英特爾架構(gòu)日和HotChip技術(shù)信息解讀（下）

張平

CPU：Tiger Lake面世

TigerLake是英特爾轉(zhuǎn)入10nm后最重要的產(chǎn)品，它使用的是10nmSuperFin制程工藝，無(wú)論是頻率還是性能表現(xiàn)都足以令人滿意。在架構(gòu)方面，TigerLake使用的WillowCoveCPU架構(gòu)和XeGPU架構(gòu)都進(jìn)行了大幅度改進(jìn)，帶來(lái)了革命性的技術(shù)和效能表現(xiàn)。

英特爾認(rèn)為TigerLake擁有六大方面的優(yōu)勢(shì)：CPU部分，TigerLake換用了全新的WillowCove架構(gòu)，擁有比前代產(chǎn)品更出色的性能;GPU部分，由于全新Xe架構(gòu)的引入，TigerLake帶來(lái)了“顛覆性”的集成圖形核心性能;AI方面，TigerLake繼承了全新的高斯網(wǎng)絡(luò)加速器GNA2.0;集群方面，增強(qiáng)的內(nèi)存性能和互聯(lián)帶寬帶來(lái)了出色的集群性能;能耗比方面，借助于新的工藝和架構(gòu)，英特爾宣稱TigerLake擁有同等規(guī)模SoC芯片中最佳的表現(xiàn);安全性能方面則是一貫地?fù)碛杏⑻貭栒装踩夹g(shù)支持。除此之外，TigerLake還帶來(lái)其他的一些重要功能，比如首次支持PCIe4.0、首次支持LPDDR5、首次支持USB4、Thunderbolt4、集成4個(gè)顯示通道，支持4K/60fps10bit、8K/30fps10bit視頻輸出等功能。

頻率逼近5GHz，架構(gòu)升級(jí)

和之前設(shè)計(jì)IceLake時(shí)一樣，英特爾在TigerLake的設(shè)計(jì)上也面臨兩種選擇，一種是更好的單線程性能或者IPC性能，另一種是更好的能效比。在TigerLake上，英特爾選擇了后者，這意味著TigerLake在任何給定的功率和電壓下，相比前代產(chǎn)品頻率更高;在任何給定的頻率下，相比前代產(chǎn)品功耗更低或者電壓更低。在之前泄露的一些消息中，采用了10nmSuperFin工藝的TigerLake處理器頻率甚至能飆升至4.8GHz以上，著實(shí)令人驚訝。

在CPU核心架構(gòu)方面，TigerLake引入全新的WillowCove核心架構(gòu)設(shè)計(jì)。從表面來(lái)看的話，WillowCove架構(gòu)和之前的SunnyCove基本是相同的，但是英特爾給出了三個(gè)重要的差異，正是這些差異帶來(lái)WillowCove相比SunnyCove大約10%～20%的性能提升。

首先是頻率的差異。在相同的峰值電壓下，WillowCove比SunnyCove的頻率高大約500MHz;在相同的頻率下，WillowCove所需的電壓比SunnyCove要低了不少。最終WillowCove呈現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了SunnyCove的4.0GHz，能夠接近5GHz，和現(xiàn)在的14nm++++幾乎位于一個(gè)水平。

其次則是緩存的差異。WillowCove的緩存結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以前在SunnyCove上所使用的包含式512KB8路L2緩存變成了現(xiàn)在的非包含式1.25MB20路高速緩存。傳統(tǒng)計(jì)算中，緩存容量的增加會(huì)降低未命中率，2.5倍的緩存容量對(duì)應(yīng)著約58%的未命中率降低。另外，較大的緩存會(huì)帶來(lái)較長(zhǎng)的訪問(wèn)延遲，因此WillowCove的L2緩存可能會(huì)慢一些。

除了容量外，包含式緩存和非包含式緩存也是重要的變化。在2010年英特爾就給出過(guò)構(gòu)建非包含式緩存如何以包含式緩存相同的速率運(yùn)行的方法。之前英特爾使用的都是包含式緩存，這意味著L2緩存中存在L1緩存的復(fù)制內(nèi)容。非包含式緩存則不含有其他緩存的內(nèi)容，采用額外的硬件保證緩存一致性，并且非包含式緩存不需要后退驗(yàn)證，因此性能也會(huì)高很多。

L3緩存方面，WillowCove采用的是12MB非包含式共享緩存設(shè)計(jì)，前代產(chǎn)品采用的則是8MB包含式共享設(shè)計(jì)。在這里可以看到，新的緩存方案容量增加了50%，但是英特爾也降低了緩存關(guān)聯(lián)性，從之前的16路變成12路，最終整體性能可能相差不大。

雙環(huán)形總線，內(nèi)存改進(jìn)

TigerLake的內(nèi)部Fabric總線的帶寬相比上代增加了一倍，在內(nèi)部總線設(shè)計(jì)上采用了雙環(huán)路總線架構(gòu)，這個(gè)架構(gòu)的總線允許任何方向每周期2×32Bit的數(shù)據(jù)傳輸，有助于為內(nèi)存控制器、圖形、CPU核心提供充足的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。英特爾也是首次在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品中采用雙環(huán)路總線設(shè)計(jì)。相比將單環(huán)路寬度加寬的設(shè)計(jì)，雙環(huán)中的一個(gè)環(huán)能根據(jù)需求進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省功耗。

