)功耗我們可以提供，但是顯然并不值得。

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

異構設計實(shí)現全應用場(chǎng)景下的體驗提升

然而，對于中央處理器CPU來(lái)說(shuō)，“優(yōu)先采用多核心設計”的模式在根本上是有問(wèn)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(lái)做特定用途的一種處理器，拿筆者很喜歡的一個(gè)例子來(lái)說(shuō)就是，如果說(shuō)GPU是一個(gè)很擅長(cháng)做粵菜的一個(gè)粵式餐飲店，那么CPU就是一棟大酒樓，八大菜系全都要會(huì )，或許它出品的粵菜方面并不及一個(gè)專(zhuān)精粵菜的粵式餐飲店，但是它保證了你走進(jìn)它的時(shí)候，無(wú)論提出什么要求，起碼它是能做出來(lái)這道菜的。

也就是說(shuō)，CPU是用來(lái)處理復雜問(wèn)題的，它涉及到的要處理的問(wèn)題各種各樣，所以很多時(shí)候它并不像GPU那樣能把特定的問(wèn)題分解成可以同時(shí)進(jìn)行的小問(wèn)題來(lái)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(gè)小塊，每個(gè)計算單元負責渲染一個(gè)小塊，最終它們都渲染出來(lái)拼接好就是解決了最初的那個(gè)問(wèn)題。

但是CPU要解決的問(wèn)題，可能并不能分解成可以同時(shí)進(jìn)行的，因為這個(gè)問(wèn)題的每一步進(jìn)行都需要上一步的結果，那么這種情況下，就只能通過(guò)提高頻率，或者說(shuō)提高單線(xiàn)程計算能力來(lái)加快計算時(shí)間了，“優(yōu)先采用多核心設計”的模式在這里就行不通，這也是為什么對于很多游戲應用來(lái)說(shuō)，多核心性能強的處理器并不能帶來(lái)更好的體驗的原因。

那么總結一下就是，CPU作為是用來(lái)解決復雜問(wèn)題的中央處理器來(lái)說(shuō)，它是需要采用“優(yōu)先高頻率”的設計模式才能提升它在所有應用場(chǎng)景下的體驗提升的，然而，“優(yōu)先高頻率”的設計模式又相較于“優(yōu)先采用多核心設計”的模式而言困難很多，并且在可以并行計算的應用場(chǎng)景（比如圖像渲染）下，“優(yōu)先采用多核心設計”的模式（比如GPU）就是能實(shí)現更快的計算。

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

異構設計并不同于A(yíng)RM架構的大小核

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

其實(shí)并不是這樣。

要說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們還是得再深入了解一點(diǎn)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(xiàn)路下的直系后代。

性能核旨在提高速度，突破低時(shí)延和單線(xiàn)程應用程序性能的限制。全新性能核微架構帶來(lái)了顯著(zhù)增速同時(shí)更好地支持代碼體積較大的應用程序，與現有CPU架構相比，性能核的改動(dòng)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(cháng)度從16字節翻倍到32字節，****由4個(gè)增至6個(gè)，每時(shí)鐘周期執行微指令從6增至8。微指令隊列每個(gè)線(xiàn)程從70條目增加到72條目，單線(xiàn)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，分支目標從5K增至12K，同時(shí)改進(jìn)了分支預測精度，具備更智能的編碼預取機制。整數執行引擎增加了第五個(gè)通用執行端口，五個(gè)端口都有ALU和LEA單元，增加ALU數量很重要，因為ALU操作非常普遍，很多軟件都對其加以利用。

矢量執行引擎在端口1和端口5下方各加了一個(gè)FADD快速加法器，此前Intel的處理器浮點(diǎn)加發(fā)都是交由FMA單元處理的，在端口0和1上需要4個(gè)時(shí)鐘周期，而端口5上則要6個(gè)時(shí)鐘周期，現在交由FADD做的話(huà)只需要3個(gè)時(shí)鐘周期，效率更高而且延遲更低。FMA單元現在支持FP16浮點(diǎn)數據類(lèi)型，它屬于A(yíng)VX-512指令集的一部分，這在加速網(wǎng)絡(luò )應用方面非常有效。

