英特爾Sunny Cove架構(gòu)很“吸睛”：10nm加持 猛料不少

在近日舉辦的架構(gòu)日活動(dòng)上，英特爾罕見地公布了未來多年的CPU、GPU架構(gòu)路線圖，以及一系列相關(guān)技術(shù)、戰(zhàn)略規(guī)劃，讓人大飽眼福，其中新的CPU架構(gòu)是很多人非常關(guān)心的亮點(diǎn)。本文收集了一些資料，為大家盡量通俗地做一些簡單解讀。

2019-2021年三年間，英特爾將每年推出一代高性能酷睿(Core)架構(gòu)(當(dāng)然也會(huì)用于至強(qiáng))，同時(shí)在2019-2023年間，將推出三代低功耗凌動(dòng)(Atom)架構(gòu)，重點(diǎn)當(dāng)然是前者啦。

2019年的高性能新架構(gòu)是“Sunny Cove”(陽光海灣)，CPU大幅升級的同時(shí)集成第11代核芯顯卡，采用10nm工藝制造，桌面端處理器代號(hào)“Ice Lake”，這也將是英特爾第一個(gè)規(guī)模量產(chǎn)的10nm產(chǎn)品。

2020年是“Willow Cove”(柳樹海灣)，幾乎肯定還是10nm工藝，但應(yīng)該會(huì)像14nm+、14nm++那樣優(yōu)化改進(jìn)，2021年則是“Golden Cove”(金色海灣)，不知道能不能用上7nm。

對于Willow Cove、Golden Cove，英特爾只是簡單提及了一些主要特性，而對于近在眼前的Sunny Cove，英特爾則是毫不吝嗇地公布了不少架構(gòu)技術(shù)細(xì)節(jié)。

首先說，這應(yīng)該是英特爾歷史上第一次在新品發(fā)布之前N個(gè)月，就大方地公布路線圖和技術(shù)細(xì)節(jié)，再加上將會(huì)第一次大規(guī)模應(yīng)用10nm新工藝，因此10nm Sunny Cove一經(jīng)宣布，就吸引行業(yè)乃至普通用戶的廣泛關(guān)注。

而每當(dāng)一代新的CPU架構(gòu)公布時(shí)，了解它的原理、它的變革都讓人很興奮，英特爾這一次提前公布一系列猛料也值得鼓掌，值得細(xì)細(xì)品味。

但略有遺憾的是，英特爾目前給出的信息還不完整，主要只是介紹了Sunny Cove架構(gòu)的后端設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，不涉及指令分派、指令隊(duì)列等前端部分。

Sunny Cove的架構(gòu)更新可以分為兩部分，一是通用目的性能提升，二是特定目的性能提升。

通用目的性能的提升，就是通過架構(gòu)增強(qiáng)，改進(jìn)大量應(yīng)用的性能和能效，幾乎所有人在日常使用中都能體驗(yàn)到，其本質(zhì)上就是原始IPC(每時(shí)鐘周期指令數(shù))吞吐量的變化，或者運(yùn)行頻率的提高。

無論什么工藝節(jié)點(diǎn)，只要這兩點(diǎn)有一個(gè)提升，整體性能就會(huì)隨之上升，至少在涉及計(jì)算的方面會(huì)有直接體現(xiàn)。

頻率通常取決于工藝和優(yōu)化，IPC則可以來自更寬、更深、更智能的內(nèi)核，或者專業(yè)點(diǎn)說分別就是每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行更多指令、每時(shí)鐘周期更多并行、通過前端更好地傳輸數(shù)據(jù)。

而特定目的性能的提升，是針對特定使用場景、算法進(jìn)行架構(gòu)上的擴(kuò)展，包括新的指令集、新的軟件編譯器/庫等。

這種變化只有在專門的場合才能體會(huì)到，比如說英特爾宣傳Sunny Cove架構(gòu)通過新加入的指令集，可以讓7-Zip軟件的壓縮解壓性能提升多達(dá)75%，就是一個(gè)典型例子，只有用這款軟件或者針對其他針對相應(yīng)指令優(yōu)化的軟件，才能獲得如此明顯的提升。

特殊目的性能提升雖然應(yīng)用范圍有限，但是只要給它發(fā)揮的空間，效果就是極為顯著的，幅度遠(yuǎn)超通用性能提升。

Sunny Cove也在這方面做了大量的改進(jìn)，涉及人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)、加解密、壓縮/解壓、通信/網(wǎng)絡(luò)、通用SIMD(單指令多數(shù)據(jù)流)/矢量處理、特殊SIMD/矢量處理、多線程與多代理處理等等。

如果你有這些方面的應(yīng)用，Sunny Cove帶來的變化會(huì)非?？捎^。

上邊說的都是一些大的應(yīng)用范圍，具體到每個(gè)領(lǐng)域還有更確切的應(yīng)用場景，新指令的引入可以大大加速特定計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行。隨著AVX-512指令單元的加入，Sunny Cove為大數(shù)運(yùn)算增加了IFMA(帶符號(hào)熔加算法)，也可用于加解密。

同時(shí)還有矢量AES加密(支持更多AES指令并行執(zhí)行)、矢量乘(Vector Carryless Multiply)、伽羅瓦域(Galois Field)、SHA/SHA-NI安全算法等，其中不少都是密碼學(xué)的一些基本元素。

在緩存方面，Sunny Cove后端擁有48KB一級數(shù)據(jù)緩存，比現(xiàn)在的32KB增加了50%。一般來說，緩存的非命中率和容量增加幅度的平方根成反比，也就是說Sunny Cove的一級數(shù)據(jù)緩存命中錯(cuò)誤率將會(huì)降低22%。

