В рамках своего ежегодного Дня архитектуры Intel представила то, что она назвала своим крупнейшим архитектурным сдвигом в поколении, с парой новых микроархитектур x86 под кодовыми названиями Gracemont и Golden Cove.

Компания из Санта-Клары, штат Калифорния, раскрыла новые подробности о ядрах «Производительность» и «Эффективность», оба из которых обеспечивают значительный скачок в скорости и эффективности по сравнению с их предшественниками. Он также раскрыл подробности о своем последнем поколении процессоров Core под названием Alder Lake, которые объединят ядра в гибридную архитектуру для настольных компьютеров и ноутбуков. Alder Lake будет доступен для настольных ПК в конце 2021 года.

Контекст

Intel пытается объединить усилия после отставания в разработке своих самых передовых технологических процессов. Компания из Кремниевой долины уступает позиции AMD, которая выпустила чипы на базе архитектуры ЦП Zen 3 и 7-нм узла TSMC, которые могут бросить вызов Intel. Он находится под давлением Qualcomm, Nvidia и других конкурентов, пытающихся ослабить хватку гиганта по производству микросхем над центрами обработки данных и ПК.

В начале года Intel наняла Пэта Гелсинджера в качестве главного исполнительного директора с полномочиями перестроить процесс разработки микросхем компании и вернуть себе позиции, уступая место растущей орде соперников.


Современные процессоры - это связки из миллиардов транзисторов и межсоединений, организованных в логические вентили на кусочках кремния. Но поскольку полупроводниковые компании изо всех сил пытаются выпускать все меньшие и меньшие транзисторы, Intel все больше полагается на архитектуру своих процессоров, чтобы добиться большей производительности на своих существующих заводах. Он также делает ставку на свою передовую 3D-упаковку, чтобы сократить разрыв в производительности с TSMC и другими противниками.

Раджа Кодури, старший вице-президент и генеральный менеджер по ускоренным вычислениям и графике в Intel, сказал: «Эти архитектурные прорывы закладывают основу для нашей следующей эры лидирующих продуктов». Он сказал, что они подчеркивают, «как архитектура удовлетворит колоссальный спрос на более высокую производительность вычислений, поскольку рабочие нагрузки от настольных компьютеров до центров обработки данных становятся больше, сложнее и разнообразнее, чем когда-либо».

Ядра

Новые ядра x86 предназначены для выполнения различных ролей в Alder Lake. Intel заявила, что ядро ​​«Efficiency» (также называемое «электронными ядрами») улучшит производительность и эффективность по сравнению с ядром Intel Skylake и обеспечит многопоточность. Ядро «Performance» (или «p-cores»), которое может обрабатывать только один поток за раз, обеспечит значительный прирост вычислительной мощности общего назначения как для ЦП потребителей, так и для ЦП.

В отличие от традиционных чипов Intel, которые объединяют несколько ядер, основанных на одной и той же конструкции, Intel планирует объединить меньшие, высокоэффективные и большие, высокопроизводительные ядра в «гибридной архитектуре» в Alder Lake. Компоновка напоминает архитектуру Arm big.LITTLE, которую Apple и Qualcomm используют для упаковки кланов мощных, энергоемких ядер и меньших, более простых ядер на кристалле, чтобы увеличить время автономной работы смартфонов.

В то время как Intel моделирует Alder Lake на основе энергопотребляющих чипов в iPhone и других мобильных телефонах Apple, Intel уделяет больше внимания повышению производительности для рабочих нагрузок с большим количеством потоков.

Ядро "Производительность"

Intel заявила, что новое производительное ядро, ранее носившее кодовое название Golden Cove, является самым мощным процессором Intel в масштабируемой архитектуре, охватывающей от ноутбуков до настольных компьютеров и центров обработки данных. Golden Cove, преемник 10-нм микроархитектуры Intel Sunny Cove, расширяет границы однопоточной производительности, открывая новые способы параллельного выполнения вычислений с уменьшением задержки.