此外端口5上還多了個(gè)AMX單元，它的全稱(chēng)是Advanced Matrix Extensions高級矩形擴展，它可執行矩陣乘法運算，現在支持AVX512_VNNI的處理器每個(gè)內核每時(shí)鐘周期可執行256次int8運算，而現在借助AMX可讓這性能提升至8倍，達到每時(shí)鐘周期執行2048次int8運算，這可用于A(yíng)I學(xué)習推理和訓練，讓處理器的AI性能大幅加速。

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

L1數據TLB從64條目增加到96條目，L1數據緩存可并行多獲取25%以上的未命中，數據預取器得到了增強，可面對更強的亂序執行架構，可同時(shí)服務(wù)4個(gè)page-table walks，較上代架構翻了一倍，這對現代大型、不規則數據集的工作負載更為有利。

L2緩存桌面與移動(dòng)端每核心還是和Tiger Lake一樣是1.25MB，但與現在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(xiě)入預測帶寬，減少內存讀取。

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載實(shí)現了平均約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，它更追求能效，會(huì )在多線(xiàn)程以及線(xiàn)程吞吐上有所加強。此高能效x86微架構在有限的體積內實(shí)現多核任務(wù)負載，并具備寬泛的頻率范圍。它能夠通過(guò)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(mǎn)足更多動(dòng)態(tài)任務(wù)負載。

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大幅擴大了分支預測器，現在擁有5000個(gè)條目的分支目標緩存區，實(shí)現更準確的分支預測。一級指令緩存增大到64KB，在不耗費內存子系統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(cháng)度****，可生成預解碼信息，加速具有大量代碼的現代工作負載。采用兩組三寬度的簇亂序執行****，可在保持能效的同時(shí)，每時(shí)鐘周期解碼多達6條指令。

后端執行單元拓寬了，具備5組寬度分配、8組寬度引退、256個(gè)亂序窗口入口和17個(gè)執行端口，共計擁有4個(gè)整數ALU、2個(gè)載入AGU、2個(gè)存儲AGU、2個(gè)跳轉端口、2個(gè)整數存儲數據、2個(gè)浮點(diǎn)/矢量存儲、2個(gè)浮點(diǎn)/矢量堆棧、以及第3矢量ALU。

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

指令集方面，支持控制流強制技術(shù)和虛擬化技術(shù)重定向保護等功能；同時(shí)它也是首款支持AVX2指令集的“Mont”核心，以及支持整數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(shí)現40%的單線(xiàn)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(xiàn)程Skylake相比，四個(gè)能效核能夠在功耗更低的情況下同時(shí)帶來(lái)80%的性能提升，或者在提供相同性能的同時(shí)功耗減少80%。

P-Core性能核的目的是提升處理器的單線(xiàn)程性能，而E-Core效能核的目的設計目的則是用更低的功耗來(lái)提升多線(xiàn)程性能，根據Intel的示意圖，四個(gè)效能核加起來(lái)才等于一個(gè)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(xiàn)程性能，在同樣的芯片面積下，將一個(gè)性能核P-Core換成四個(gè)效能核E-Core，可以極大的提升在執行并行計算時(shí)候的多線(xiàn)程性能。

總結

如同一個(gè)集大成者，12代酷睿的異構設計融合了“優(yōu)先高頻率”和“優(yōu)先采用多核心設計”這兩種現代處理器的設計模式，通過(guò)性能核（P-Core）和能效核（E-Core）的異構設計即增強了單線(xiàn)程的計算能力，同時(shí)又讓其在可以并行計算的應用場(chǎng)景下，可以用多核心設計來(lái)實(shí)現更快的計算，實(shí)現全應用場(chǎng)景下的體驗提升。

12代酷睿的異構設計盡管看起來(lái)有些像是ARM架構的大小核設計，實(shí)為全新的一種設計理念，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計的，而是為了增加處理器的多線(xiàn)程計算能力而設計的，這樣設計出來(lái)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(shí)現最大化的多線(xiàn)程計算性能，由于最終是為了計算性能，所以每個(gè)能效核的計算能力并不差，同頻下相比10代的酷睿還有1%的性能水準提升。