英特尔公布CPU、GPU和IPU重大世代架构转换

英特尔加速运算系统及图形产品事业群总经理 Raja Koduri 和英特尔架构师们，于2021年英特尔架构日提供关于两款全新x86核心架构的细节；英特尔首款混合式架构，代号「Alder Lake」，配备智慧型Intel Thread Director工作负载排程器；「Sapphire Rapids」，下一世代资料中心的Intel Xeon可扩充处理器；全新基础设施处理器 (IPU)；以及即将推出的图形架构，包含Xe HPG和Xe HPC微架构，以及Alchemist和Ponte Vecchio SoC。

这些新架构为即将推出的高效能产品注入动力，并成为英特尔下个创新时代的基石，借以满足全球对于更多运算能力不断增长的需求。

Raja Koduri 特别表示架构进步对于满足此需求的重要性，说道：「架构就像是硬体和软体的炼金术一般。它为某个引擎融合了绝佳的电晶体，并整合高频宽、低功耗的快取，它们更为混合式运算丛集，配备大容量记忆体与低延迟可扩充互连至单一封装之中，透过先进封装结合起来，并同时确保所有软体均能无缝加速。随着从桌面到资料中心的工作负载，变得更大、更多、更复杂和更多元，我们在架构日所揭晓的突破更加显现出，优秀的架构将如何满足更多运算效能的迫切需求。」

英特尔的全新效率核心微架构，先前代号称为「Gracemont」，专为吞吐量效率而设计，为现代多工开启一道可扩充的多执行绪效能大门。这是英特尔最具效率的x86微架构，追求极小化的晶片面积，让多核心工作负载效能能够随着核心数量成长。它也提供相当广泛的运作频率范围。这款微架构与细心设计成果，允许效率核心于低电压下运作，降低电力消耗，并为高频率运作预留功耗余裕。这让效率核心能够为更高需求的工作负载提升效能。

效率核心采用多种先进技术对工作负载排出优先顺序，而不浪费其运算资源，并透过提升每周期指令数量（IPC）直接强化效能，包含：

‧5,000条分支目标快取，达成更为精确的分支预测

‧64 KB指令快取，将有用的指令放在距离较近之处，避免额外产生记忆体子系统的功耗

‧英特尔首款随选型指令长度解码器，负责产生预解码资讯

‧英特尔的丛集乱序解码器，于维持电力效率的同时，每周期最高能够解码6条指令

‧宽广的后端每周期支援5条分派（five-wide allocation）和8条引退（eight-wide retire），256条目乱序视窗和17个执行埠

‧强式安全功能支援IntelR Control-Flow Enforcement Technology 以及 IntelR Virtualization Technology Redirection Protection

‧导入AVX指令集架构，以及支援整数人工智慧（AI）运算的新延伸指令集

与英特尔最为丰富的中央处理器（CPU）微架构 – Skylake CPU核心相互比较，效率核心于单执行绪条件下，相同功耗可多出40％效能，或是降低40％功耗并提供相同效能表现。多核心处理下，4个效率核心相较以4条执行绪方式运作的Skylake双核心，能够提供多出80％效能并降低功耗，或是减少80％功耗并维持相同的效能。

英特尔的全新效能核心微架构，先前代号称为「Golden Cove」，专为速度、将低延迟推向极限、单执行绪应用程式效能所设计。当工作负载的程式码数量正不断增长，并且要求更多的执行能力。资料也同步大幅度地成长，随之而来的是资料频宽需求。英特尔全新效能核心微架构提供显著的效能提升，对于蕴含大量程式码的应用程式也有更好的支援。

