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本周四，英特爾架構(gòu)日用長達近兩個半小時的時間介紹了其在架構(gòu)創(chuàng)新以及相關(guān)新產(chǎn)品方面的進展。英特爾高級副總裁兼加速計算系統(tǒng)和圖形事業(yè)部總經(jīng)理Raja Koduri說：“架構(gòu)是硬件和軟件的‘煉金術(shù)’?！?/p>
英特爾高級副總裁兼加速計算系統(tǒng)和圖形事業(yè)部總經(jīng)理Raja Koduri
2016年，AMD發(fā)布全新CPU微架構(gòu)ZEN，幫助其在桌面CPU市場幾年間迅速接近甚至超越英特爾。今天，英特爾發(fā)布了全新的CPU架構(gòu)和兩個核心，將移動SoC中已廣泛應(yīng)用的CPU大小核（BIG.LITTLE）架構(gòu)率先引入桌面級CPU中。
英特爾在升級“看家”產(chǎn)品CPU的同時，也帶來了獨立GPU更詳細的信息。特別值得關(guān)注的是，英特爾首次展示了耗時近兩年，堪比登月難度創(chuàng)新后的產(chǎn)品Ponte Vecchio GPU，包含1000億個晶體管，這是英特爾迄今為止最高的計算密度產(chǎn)品，能提供業(yè)界最頂級的AI性能。
不止于此，英特爾還進一步介紹了全新的基礎(chǔ)設(shè)施處理器（IPU）。
從CPU到GPU再到IPU，每一個新的架構(gòu)和產(chǎn)品都是其XPU架構(gòu)戰(zhàn)略的體現(xiàn)，也用實際產(chǎn)品證明了芯片異構(gòu)的時代，軟件優(yōu)先的重要性。無論如何，英特爾全新的CPU值得消費者期待，而其GPU以及IPU，也將成為競爭對手重點關(guān)注的產(chǎn)品。
4年處理能力提升1000倍
AI、元宇宙、AR，都需要超高性能的處理器。每一位追求創(chuàng)新的客戶都給英特爾一個問題，到2025，英特爾能讓我們的工作負載處理能力有1000x（千倍級）的提升嗎？
“這個要求只給了我們4年時間，而1000倍可是摩爾定律的5次方?！?Raja說，“為了在2025年滿足1000x（千倍級）提升的需求，我們要在每個技術(shù)領(lǐng)域，實現(xiàn)至少4倍左右的摩爾定律提升，這些領(lǐng)域包括制程工藝、封裝、內(nèi)存和互連，架構(gòu)是將它們與軟件結(jié)合起來的‘煉金術(shù)’。這些技術(shù)的集合可以作為乘法因子，與4倍的提升相結(jié)合，就能提供處理繁重的工作負載所需的千倍提升，這同時例證了為何如今是成為架構(gòu)師的大好時代?！?/p>
2019年，兩位圖靈獎得主 John L. Hennessy 和 David A. Patterson發(fā)表長報告展望，未來的十年將是計算機體系架構(gòu)領(lǐng)域的“新的黃金十年”。
已經(jīng)準(zhǔn)備好先進制程（Intel7、Intel4、Intel3、Intel20A，以及外部代工廠），先進封裝技術(shù)（EMIB、Foveros），內(nèi)存（傲騰）和互聯(lián)技術(shù)的英特爾，處理能力可以像火箭一樣躍升嗎？
這需要先看英特爾的看家本領(lǐng)——CPU。
要以大小核的方法，奪回CPU領(lǐng)先優(yōu)勢
“我們的首要目標(biāo)是，打造世界上極高能效的x86 CPU內(nèi)核。與此同時大幅縮小芯片尺寸，以便多核工作負載可以根據(jù)需要，使用盡可能多的內(nèi)核進行拓展。我們還希望提供更寬的頻率范圍，以滿足更高需求的工作負載。”英特爾院士，英特爾x86能效核的首席架構(gòu)師Stephen Robinson介紹，
“基于全新的微架構(gòu)，全新的CPU內(nèi)核在多核性能方面實現(xiàn)了突破，首款產(chǎn)品是Alder Lake?！?/p>