Sunny Cove的二級緩存也更大了，但具體容量暫未披露。目前酷睿是每核心256KB二級緩存，至強(qiáng)則是1MB。

另外，微操作(uOp)緩存也比現(xiàn)在的2048-entry設(shè)計(jì)要更大，只不過具體數(shù)字暫時(shí)也沒有公開。

二級TLB同樣增大到未知數(shù)，這有助于機(jī)器歷史地址轉(zhuǎn)換。通常情況下，需要保持和存儲(chǔ)更多輪詢的時(shí)候才會(huì)這么做，這意味著英特爾已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在部分應(yīng)用環(huán)境中，最近的機(jī)器地址還沒有用上就被收回了。

這張圖顯示了更多變化，包括執(zhí)行端口從8個(gè)增至10個(gè)，可以讓調(diào)度器一次釋放更多指令，其中端口4、端口9連接著循環(huán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，帶寬加倍，AGU(地址生成單元)存儲(chǔ)能力加倍，更大的一級指令緩存也在其中起到了一定作用。

之前的Skylake架構(gòu)上存在一個(gè)瓶頸，當(dāng)全部三個(gè)AGU嘗試存儲(chǔ)的時(shí)候，帶寬就會(huì)明顯不足，每個(gè)時(shí)鐘周期只能執(zhí)行一個(gè)。

載入性能不變，而寬度調(diào)度從4個(gè)增至5個(gè)，這意味著記錄緩沖區(qū)的分派每時(shí)鐘周期可以命中5個(gè)指令，但是實(shí)際效果如何仍有待觀察。

Sunny Cove、Skylake架構(gòu)的執(zhí)行端口發(fā)生了根本性的變化。

可以看到，英特爾為核心的整數(shù)部分配備了更多LEA(有效地址載入)單元，用來進(jìn)行內(nèi)存尋址計(jì)算，可能在需要頻繁內(nèi)存計(jì)算的情況下，通過安全更新來緩解性能損失，或者通過恒定的偏移，有助于高性能陣列代碼。

MUL(乘法)單元從Skylake的端口5轉(zhuǎn)移到了端口1，可能是出于平衡設(shè)計(jì)的目的，同時(shí)還增加了一個(gè)iDIV整數(shù)除法單元。

這個(gè)變化并不大，10nm Cannon Lake也有一個(gè)64位的IDIV，可以將64位證書出發(fā)從97個(gè)時(shí)鐘周期(混合指令)降低到18個(gè)，Sunny Cove可能也與之類似。

INT整數(shù)運(yùn)算方面，Skylake端口5的乘法單元變成了MulHi單元，但在新架構(gòu)中的具體作用尚不明晰。

FP浮點(diǎn)運(yùn)算方面，Sunny Cove增加了重排資源，因?yàn)橛⑻貭柺盏娇蛻舴答仯Ｍ芟a中的瓶頸。

英特爾沒有具體說明核心浮點(diǎn)部分FMA(熔加運(yùn)算)單元的功能，但我們知道，核心內(nèi)有一個(gè)AVX-512指令單元，所以至少會(huì)有一個(gè)FMA單元會(huì)與之交互。

Cannon Lake架構(gòu)只有一個(gè)512位FMA單元，很可能延續(xù)到了這里，在至強(qiáng)上可能會(huì)有兩個(gè)。

為了更明晰地對比Skylake、Sunny Cove的后端執(zhí)行資源變化，外媒AnandTech還做了個(gè)對比表格如下：

英特爾列出的其他內(nèi)核改進(jìn)還有：分支預(yù)測器改進(jìn)、有效載入延遲降低(得益于TLB/L1D)等等，但是英特爾也承認(rèn)，這些改進(jìn)不會(huì)讓每個(gè)人獲益，需要新的算法在特定代碼中使用。

另外，Sunny Cove還支持更大的內(nèi)存，主內(nèi)存分頁表現(xiàn)在是5層設(shè)計(jì)(之前是4層)，支持的線性尋址空間達(dá)到57位，物理尋址空間則是52位。

這意味著，至強(qiáng)服務(wù)器平臺(tái)理論上每顆處理器可以搭配最多4TB內(nèi)存，而現(xiàn)在Skylake-SP架構(gòu)的可擴(kuò)展至強(qiáng)只有1.5TB，AMD霄龍也不過2TB。

事實(shí)上，Sunny Cove是自從AMD 2003年引入x86-64 64位架構(gòu)以來，第一個(gè)對x64虛擬內(nèi)存尋址做出重大變革的架構(gòu)。

這十幾年來，雖然虛擬內(nèi)存尋址都支持64位，但實(shí)際上只有前48位有用，后邊的16位只是前邊簡單的拷貝而已，這就將虛擬尋址空間限制在256TB。

這些虛擬內(nèi)存通過分頁表映射到物理內(nèi)存，使得物理內(nèi)存內(nèi)存尋址也被限制在48位，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的最大物理內(nèi)存不能超過256TB。

現(xiàn)在，Sunny Cove將有效的虛擬內(nèi)存尋址擴(kuò)展到了57位，物理尋址則是最多52位，結(jié)果就是虛擬內(nèi)存、物理內(nèi)存最多分別可以支持到128PB、4PB。

根據(jù)英特爾之前給出的路線圖，Ice Lake-SP家族的新一代至強(qiáng)將在2020年上市，屆時(shí)內(nèi)存擴(kuò)展能力將得到前所未有的提升。

順帶說，在安全方面，Sunny Cove支持多密鑰全內(nèi)存加密、用戶模式指令預(yù)防。

至于Sunny Cove前端部分的變化，我們期待英特爾公布更多信息。

陽光海灣充滿意境：雖然此圖中的天空不算很Sunny，但的確Cove很美

注：本文部分文字、圖片參考了外媒AnandTech、Arstechnica的報(bào)道。