內(nèi)存方面，TigerLake目前支持最高64GBDDR43200或者32GBLPDDR4X4266，帶寬可以達(dá)到51.2GB/s或者62.8GB/s。此外，TigerLake還加入對(duì)LPDDR55400的支持，最高支持32GB，帶寬增加到了86.4GB/s。

不過(guò)由于LPDDR5成本較高，可能短期內(nèi)都不會(huì)有廠商使用這樣的內(nèi)存來(lái)搭配TigerLake。

TigerLake集成了全新的高斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器也就是GNA2.0，可以視作英特爾版本的“NPU”。GNA2.0是高效率、低功耗專用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算單元，可以用于動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降噪。在GNA2.0加速的情況下，CPU可以降低20%的占用率。GNA2.0和之前的GNA一樣，都建立在高斯混合模型的基礎(chǔ)上，可以用于加速微軟Cortana的語(yǔ)音識(shí)別。英特爾數(shù)據(jù)顯示，GNA2.0可以在1毫瓦時(shí)執(zhí)行1GigaOP，并且可以在38毫瓦時(shí)線性擴(kuò)展至38GigaOP。

新一代顯示模塊，支持PCIe4.0

TigerLake使用了新一代顯示模塊，用來(lái)加強(qiáng)高分辨率顯示設(shè)備的使用體驗(yàn)。新的顯示模塊直接掛接在Fabic總線上，有專用的通訊渠道和內(nèi)存連接，總帶寬高達(dá)64GB/s，能夠?qū)崿F(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的快速傳輸和顯示輸出。TigerLake現(xiàn)在擁有4個(gè)4K顯示管道，分別對(duì)應(yīng)DP1.4、HDMI2.0、Thunderbolt4和USB4Type-C，由于這些顯示都采用獨(dú)立的管道，因此可以同時(shí)使用。該顯示模塊還支持HDR10、12位BT2020色彩、自適應(yīng)同步，并支持高達(dá)360Hz的顯示器，整體設(shè)計(jì)相當(dāng)全面。

在視頻編解碼方面，TigerLake使用的是IPU6，這一代視頻編解碼模塊做出了很多功能上的加強(qiáng)。其圖形計(jì)算完全使用硬件單元實(shí)現(xiàn)，不再占用CPU和其他部分進(jìn)行軟處理。整個(gè)內(nèi)部布置了擁有6個(gè)傳感器的全新架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)4K/90Hz的畫面輸出，或者高達(dá)4200萬(wàn)像素的靜態(tài)圖像輸出。整體表現(xiàn)比上代產(chǎn)品大大加強(qiáng)。

I/O方面，TigerLake加入了USB4和Thunderbolt4接口，兩個(gè)端口最高可提供40Gb/s的帶寬，接口形式采用的USB-C，并且能使用USB-C輸出視頻。另外，TigerLake開始支持PCIe4.0（目前并未說(shuō)明有多少個(gè)PCIe4.0通道），英特爾宣稱升級(jí)到了PCIe4.0后，功耗并沒有額外增加。英特爾升級(jí)PCIe4.0的原因主要是寄希望于PCIe4.0存儲(chǔ)，不過(guò)目前PCIe4.0的NVMeSSD的功耗都比較高，因此可能還需要等待一段時(shí)間才能看到它們出現(xiàn)在筆記本電腦中。

電源和頻率電壓控制

移動(dòng)處理器最重要的驅(qū)動(dòng)程序之一是空閑和睡眠電源計(jì)劃，比如在不使用的時(shí)候，可以將芯片的更多部分置于低功耗狀態(tài)，延長(zhǎng)電池待機(jī)時(shí)間。近年來(lái)，隨著處理器轉(zhuǎn)向具有更多晶體管數(shù)量的密集工藝節(jié)點(diǎn)，越來(lái)越多的晶體管被用于創(chuàng)建單獨(dú)的功率和頻域，這些設(shè)置和管理可以更為精細(xì)化地控制處理器的電源。在這種精細(xì)化控制中，需要應(yīng)用邏輯來(lái)管理各類不同的電源域，并且需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以便在用戶需要使用這些電源域控制的功能模塊時(shí)能夠快速喚醒，而不會(huì)出現(xiàn)明顯的延遲。

鑒于此，每一代新的移動(dòng)處理器中都會(huì)不斷推出新功能，更好地控制不同計(jì)算和互連模塊的能耗情況。對(duì)于TigerLake，英特爾帶來(lái)了新的自主動(dòng)態(tài)電壓/頻率縮放（DVFS）算法，用于控制在不同負(fù)載下的電壓和頻率值，帶來(lái)更好的電源效率。一般來(lái)說(shuō)，這些設(shè)置都是在SoC級(jí)別的其他電源優(yōu)化之上完成的，層級(jí)很高并能夠有效控制全局設(shè)備的工作情況，比如為CPU內(nèi)核提供更好的時(shí)鐘門控，為各類控制器和功能模塊提供更好的電壓控制效率等。在TigerLake上，這類電源控制域甚至包含PCIe、USB和熱傳感器。不僅如此，當(dāng)組件需要進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，如果其中包含的重要數(shù)據(jù)經(jīng)常需要在還原時(shí)“保存”