效能核心具备更宽、更深、更聪明的架构：

‧更宽：6个解码器（先前为4个）；微指令（μop）快取每周期输出8条（先前为6条）；每周期6条分派（先前为5条）；12个执行埠（先前为10个）

‧更深：更多的实体暂存器档案；更深的512条目重排序缓冲区

‧更聪明：改善分支预测精准度；降低有效L1延迟；L2全快取写入预测及频宽最佳化

效能核心是英特尔迄今最高效能的CPU核心，并将低延迟和单执行绪应用程式效能推向极限，例如：

‧于相同运作频率之下，相较目前的第11代IntelR Core?架构（Cypress Cove），在广泛及多样的工作负载能够提供几何平均约19％的改善1

‧更宽、更深的设计显露出更高的平行度，同时提升执行的平行度

‧IntelR Advanced Matrix Extensions，针对下一世代深度学习和训练效能，而发展的内建AI加速。包含专用硬体和新款指令集架构，能够显著地提升矩阵乘法运算速度

‧降低延迟并提升大量资料与大型程式码应用程式的支援性

英特尔下一代的PC客户端架构，代号Alder Lake，为英特尔首款混合式架构，第一次整合两种核心类型－效能核心和效率核心，于多种工作负载种类均可显著提升效能。 Alder Lake采用 Intel 7 制程打造，并支援最新的记忆体和最快的I/O。

Alder Lake藉由利用单一、高度可扩充的系统单晶片（SoC）架构，支援超轻薄笔记型电脑，再到狂热玩家和商用桌上型电脑的全系列PC客户端市场，将可提供令人难以置信的效能，有三种设计：

‧以最大化效能为前提，采用两颗晶片打造平台，具CPU插座的桌上型电脑，提供领先群伦的效能、能源效率、记忆体和I/O

‧高效能行动电脑晶片采BGA封装，增加影像处理、更大的Xe 图形核心和Thunderbolt 4连接性

‧轻薄，低功耗、高密度封装，I/O与电力供应最佳化

建造如此高度可扩充架构的挑战，在于如何不牺牲功耗表现的情况下，满足运算以及各种I/O令人难以置信的频宽需求。为解决这项挑战，英特尔已设计出3种独立的交织结构（fabric），每种均具备即时、随选式启发演算法：

‧运算交织结构每秒最高能够支援1000 GB（GBps），表示每丛集或是每核心可分得100GBps，并透过末级快取将核心与图形衔接至记忆体

‧I/O交织结构最高支援64 GBps，将不同类型的I/O和内部装置相互连结，并能够无缝切换速度而不影响装置的正常运作，选择适合资料传输量所要求的交织结构速度

‧记忆体交织结构能够提供最高204 GBps的资料，并动态调整汇流排宽度与速度，支援高频宽、低延迟或低功耗等多个运作点

次世代Intel Xeon可扩充处理器（代号Sapphire Rapids）

Sapphire Rapids代表着英特尔最大的资料中心平台进展。该处理器于动态且不断提升需求的资料中心使用当中，提供可观的运算效能并为工作负载最佳化，能够在云端、微服务和AI等弹性计算模型（elastic compute model）提供高效能。

平铺的（tiled）、模组化的SoC架构位于Sapphire Rapids中心，其利用英特尔嵌入式多晶片互连桥接（EMIB）技术，于提供惊人扩充性的同时，依旧保持单一（monolithic）CPU晶片所享有的优势。 Sapphire Rapids提供单一且平衡的统一记忆体存取架构，每条执行绪均可完全存取所有晶片（tile）的所有资源，包含快取、记忆体和I/O。其结果让整个SoC均提供一致的低延迟和高跨区频宽。

Sapphire Rapids采用 Intel 7 制程技术制造，并具备英特尔全新效能核心微架构，专为速度、将低延迟推向极限、并兼顾单执行绪应用程式效能所设计。

Sapphire Rapids提供业界最为广泛的资料中心相关加速器，包含新款指令集架构和整合IP，以便提升客户广泛的工作负载和使用效能。这些架构上的进展让Sapphire Rapids为云端、资料中心、网路和智慧边缘当中，最为广泛的工作负载和部署模型，提供绝佳的立即可用效能。该处理器透过先进的记忆体和次世代I/O，包含PCIe 5.0、CXL 1.1、DDR5和HBM技术，驱动产业技术转型。