Alder Lake是英特爾首個性能混合架構(gòu)，采用Intel7制程，搭載兩款新一代x86內(nèi)核以及智能英特爾硬件線程調(diào)度器。
先看能效核，也叫E-Core。與英特爾迄今為止最多產(chǎn)的CPU微架構(gòu)Skylake相比，其可在相同功耗下提升40%的單線程性能，或者在提供同樣性能時，功耗僅為Skylake的40%不到。如果看吞吐量，與運行四個線程的兩個Skylake內(nèi)核相比，四個能效核在性能提升80%的同時功耗更低，或者在提供相同吞吐量性能時，功耗降低80%。
實際上，英特爾是利用各種技術(shù)，在不耗費處理器功率的情況下對工作負載進行優(yōu)先級排序，并通過每周期指令數(shù)（IPC）改進功能直接提高性能，具體的功能包括：
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
64KB指令緩存，在不耗費內(nèi)存子系統(tǒng)功率的情況下保存可用指令
英特爾的首款按需指令長度解碼器，可生成預(yù)解碼信息
英特爾的簇亂序執(zhí)行解碼器，可在保持能效的同時，每周期解碼多達6條指令
后端寬度（Wide Back End）具備5組寬度分配（Five-wide allocation）和8組寬度引退、256個亂序窗口入口和17個執(zhí)行端口
支持英特爾?控制流強制技術(shù)和英特爾?虛擬化技術(shù)重定向保護等功能
實現(xiàn)了AVX指令集以及支持整數(shù)人工智能操作的新擴展
再看性能核，也叫P-Core，這是英特爾迄今為止性能最高的CPU內(nèi)核，它是一個更寬、更深、更智能的架構(gòu)，展現(xiàn)出更高的并行性，提高執(zhí)行并行性，降低時延，提升通用性能。
更寬、更深、更智能的性能核架構(gòu)具體的體現(xiàn)是：
更寬：解碼器由4個增至6個，6μop 緩存增至8μop，分配由5路增至6路，執(zhí)行端口由10個增至12個
更深：更大的物理寄存器文件（physical register files），擁有512條目的重排序緩沖區(qū)
更智能：提高了分支預(yù)測準(zhǔn)確度，降低了有效的一級時延，優(yōu)化了二級的全寫入預(yù)測帶寬
與第11代酷睿架構(gòu)（Cypress Cove內(nèi)核）相比，在相同頻率下，性能核在一系列工作負載上平均提升了約19%。
擁有AI硬件加速器是英特爾CPU獨有的功能，這一特性在性能核上進一步通過軟件結(jié)合硬件來提升。憑借英特爾高級矩陣擴展（AMX）來執(zhí)行矩陣乘法運算，AI加速可以提升約8倍（每個內(nèi)核每周期可進行2048次int8運算）。AMX可是用過軟件的方法，由此就不難理解英特爾一直強調(diào)軟件優(yōu)先的原因。
“能效核并不意味著性能就低，只是其優(yōu)化的方向與性能核不同?！庇⑻貭栄芯吭焊笨偛?、英特爾中國研究院院長宋繼強告訴雷鋒網(wǎng)。
擁有了不同的內(nèi)核，就像是擁有了更多武器，能夠充分發(fā)揮武器的殺傷力才是高手稱霸的關(guān)鍵。所以，英特爾開發(fā)了獨特的硬件線程調(diào)度器，能夠從開始就動態(tài)、智能地分配工作負載，從而優(yōu)化系統(tǒng)以在真實場景中實現(xiàn)更高的性能和效率。
“英特爾硬件線程調(diào)度器與其它調(diào)度器一個非常大的區(qū)別就是動態(tài)、智能地分配工作負載，在合適的時間把合適的線程分配給合適的內(nèi)核，同時還與操作系統(tǒng)無縫配合?！彼卫^強指出。
全新性能混合Alder Lake架構(gòu)CPU由于采用了單一、高度可擴展的SoC架構(gòu)，這就讓其可以支持從超便攜式筆記本，到發(fā)燒級，到商用臺式機的所有客戶端設(shè)備。