在某個(gè)地方的話，也可以借助新的控制功能完成存儲(chǔ)和還原，能夠充分確保數(shù)據(jù)安全和操作流暢。

Tiger Lake的產(chǎn)品和型號(hào)

目前英特爾已發(fā)售9款TigerLake處理器，英特爾將其全部歸入第十一代酷睿系列移動(dòng)處理器，產(chǎn)品型號(hào)上也注入了“11”的數(shù)字用作區(qū)分。首次發(fā)布的TigerLake處理器包含了i7、i5和i3三個(gè)檔次，只有低功耗版本，最多4個(gè)物理核心，高性能版本和更多核心版本將在后期陸續(xù)發(fā)布。

Corei7方面，英特爾發(fā)布了Corei7-1185G7、Corei7-1165G7和Corei7-1160G7三款，都是四核心八線程處理器、集成Xe顯卡，擁有96個(gè)EU，緩存都是12MB。Corei7-1185G7和Corei7-1165G7產(chǎn)品的差別在于前者的CPU基準(zhǔn)、最大單核心睿頻、全核睿頻和GPU頻率分別是3.0GHz、4.8GHz、4.3GHz和1.3GHz，而后者只有2.8GHz、4.7GHz、4.1GHz和1.3GHz。內(nèi)存方面都支持DDR43200或者LPDDR4x4266。受制于功耗，Corei7-1160G7四個(gè)頻率數(shù)值分別為1.2GHz、4.4GHz、3.6GHz和1.1GHz，內(nèi)存方面也僅支持LPDDR4x4266。

在Corei5和Corei3上，英特爾推出了2款i5系列和4款i3系列產(chǎn)品。其中i5系列也是4核心8線程配置，配置了8MB緩存，集成顯卡雖然型號(hào)為“G7”，但實(shí)際上只有80個(gè)EU單元;現(xiàn)在發(fā)售的2款i3產(chǎn)品僅為2核心4線程配置，配備6MB緩存，搭配G4級(jí)別配置48個(gè)EU單元的集成顯卡。2021年，英特爾還將推出2款4核心8線程的i3處理器，配備8MB緩存。

值得一提的是，英特爾取消了TigerLake具體的TDP值設(shè)定，只給出了一個(gè)可配置功耗的范圍，廠商可以根據(jù)產(chǎn)品需要和性能、產(chǎn)品定位等，自行配置處理器的功耗情況。其中，處理器型號(hào)以“5“結(jié)尾的版本，功耗配置為12W～28W，處理器型號(hào)以“0”結(jié)尾的版本，功耗配置為7W～15W。

CPU路線圖更新

在TigerLake處理器介紹完成后，英特爾還特別帶來(lái)了處理器路線圖的更新。現(xiàn)在，英特爾在CPU方面的路線圖分為三個(gè)序列。

英特爾處理器的第一個(gè)產(chǎn)品序列是“COVES”—TigerLake使用的是“WillowCove”，下一代則是“GoldenCove”。GoldenCove架構(gòu)將進(jìn)一步提升單核心性能和AI性能，上市時(shí)間應(yīng)該在2021年。第二個(gè)產(chǎn)品序列是新加入的Hybrid系列。目前這個(gè)系列僅有LakeField一款產(chǎn)品。作為首個(gè)x86混合架構(gòu)處理器，LakeField在硬件方面的能耗比最多提升了24%，待機(jī)電源功耗最多降低了91%，配合操作系統(tǒng)的優(yōu)化還帶來(lái)了高達(dá)33%的Web性能提升和17%的能耗比提升。在LakeField之后，英特爾下一個(gè)混合架構(gòu)的產(chǎn)品代號(hào)將是“AlderLake”，上市時(shí)間應(yīng)該也是2021年左右。第三個(gè)產(chǎn)品序列是傳統(tǒng)的以超低功耗為主的Atom系列，目前的核心代號(hào)為TreMont，2021年會(huì)推出新一代名為GraceMont的新核心。

GPU：Xe開啟新“視”代

在TigerLake上，英特爾正式啟用Xe架構(gòu)的GPU。Xe架構(gòu)主要分為XeHPC、XeHP、XeHPG和XeLP四個(gè)產(chǎn)品陣列，覆蓋了E級(jí)超算、數(shù)據(jù)中心＼AI計(jì)算、企業(yè)、普通用戶一直到入門級(jí)用戶，整體性能范圍極為寬泛。目前英特爾在TigerLake上使用的是XeLP，此外還有即將推出的SG1、DG1兩款獨(dú)立顯卡，都將采用英特爾10nmSuperFin工藝制造，屬于面向入門級(jí)用戶和集成用戶的產(chǎn)品。英特爾還明確了XeHPG這款面向游戲玩家的顯卡，表示其擁有出色的圖形性能、面向游戲的優(yōu)化以及硬件光線追蹤等特性。