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本周四，英特爾架構(gòu)日用長達(dá)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(jìn)展。英特爾高級副總裁兼加速計(jì)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)’。”
英特爾高級副總裁兼加速計(jì)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(dú)立GPU更詳細(xì)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(jì)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(jìn)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(shí)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(fèi)者期待，而其GPU以及IPU，也將成為競爭對手重點(diǎn)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(fù)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(shí)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(fù)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。”
2019年，兩位圖靈獎得主 John L. Hennessy 和 David A. Patterson發(fā)表長報(bào)告展望，未來的十年將是計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)領(lǐng)域的“新的黃金十年”。
已經(jīng)準(zhǔn)備好先進(jìn)制程（Intel7、Intel4、Intel3、Intel20A，以及外部代工廠），先進(jìn)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(fù)載可以根據(jù)需要，使用盡可能多的內(nèi)核進(jìn)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(fù)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(shí)現(xiàn)了突破，首款產(chǎn)品是Alder Lake。”
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(yùn)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(shí)際上，英特爾是利用各種技術(shù)，在不耗費(fèi)處理器功率的情況下對工作負(fù)載進(jìn)行優(yōu)先級排序，并通過每周期指令數(shù)（IPC）改進(jìn)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(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的分支預(yù)測
64KB指令緩存，在不耗費(fèi)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(dá)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(qiáng)制技術(shù)和英特爾?虛擬化技術(shù)重定向保護(hù)等功能
實(shí)現(xiàn)了AVX指令集以及支持整數(shù)人工智能操作的新擴(kuò)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(fù)載上平均提升了約19%。
擁有AI硬件加速器是英特爾CPU獨(dú)有的功能，這一特性在性能核上進(jìn)一步通過軟件結(jié)合硬件來提升。憑借英特爾高級矩陣擴(kuò)展（AMX）來執(zhí)行矩陣乘法運(yùn)算，AI加速可以提升約8倍（每個內(nèi)核每周期可進(jìn)行2048次int8運(yùn)算）。AMX可是用過軟件的方法，由此就不難理解英特爾一直強(qiáng)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。”英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強(qiáng)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(dú)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(fù)載，從而優(yōu)化系統(tǒng)以在真實(shí)場景中實(shí)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(fù)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。”宋繼強(qiáng)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(kuò)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(jī)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(qiáng)可擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)可擴(kuò)展處理器也非常重要。
再入獨(dú)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(dú)立GPU市場，都以失敗告終。再一次進(jìn)入獨(dú)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(jì)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。”Raja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。”
今天英特爾架構(gòu)日上，詳細(xì)介紹的全新的獨(dú)立顯卡微架構(gòu)Xe HPG，采用新的Xe內(nèi)核，聚焦計(jì)算、可編程、可擴(kuò)展，并全面支持DirectX 12 Ultimate。基于全新獨(dú)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(kuò)展性和計(jì)算效率，并擁有以下關(guān)鍵架構(gòu)特征：
多達(dá)8個具有固定功能的渲染切片，專為DirectX 12 Ultimate設(shè)計(jì)
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(jì)、電路設(shè)計(jì)、制程工藝技術(shù)和軟件優(yōu)化，相比Xe LP微架構(gòu)實(shí)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(diǎn)（通常叫做臺積電6nm）上進(jìn)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(jì)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(jì)英特爾新款獨(dú)立GPU。這款全新可擴(kuò)展Xe HPG架構(gòu)，采用了軟件優(yōu)先的設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)行AI加速，利用Alchemist的內(nèi)置XMX AI加速，帶來了一種可實(shí)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(yùn)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(shí)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(fèi)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(fèi)級獨(dú)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(dú)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(diǎn)運(yùn)算和計(jì)算密度，以加速人工智能、高性能計(jì)算和高級分析工作負(fù)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(jì)劃在我們的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)，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(xiàng)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?yàn)橐O(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)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。”英特爾Ponte 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。基于Ponte Vecchio的A0芯片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過每秒45萬億次浮點(diǎn)運(yùn)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(jìn)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(jì)算機(jī)的擴(kuò)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(rèn)識到單一產(chǎn)品無法滿足所有需求，因此對其IPU架構(gòu)進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)未公開的專有協(xié)議。專用ASIC IPU可以實(shí)現(xiàn)性能和效率的最大化。
“兩者實(shí)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。”Guido 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(jì)和開發(fā)的，融合了多代FPGA SmartNIC的經(jīng)驗(yàn)。
“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(qiáng)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(kuò)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(fù)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(hù)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(yùn)營商提供靈活的加速工作負(fù)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(jì)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(rèn)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。”Raja說，
“oneAPI行業(yè)計(jì)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(dú)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(fù)載和高級光線追蹤函數(shù)庫的全新圖形接口。預(yù)計(jì)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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