全新的性能核微架構(gòu)也會用于利潤豐厚的數(shù)據(jù)中心CPU市場，也就是下一代英特爾至強可擴展處理器，代號Sapphire Rapids，其核心是一個分區(qū)塊、模塊化的SoC架構(gòu)，采用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)勢的同時，具有顯著的可擴展性。
可見，AMD用Zen趕超英特爾，如今英特爾要用Alder Lake反超。這也讓我們更期待今年底將會出貨的搭載Alder Lake CPU的PC產(chǎn)品。同樣，英特爾捍衛(wèi)其在服務(wù)器CPU市場的領(lǐng)導(dǎo)力，代號Sapphire Rapids的下一代至強可擴展處理器也非常重要。
再入獨立GPU市場，挑戰(zhàn)登月級難度
相比看家本領(lǐng)的CPU產(chǎn)品，英特爾過去兩次挑戰(zhàn)獨立GPU市場，都以失敗告終。再一次進入獨立GPU市場的英特爾面臨的是更大的挑戰(zhàn)。
“我們面臨的是將近持續(xù)十年之久的問題。英特爾在吞吐量計算密度和對高帶寬內(nèi)存的支持方面都落后。這兩者都是 HPC和AI的基本指標(biāo)，也是GPU架構(gòu)的基石?！盧aja給出了圖表展示英特爾與業(yè)界領(lǐng)先水平的差距。
Raja還同時說，“當(dāng)2017年GPU架構(gòu)開始為AI數(shù)據(jù)類型的矩陣處理添加特殊引擎時，問題變得更糟。我們真的很想盡快縮小這個差距，所以我們需要一個堪比登月難度的創(chuàng)新產(chǎn)品?！?/strong>
今天英特爾架構(gòu)日上，詳細介紹的全新的獨立顯卡微架構(gòu)Xe HPG，采用新的Xe內(nèi)核，聚焦計算、可編程、可擴展，并全面支持DirectX 12 Ultimate。基于全新獨立顯卡微架構(gòu)Xe HPG的首款產(chǎn)品是Alchemist，Alchemist SoC能夠提供出色的可擴展性和計算效率，并擁有以下關(guān)鍵架構(gòu)特征：
多達8個具有固定功能的渲染切片，專為DirectX 12 Ultimate設(shè)計
全新Xe內(nèi)核，擁有16個矢量引擎和16個矩陣引擎（被稱為XMX，即Xe Matrix eXtension）、高速緩存和共享內(nèi)部顯存
支持DirectX Raytracing（DXR）和Vulkan Ray Tracing的新光線追蹤單元
通過架構(gòu)、邏輯設(shè)計、電路設(shè)計、制程工藝技術(shù)和軟件優(yōu)化，相比Xe LP微架構(gòu)實現(xiàn)1.5倍的頻率提升和1.5倍的每瓦性能提升1
使用臺積電的N6制程節(jié)點（通常叫做臺積電6nm）上進行制造
與全新的CPU微架構(gòu)一樣，英特爾全新的GPU微架構(gòu)也采用了軟件優(yōu)先設(shè)計的方法。
“英特爾很早就與開發(fā)者、API 和領(lǐng)先的游戲引擎廠商展開合作，共同為游戲發(fā)燒友設(shè)計英特爾新款獨立GPU。這款全新可擴展Xe HPG架構(gòu)，采用了軟件優(yōu)先的設(shè)計方法，從而為游戲玩家和創(chuàng)作者帶來高性能表現(xiàn)并減少畫面卡頓。” 英特爾CEO 帕特·基辛格表示。
雷鋒網(wǎng)了解到，英特爾已完成了內(nèi)核顯卡驅(qū)動程序組件的重新架構(gòu)，特別是內(nèi)存管理器和編譯器，使計算密集型游戲的吞吐量提高了15%（至多80%），游戲加載時間縮短了25%。同樣能體現(xiàn)軟件優(yōu)先的特性是XeSS。
XeSS與CPU中的AMX一樣可以進行AI加速，利用Alchemist的內(nèi)置XMX AI加速，帶來了一種可實現(xiàn)高性能和高保真視覺的全新升頻技術(shù)，讓那些只能在低畫質(zhì)設(shè)置或低分辨率下玩的游戲也能在更高畫質(zhì)設(shè)置和分辨率下順利運行。
