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10nm的胜利,英特尔下一代CPU与GPU前瞻

2018英特尔架构日上,英特尔毫不吝啬通过5个小时的展示解开了2021年以前的芯片规划。下一代CPU、显卡、封装技术纷纷浮出水面。而第一波消费级新品会在2019年逐步上市,这一次,英特尔没有打算给我们钱包太多的喘气机会。

在这篇文章中,将包括核心路线图、Sunny Cove微架构、GT2显卡、多种制程融合,现在就让我们逐一围观。

新的核心线路图曝光

英特尔在数个月前揭露了Cascade Lake、Cooper Lake、Ice Lake架构代号之后,下一代CPU的节点变得有些扑所迷离。所幸这一次,10nm节点在延期许久之后终于走上正轨,英特尔也正式公布了如下路线图。

在酷睿Core阵营中,英特尔列出了三个新代号,分别代表英特尔酷睿微架构,而非单纯芯片,同时未来工作方式也会发生重大改变。

路线图中,基于10nm的Sunny Cove架构会在2019年上市,仍然专注提高游戏玩家们热衷的单线程性能。新架构会加入新指令集和扩展性能,其中包括高级矢量扩展AVX-512。在此之前,AVX-512只存在于至强与至强融核以及协处理器上的商务产品。在未来,消费PC也会获得相应性能,并与Ice Lake、Gen 11核显GT2组成新一代的CPU整体。

紧接着,Willow Cove架构会在2020年完成,同样也是10nm制程节点。按照英特尔的节奏,Willow Cove会注重优化缓存设计,比如对L1、L2缓存容量进行调整,并对晶体管制程、安全性能进一步优化。

最后2021年的Golden Cove完成这场三重奏的收尾。Golden Cove将会在现有功能基础上继续提升单线程性能,并加深人工智能性能、网络、AI性能提升。顺带一提,Golden Cove也可能会一脚跨入7nm节点。

低功率的英特尔凌动ATOM路线图则要比酷睿Core慢得多,重点仍然专注于SoC在各个领域中的渗透性。2019年ATOM将会推出Tremont微架构,专注提升单线程性能、续航时间和网络服务器性能。紧接着2021年Tremont会过度到Gracemont,并会给ATOM带来新的AVX指令集。然后就是Next Mont,同样注重单线程性能以及功能扩展,是否同样紧随Golden Cove步入7nm大门不得而知。

Sunny Cove微架构崛起

自从2015年Skylake被首次推出,后来的结构都与Skylake有着千丝万缕的联系,例如Kaby Lake,Coffee Lake。但这次英特尔Sunny Cove微架构截然不同,它将架构分成两个部分,一部分负责通用运算,另一部分负责固定某个方向的任务。也就是说,无论是CPU核心频率提升,还是功能追加,都可以让微架构性能发生明显提升。IPC( Instruction Per Clock,即CPU每一时钟周期内所执行的指令多少)增加将会来自每个时钟周期内执行指令更多,更多时钟并行以及与前端更好的传输数据而实现。

Sunny Cove还可以调用其他加速方式来加速性能,包括使用专用指令集,在特定处理任务重使用特定的工作负载。

而在微架构后端,英特尔增加高速缓存容量、带宽。Sunny Cove的L1缓存由原来的32KB提升到了48KB,在理论上将L1-Data缓存未命中率降低22%。同时L2会根据至强、酷睿不同的定位有所增减。

虽然英特尔没有明确表态,但二级TLB增加也显著改善了物理地址转换速度。同时从下图可以看到,执行端口从8个增加到10个,意味着单次调度可以获得更多指令。其中端口4和端口9链接到循环数据存储中,带宽加倍。

所有的细节表明,Skylake和Sunny Cove已经是两种完全不同的结构。其中一个显著变化是随着AVX-512加入,加密运算会被大幅提升。英特尔还现场演示了7-zip的压缩速度,性能提升高达75%。

英特尔GT2显卡诞生

英特尔推出几乎每一代iGPU都表示已经可以流畅运行某个级别的游戏,多数时候我们可以一笑置之,但此次Gen 11真的有些不一样。英特尔为了证明其彪悍性,甚至直接跳过了Gen 10的命名,直奔Gen 11。从路线图上看,Gen 10至始至终都没有出现过,当然也可能已经随着传说中的10nm Cannon Lake随风而去。