Intel Core 1


Golden Cove обеспечивает на 19% больше производительности в широком диапазоне рабочих нагрузок общего назначения, чем Cypress Cove, 14-нм вариант Sunny Cove, используемый в процессорах Intel Core 11-го поколения.
Философия Golden Cove заключалась в том, чтобы микроархитектура была «шире, глубже и умнее». Intel заявила, что усилила переднюю часть конвейера для обработки и декодирования большего количества инструкций за более короткий промежуток времени. Он также перестроил механизм предсказания ветвлений, компонент внутри ЦП, который предсказывает следующую операцию в программе, чтобы быть более точным. Это означает, что он реже делает неверные прогнозы, что приводит к повышению производительности.

Intel заявила, что она также укрепила внутреннюю часть конвейера процессора за счет более глубоких буферов с нарушением порядка, более широкого окна распределения и большего количества портов выполнения. Он увеличил подсистему памяти, уменьшив при этом задержку кеш-памяти L1 - банка памяти, в котором ядро ​​хранит свои наиболее важные инструкции, - и увеличил скорость кеш-памяти L2, которая может составлять до 1,25 МБ на ПК или до 2 МБ на ПК. серверные процессоры.

Intel также заявила, что внедрила свой новый механизм управления питанием, чтобы улучшить бюджетную мощность в зависимости от выполняемой работы, что привело к более высокой средней частоте для любой программы, работающей в Golden Cove.

Intel заявила, что чипы на основе Golden Cove могут использовать преимущества новых наборов инструкций, таких как Advanced Matrix Extensions (AMX), которые представляют собой следующее поколение внутреннего ускорителя искусственного интеллекта Intel для обучения и вывода. Intel заявила, что AMX, который дополняет ее передовые векторные расширения (AVX-512), включает в себя выделенное оборудование и новую архитектуру набора команд для выполнения рутинных задач машинного обучения в значительно более быстром темпе.


Intel заявила, что AMX позволяет производительному ядру выполнять в восемь раз больше операций INT8 за цикл, чем технология векторных нейросетевых инструкций (VNNI), используемая в процессорах Intel предыдущих поколений.

«Эффективное» ядро

Intel заявила, что эффективное ядро, ранее известное как Gracemont, является самой эффективной микроархитектурой x86 в ее линейке и предлагает гораздо большую производительность, чем унаследованные от Intel ядра процессоров Skylake. Intel заявила, что Gracemont имеет высокую пропускную способность, позволяющую выполнять рабочие нагрузки с большим количеством потоков и разгружать менее трудоемкие задачи. Intel спроектировала Gracemont так, чтобы она умещалась в минимальной площади кремния, чтобы рабочие нагрузки могли масштабироваться с увеличением количества ядер.

Intel Core 2


Intel заявила, что обновила базовую архитектуру для выполнения рабочих нагрузок, не тратя ненужные вычислительные мощности, и в то же время предоставила ей запас для работы на более высоких частотах. Intel улучшила свою способность более точно предсказывать следующую инструкцию в рабочей нагрузке. Он увеличил кэш инструкций L1 до 64 Кбайт, чтобы держать полезные инструкции под рукой и не тратить энергию на переход к другим банкам памяти.

Gracemont имеет более глубокую интерфейсную часть в сочетании с более широкой задней частью с большим количеством исполнительных портов, чем ее предыдущая микроархитектура класса Atom с кодовым названием Tremont. Intel также разместила в конвейере кластерный декодер с нарушением порядка, чтобы декодировать больше инструкций за каждый цикл, сохраняя при этом под контролем мощность и задержку. Также под капотом находится уникальный декодер длины инструкции, который хранит информацию предварительного декодирования в L1.

Для однопоточной производительности ядро ​​Efficient на 40% быстрее при той же мощности, что и ядро ​​Skylake, наиболее широко используемая микроархитектура ЦП в его линейке. Но, наоборот, он может потреблять на 40% меньше энергии при том же уровне производительности. Intel заявила, что четыре эффективных ядра обеспечивают на 80% больше пропускной способности при меньшем энергопотреблении, чем 2 ядра Skylake с четырьмя потоками. Или они могут обеспечить ту же производительность при снижении мощности на 80%.

Плотность транзисторов - еще один приоритет, которым Intel занимается с Gracemont. Intel может разместить четыре ядра Gracemont на той же площади на кристалле, что и одно ядро ​​Skylake, которое она представила пол десятилетия назад.