從正在試產(chǎn)階段的Alchemist SoC的演示視頻可以看到，包括真實游戲展示，虛幻引擎5測試良好。想要用上英特爾全新的Alchemist GPU，最早一批要到2022年第一季度上市，錯過了圣誕季的消費熱潮，不知能否趕上春節(jié)。
除了確定性較高的Alchemist，英特爾還規(guī)劃了Battlemage、Celestial和Druid 的消費級獨立GPU產(chǎn)品，英特爾還為這一系列產(chǎn)品推出了全新的品牌名稱銳炫。
但最能展現(xiàn)英特爾在獨立、高性能GPU市場決心的產(chǎn)品還是基于Xe HPC微架構(gòu)的Ponte Vecchio，這是英特爾迄今為止最復(fù)雜的SoC，包含1000億個晶體管，提供業(yè)界領(lǐng)先的浮點運算和計算密度，以加速人工智能、高性能計算和高級分析工作負載。
“不到兩年前，我分享了我們?yōu)镻onte Vecchio設(shè)定的目標(biāo)。看到這樣非凡的芯片工程以及雄心勃勃的軟件計劃在我們的實驗室內(nèi)成為現(xiàn)實，這對于我們來說是令人難以置信的時刻。對于我們來說，這已經(jīng)不再是似乎不可能的登月難度的創(chuàng)新產(chǎn)品。”Raja同時也表示，
“整個項目尚未成功，我們還有很多工作要做。但是，我們迫不及待地希望大家加入我們的旅程，在明年初把這個架構(gòu)帶給所有客戶。”
之所以說Ponte Vecchio的難度堪比登月，是因為要設(shè)計這樣一款產(chǎn)品難在從無到有，面對的是新的SOC架構(gòu)、新的IP 架構(gòu)、新的內(nèi)存架構(gòu)、新的I/O架構(gòu)、新的封裝技術(shù)、新的供電技術(shù)、新的互連、新的信號完整性技術(shù)、新的可靠性方法、全新的軟件、以及新的驗證方法。
“保守地說，Ponte Vecchio是我在30年的芯片開發(fā)生涯中開發(fā)的最復(fù)雜的芯片。實際上，我甚至不確定把它稱為芯片是否準(zhǔn)確，它是包含諸多芯片的集合?！庇⑻貭朠onte Vecchio首席架構(gòu)師Masooma Bhaiwala感嘆。
架構(gòu)日上，Masooma Bhaiwala英特爾展示了早期的Ponte Vecchio芯片就已經(jīng)顯示出領(lǐng)先的性能，在一個流行的AI基準(zhǔn)測試上創(chuàng)造了推理和訓(xùn)練吞吐量的行業(yè)紀(jì)錄?；赑onte Vecchio的A0芯片已經(jīng)實現(xiàn)了超過每秒45萬億次浮點運算的FP32吞吐量，超過5 TBps的持續(xù)內(nèi)存結(jié)構(gòu)帶寬以及超過 2 TBps的連接帶寬。
雷鋒網(wǎng)了解到，基礎(chǔ)單元是Ponte Vecchio的連接組織，它是基于Intel 7制程工藝的大型芯片，針對Foveros技術(shù)進行了優(yōu)化。Xe 鏈路單元提供了GPU之間的連接，支持每單元8個鏈路，該單元已被添加到“極光”（Aurora）百億億次級超級計算機的擴展解決方案中。
異構(gòu)時代的IPU
IPU（基礎(chǔ)設(shè)施處理器）是CPU和GPU之外，英特爾架構(gòu)日的第三個重要產(chǎn)品。英特爾在不久前提出IPU的概念，這一產(chǎn)品的目標(biāo)是使云和通信服務(wù)提供商減少在中央處理器（CPU）方面的開銷。
英特爾數(shù)據(jù)平臺事業(yè)部首席技術(shù)官Guido Appenzeller介紹，英特爾認識到單一產(chǎn)品無法滿足所有需求，因此對其IPU架構(gòu)進行了更深入的研究，并推出了以下IPU家族的新成員。目前的IPU基本上使用兩類架構(gòu)：一類是專用ASIC IPU；一類是基于FPGA的IPU。
基于FPGA的IPU能快速實施新協(xié)議，應(yīng)對不斷變化的要求或新協(xié)議。例如，在這些FPGA上實現(xiàn)未公開的專有協(xié)議。專用ASIC IPU可以實現(xiàn)性能和效率的最大化。