从目前的消息来看,位于Gen 11位置的GT2将拥有64个执行单元EU,Gen 9.5时代这个数字只有24。64个EU会被平均分配到四个区域中,每个EU单独具备指令缓存和3D采样器,同时每个区域共享2个媒体采样器,旨在提升3D性能和游戏体验。

英特尔没有具体提及EU性能如何提高,但明确表示了EU内部的FPU接口被重新设计,支持2x FP16性能,具备512个并发执行通道,GPU的L3缓存增加到了3MB,是Gen 9.5的4倍。从意义上说,GT2已经是一个完全独立的GPU模块。

GT2还宣布正式支持自适应同步技术,这与AMD上的Free-Sync、NVIDIA上的G-Sync有些类似,屏幕刷新率可以根据功耗、运行环境需求做出调整,无论是笔记本还是台式机而言,都有不小的吸引力。唯独可惜英特尔似乎没有提及显卡对Type-C视频输出的原生支持,这可能意味着英特尔会将其集成到芯片组中,从而进一步简化主板设计。

无论如何,从现场的演示来看。Sunny Cove与Gen 11核显搭配下并没有使用什么酷炫的散热技巧,一个寒酸得不行的风冷似乎就能解决一切问题。有意思的是,芯片底座上有一个被胶带覆盖的区域,下面可能隐藏着英特尔现在暂时还不想告诉大伙的信息。

至少在现场的演示中可以证明亮点,Sunny Cove运行7-zip的速度提升了75%,同时核显运行铁拳7也可以轻松达到30FPS以上,从散热器来判断,这块酷睿可能是一款功耗为TDP 15W处理器,代表下一代轻薄本的性能。

早在半年前英特尔已经宣布会在2020年全面进军图形显卡业务,为此英特尔也宣布了独立显卡业务的新品牌Xe,范围覆盖消费图形到数据中心图形处理方案。从2020年开始,AMD与NVIDIA双线对峙很可能会变成三足鼎立。目前英特尔没有明确FPGA、AI解决方案如何整合其中,即便如此,2年后的独显仍然值得期待。

多种制程相互融合

目前大多数CPU、SoC其实都基于单硅片封装,也就是说硅片上所有的模块制程完全相同。随着第一款AMD、英特尔融合芯片量产成行,给多种制程之间融合提供了全新的可能,紧接着Foveros技术就此诞生。

Foveros把融合芯片更向前迈进了一步,这是一个通过3D堆叠的方式,让多个制程不同硅片叠在一起,并发挥其应有的作用。例如前面提到的Sunny Cove,CPU Core部分可以是10nm制程,Uncore部分和GT2核显可以是14nm+++,事实上Uncore制程在缩小的同时,受到电磁干扰EMI会升高,对诸如PCIe连接设备反倒并不友好。NASA甚至还给英特尔投钱保留大制程芯片的生产线,确保在宇宙中芯片拥有抵抗宇宙辐射的抗干扰能力。

回到主题,Foveros在微观上看更像是一个插座,将CPU、GPU、IO、FPGA、RF等模块衔接到一起,并最终组成一块单芯片封装。在Foveros加持下,混合X86设计变得轻而易举,你甚至可以看到一个10nm硅片上结合了4个ATOM核心,变成了真正意义上的big.LITTLE。

从演示的效果来看,这块由1个Sunny Cove与4个Atom,通过Foveros合体的芯片面积远小于一个硬币的面积,待机功耗2mW,12×12的封装意味着可以轻松塞入移动设备中。

移动端是星辰大海

可以肯定的是Sunny Cove将会在台式机、服务器、移动端上全面开花。更强的核显、多种制程融合、10nm制程同时发布,提前给2019年新产品打上了十足鸡血。同时我们也发现,在新架构加持下,笔记本乃至平板、手机具备了更多可能性。英特尔也似乎在努力扩大iPhone XS基带上尝到的甜头。比起在PC、服务器领域的严防死守,这一次轮到英特尔主动出击了。

欢迎阅读本文章: 陈昱龙

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