挤爆牙膏管？详解英特尔第12代酷睿AlderLake中的新特

　　在近日举办的2021年英特尔架构日活动中，英特尔对外宣布了众多技术创新，包括两个全新设计的x86内核微架构，并推出代号为AlderLake的性能混合架构处理器，以及面向数据中心领域的下一代至强可扩展处理器SapphireRapids；GPU架构部分，英特尔也详细介绍采用XeHPG微架构的Alchemist游戏显卡，以及XeHPC架构的PonteVecchio等；当然英特尔也介绍了其在推动开放、规范、跨架构和跨厂商的统一软件栈oneAPI工具包方面的具体进展。
　　本次架构日所讲的内容可以称得上是干货满满，尤其是关于AlderLake处理器的介绍更是占了极大的篇幅，作为英特尔面向于客户端计算市场的下一代酷睿处理器家族，AlderLake耗时多年打造，结合了众多最新、最前沿的技术，被英特尔寄予厚望，很多喜欢尝鲜的DIY发烧友也对AlderLake新平台有极高的期待。
　　AlderLake基本特性速览
　　总的来说，AlderLake将隶属于英特尔第12代酷睿处理器家族，基于最新的Intel7制程工艺打造（此前称之为10nmEnhancedSuperFin），采用Hybrid性能混合架构设计，集成了两种重新设计的内核微架构PerformanceCore性能核GoldenCove以及EfficientCore能效核Gracemont，二者结合并通过ITD硬件调度器进行合理调度，致力于在所有类型的工作负载中均带来显著性能提升与能耗改进。
　　AlderLake系列的TDP功耗范围从9W到125W，将覆盖超便携轻薄本、高性能游戏本、发烧级DIY台式机等所有类型的客户端PC设备产品线，此前IceLake和TigerLake无法做到这一点。具体来说AlderLake将提供三类产品设计形态：采用LGA1700接口代号为AlderLakeS的台式机处理器；移动端处理器代号为AlderLakeP和AlderLakeM，均为BGA封装。
　　具体规格方面，桌面版AlderLakeS将提供8个PerformanceCore性能核与8个EfficientCore能效核，共有24线程（EfficientCore能效核不支持超线程），以及30MB容量的非包含式三级缓存，并集成32EUXeLP架构核显。
　　面向于高性能游戏本的AlderLakeP采用BGAType3封装，最多能提供6个PerformanceCore性能核与8个EfficientCore能效核，XeLP核显规模则上升至96EU；并加入独立的图像控制单元，也延续了对Thunderbolt4控制器的集成。
　　至于面向轻薄、低功耗的轻薄本，英特尔则提供了更紧凑的高密度封装，最高可提供2个PerformanceCore性能核与8个EfficientCore能效核。
　　除了采用Hybrid性能混合架构设计之外，AlderLake还带来了其他新特性，例如支持最新内存和强大的IO拓展。AlderLake采用了全新的内存控制器，除了支持传统的DDR43200和LPDDR4x4266之外，也支持新一代DDR54800与LPDDR55200标准；除此之外，英特尔还表示AlderLake平台还会支持内存的动态电压频率缩放，并增强对内存超频的支持，此外考虑到JEDEC标准的DDR5普条参数方面并不好看，玩家也期待着更高频率、更低时序XMP3。0DDR5内存能够在年底随AlderLake同步发售。
　　IO方面AlderLake同样做到了领先时代，CPU支持直连16条PCIe5。04条PCIe4。0，以及PCH部分引出的12条PCIe4。016条PCIe3。0。其中PCIe5。0相比PCIe4。0进一步拓展了带宽，16条PCIe5。0可达64GBs。
　　由于AlderLake整体是一个非常复杂的芯片，为了应对这一可扩展架构的挑战，英特尔还设计了三种独立的内部总线，具体分为ComputeFabric计算内部总线，这类似于此前的RingBus环形总线，通过最后一级缓存将内核和显卡连接到内存，AlderLake可支持高达1000GBs；此外IOFabric总线速度最高可达64GBs（对应PCIe5。0x16），MemoryFabric总线速度为204GBs。
　　超出预期的能效核Gracemont，这个小核要比想象中要强大得多。。。。。。
　　PPA是Performance（性能）、Power（功耗）、Area（尺寸）三者的缩写，而对于芯片架构设计来说，PPA是无法绕开的话题，是在设计架构时必须要考量的因素。在获得性能提升的同时，也对芯片面积和功耗做到合理控制，这也是很多架构师的目标。
　　AlderLake采用的EfficientCore能效核代号为Gracemont，英特尔表示Gracemont旨在面对当今多任务场景做到充分优化，提高了吞吐量效率并提供可扩展的多线程性能；在有限的硅片空间内实现强大的多核任务负载，并具备宽泛的频率范围。英特尔在架构日演讲中透露，Gracemont的设计目标是IPC赶上并超越此前的14nmSkylake内核，并实现能耗比的飞跃式提升。
　　为了实现这一宏大的目标，Gracemont在微架构层面做到了全面改进。Gracemont前端延续了Tremont的33设计，解码每个周期多达六个指令，同时保持能效。
　　而为了实现更准确的分支预测能力，Gracemont拥有5000个条目的分支目标缓存区；还将指令缓存提高到64KB，在不耗费内存子系统功率的情况下保存可用指令，做到进一步节省电力。