“兩者實際上都不同于經(jīng)典的SmartNIC，后者缺乏執(zhí)行基礎(chǔ)設(shè)施控制面的能力。對于不同類型的基礎(chǔ)設(shè)施加速，沒有適用所有情況的方案。因此，英特爾將繼續(xù)投資于這兩類IPU以及SmartNIC?！盙uido Appenzeller同時表示。
Mount Evans是英特爾的首個ASIC IPU。據(jù)悉，這是英特爾與一家一流的云服務(wù)提供商共同設(shè)計和開發(fā)的，融合了多代FPGA SmartNIC的經(jīng)驗。
“接下來將迎來兩款基FPGA的IPU新產(chǎn)品，分別面向云（Oak Springs Canyon）和通信（Arrow Creek）市場?！?Guido Appenzeller介紹，
Oaks Springs Canyon是基于FPGA的IPU，采用了英特爾的Agilex FPGA 和至強D片上系統(tǒng)。還采用了英特爾開放式FPGA開發(fā)堆棧(英特爾OFS)，這是一個可擴展、開源軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施堆棧，能夠滿足新興云服務(wù)提供商對于部署100GB工作負載的需求。Oak Springs Canyon還包括一個加固的加密模塊，以線速性能保護所有基礎(chǔ)設(shè)施流量、存儲和網(wǎng)絡(luò)。
Arrow Creek是一個加速開發(fā)平臺，基于Agilex FPGA和e810 100GB以太網(wǎng)控制器。它源自英特爾PAC-N3000，后者目前已經(jīng)被全球各地的頂級通信服務(wù)提供商所采用，Arrow Creek將幫助電信運營商提供靈活的加速工作負載。
成就異構(gòu)芯片時代——oneAPI
“在軟件領(lǐng)域，要開啟堪比登月難度的創(chuàng)新計劃。我們需要一個編程框架，讓軟件開發(fā)者在編程時無需考慮不同的CPU和加速器組合，很多人認為這是不可能的任務(wù)，我們創(chuàng)造了oneAPI，讓開發(fā)者能夠擺脫專有語言和編程模型?！盧aja說，
“oneAPI行業(yè)計劃提供了一個開放、基于標(biāo)準(zhǔn)、跨架構(gòu)、跨矢量的統(tǒng)一軟件堆棧。這個行業(yè)規(guī)范的第一個版本已于去年9月發(fā)布，其中規(guī)定了一個通用硬件抽象層、數(shù)據(jù)并行編程語言以及全面的高性能函數(shù)庫，涉及數(shù)學(xué)、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析和視頻處理領(lǐng)域。
目前，NVIDIA GPU、AMD GPU和Arm CPU均有Data Parallel C++（DPC++）和oneAPI庫。oneAPI工具包擁有超過20萬次單獨安裝，市場上部署的300多個應(yīng)用程序采用了 oneAPI的統(tǒng)一編程模型。
據(jù)悉，臨時的oneAPI 1.1版已經(jīng)在5月發(fā)布，增加了面向深度學(xué)習(xí)工作負載和高級光線追蹤函數(shù)庫的全新圖形接口。預(yù)計oneAPI1.1正式版將在今年末之前完成。
寫在最后
從CPU到GPU再到IPU，從微架構(gòu)到封裝、存儲、互聯(lián)再到軟件，從六大技術(shù)支柱到異構(gòu)再到軟件優(yōu)先。英特爾正在用全新的產(chǎn)品組合，技術(shù)路線和策略面對AI和5G時代的競爭。
接下來的市場競爭格局的變化，難以準(zhǔn)確預(yù)測。但英特爾有勇氣說出自己在技術(shù)上的巨大挑戰(zhàn)，以及宣布IDM 2.0，都釋放出積極的信號，一個更加開放的英特爾正在積極擁抱新的市場和競爭。
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