　　ROB乱序重排缓冲区部分，Gracemont从Tremont的208队列进一步提升到256队列，已经超越了Skylake和AMDZen2的224队列，与AMDZen3相持平。
　　Gracemont的后端做到了大幅升级，具备5组宽度分配、8组宽度引退、共有17个执行端口，具体来看提供4个整数ALU、2个载入AGU、2个存储AGU、2个跳转端口、2个整数存储数据、2个浮点矢量存储、2个浮点矢量堆栈、以及第3个矢量ALU等，并可以支持AVX指令集和VNNI人工智能加速。
　　内存子系统部分部分，Gracemont使用了双载入、双存储单元的配置，并且每4个Gracemont核心为一个集群，共享4MB二级缓存。
　　至于具体的性能与能耗表现，英特尔使用Gracemont对比Skylake，并放出了两组能耗曲线数据。首先是单线程性能，测试SPECrate2017int，在相同功耗时Gracemont有超过40性能优势，或达到相同性能时只使用40不到的功耗。
　　多线程对比则更为夸张，同样测试SPECrate2017int，4核心4线程的Gracemont对比2核心4线程的Skylake，能够在功耗更低的情况下同时带来超过80的性能提升，而在提供同样的性能时，功耗则降低80。
　　百尺竿头更进一步，无比强大的性能核GoldenCove
　　AlderLake采用的PerformanceCore性能核代号为GoldenCove，不同于WillowCove对SunnyCove微调缓存式的小幅升级，GoldenCove的变化非常巨大，官方宣传称GoldenCove的设计目标旨在提高速度，突破低时延和单线程应用程序性能的限制，以及更好地支持代码体积较大的应用程序。
　　为了进一步提高IPC，GoldenCove的设计宗旨是更宽、更深、更智能。微架构的前端解码器由4个增至6个，6op缓存增至8op。
　　ROB乱序重排缓冲区部分，GoldenCove达到了512队列，相比于SunnyCove和WillowCove的352队列增加40以上，也是AMDZen3架构的2倍，仅次于苹果M1大核心Firestorm的630队列。
　　wideallocation分配由5路增至6路，执行端口由10个增至12个。具体到整数执行引擎部分，GoldenCove增加了第五个整数执行端口。
　　矢量浮点执行部分，虽然没有增加端口，但额外添加了新的FADD加法计算单元。
　　二级缓存部分，GoldenCove可配置每核心1。25MB或每核心2MB，其中面向消费级的AlderLake为每核心1。25MB，与第11代酷睿TigerLake的WillowCove相同。至于面向数据中心领域的SapphireRapids，则配备每核心2MB二级缓存。
　　具体的性能方面，英特尔表示AlderLake的PerformanceCore性能核GoldenCove是公司有史以来最为强大的x86内核微架构，对比第11代酷睿处理器桌面版RocketLake的CypressCove，两者运行在相同的3。3GHz频率上，测试SPECCPU2017、SYSmark25、Crossmark、PCMark10，、WebXPRT3，、Geekbench5。4。1等项目，GoldenCove的平均IPC提升可达19。
　　再考虑到爆料中Intel7制程工艺（此前称之为10nmEnhancedSuperFin）已经逐步成熟，AlderLake的QS版就可以达到超过5。0GHz的睿频频率，因此当AlderLake上市后，将在单线程性能方面具有极强的竞争力，遥遥甩开AMDZen3，甚至面对AMD在2022年发布的Zen4也有一战之力。
　　展望未来，携手Windows11，AlderLake能开启PC体验的新时代吗？
　　AlderLake作为混合架构处理器，想要让两类核心的性能获得高效发挥，那必然离不开调度的支持。为使PerformanceCore性能核GoldenCove和EfficientCore能效核Gracemont与操作系统无缝协作，英特尔开发了一种改进的调度技术，全称为IntelThreadDirector（缩写为ITD），中文名英特尔硬件线程调度器，并通过与微软进行合作，优化ITD在Windows11上的性能表现。
　　英特尔也在架构日上透露了ITD对AlderLake的基本调度逻辑，PerformanceCore性能核的物理线程优先处理复杂的前台任务、为调度的第一优先级，然后则是EfficientCore能效核，最后才是PerformanceCore性能核的超线程。。。。。。当然，英特尔也表示ITD具有动态性和自适应性，可根据实时的计算需求智能调整调度决策，致力于做到快速响应、高性能和低功耗的平衡。
　　PerformanceCore性能核GoldenCove、EfficientCore能效核Gracemont、ITD硬件线程调度器、Intel7（10nmEnhancedSuperFin）制程工艺、支持DDR5、PCIe5。。。。。。作为首款性能混合架构，AlderLake堪称是英特尔众多新技术的结晶与完美释放；今年第4季度桌面版AlderLakeS将正式发售，而面向移动端的AlderLakePM也将在CES2022发布，让我们敬请期待！
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