文︱郭紫文
图︱英特尔
如今，科技已经处于世界的中心，人们的生活与数字技术交织交融。在计算机视觉、加密数字货币、去中心化金融、增强现实（AR）、元宇宙等技术的飞速发展下，对于CPU、GPU、FPGA等工作负载处理能力的要求也逐渐提升。正如英特尔公司高级副总裁兼加速计算系统和图形事业部总经理Raja Koduri所说，强大的计算能力至关重要。
早在2018年，英特尔便提出以制程、架构、存储、互联、安全、软件为六大战略支柱，并明确了计算新时代必要的四大基础计算架构，即标量、矢量、矩阵和空间架构。2021年，帕特·基辛格担任英特尔CEO一职，并宣布了全新的制造战略IDM2.0，随后英特尔公布了其有史以来最详细的路线图，涉及晶体管、互连、封装等技术，持续拓展摩尔定律边界。
Raja表示，无论是高需求工作负载，还是追求创新的客户，都有一个共同的元性能要求。“为了在2025年满足1000x（千倍级）处理能力提升的需求，我们要在每个技术领域，实现至少4倍左右的摩尔定律提升，这些领域包括制程工艺、封装、内存和互连，而架构是将它们与软件结合起来的‘炼金术’。”
工作负载千倍级提升需求
在2021年英特尔架构日上，Raja携手英特尔多位架构师，面向CPU、GPU和IPU，发布了英特尔重大技术架构的创新，全面揭露了英特尔路线图新产品背后的架构细节。
2021英特尔架构日架构创新
首个性能混合架构：能效与性能全面提升
自1978年x86架构诞生开始，英特尔持续完善x86架构生态，拓展其在计算机、服务器等高性能高功耗领域的市场。在本次架构日上，英特尔发布了全新一代的x86内核微架构，包括能效核微架构与性能核微架构，以及首个性能混合架构Alder Lake。
“英特尔的首要目标是，打造世界上极高能效的x86 CPU内核。”能效核微架构（E-Core）此前代号为“Gracemont”，英特尔利用intel 7 优化设计，提升面积效率，进而扩展产品内核数量，最大限度降低能耗，提高CPU能效比。
我们知道，Skylake是英特尔迄今为止最多产的CPU微架构。与之相比，能效核架构在相同功耗下单线程性能提升40%；相同性能时，功耗比Skylake低40%。其次，在吞吐量方面，与运行四个线程的两个Skylake内核相比，四个能效核在性能提升80%的同时功耗更低，或者在提供相同吞吐量性能时，功耗降低80%。英特尔x86能效核的首席架构师Stephen Robinson介绍，高度可扩展的x86能效核架构，应用范围覆盖了从低功耗移动应用到多核微服务等领域。
能效核性能提升
x86性能核架构（P-Core）专为速度设计，突破了低时延、单线程应用性能限制。据英特尔性能核首席架构师Adi Yoaz介绍，性能核架构前身为“Golden Cove”，专注于实现CPU架构性能提升，不断完善AVX矢量加速硬件、指令集架构（ISA）性能，为低TDP笔记本电脑、台式机、数据中心提供全面的支持。此外，该架构以“更宽、更深、更智能”的特性，提高了指令执行的并行性及通用性能。在频率相同的情况下，与Cypress Cove内核架构相比，性能核架构对大范围工作负载实现了19%的处理能力提升。
性能核性能提升
将上述能效核与性能核的优势相结合，英特尔在一个系统中实现了两者的最佳结合，兼具高可扩展性、多线程、低时延特性。通过硬件线程调度器，英特尔将能效核与性能核无缝衔接，协同运行，最大限度提升系统的能效与性能。这就是英特尔首个性能混合内核架构Alder Lake，据英特尔Alder Lake首席架构师Arik Gihon透露，基于该架构的产品也将在今年开始出货。
首个性能混合内核架构Alder Lake
“支持如此广泛的功率设计和性能是一项艰巨的芯片设计挑战，英特尔通过业界一流IP，实现了晶片级可配置，全面优化性能和效率。”Arik Gihon表示，英特尔Alder Lake基于intel 7制程，通过单一可扩展的SoC架构，支持所有客户端细分市场。
全新独立显卡架构，发烧友级别性能提升
较之集成显卡，独立显卡更能释放潜能。从第9代到Xe-LP，英特尔已经连续两年将显卡性能逐年翻倍。今年，英特尔依然关注显卡的性能和质量，专注于构建内核驱动程序本身的设计，并推出了Xe HPG独立显卡微架构，为游戏和创作工作负载提供了发烧级的高性能水准。对游戏玩家来说，英特尔独立显卡结合所有视觉元素，生成了近乎真实的视觉效果。
从引擎核心到逻辑设计，Xe HPG微架构进行了全面的升级和优化，完成了代码重构，独立显卡本地内存利用率也得到优化，支持硬件光线追踪、网格着色和采样器反馈。为满足高质量渲染，英特尔研发了易于集成的XeSS API，通过深度学习来提升渲染分辨率和质量。与Xe-LP的 Iris Xe Max 产品IP相比，Xe HPG将相对运行频率和每瓦性能分别提高约1.5倍。
Xe HPG性能提升
针对Xe HPG微架构，英特尔还打造了Xe内核，包括16个矢量引擎和16个矩阵引擎（XMX）。其中，矩阵引擎能够加速AI工作负载，实现高性能、高保真的游戏体验，是英特尔Xe HPG实现高效计算的关键。
基于Xe HPG架构，英特尔推出Alchemist系列SoC，拥有出色的可扩展性和计算效率。据悉，该产品将于2022年第一季度上市，并采用英特尔锐炫（Intel ArcTM）作为新的品牌名。
数据中心架构新标准
面向数据中心领域，英特尔在技术模块上的研发投入长达数年。本次架构日上，英特尔着重介绍了下一代至强可扩展处理器Sapphire Rapids、基础设施处理器（IPU）Mount Evans，以及面向百亿亿次计算的GPU Ponte Vecchio。
“我们正处于一场基础建设革命中，计算本身与如何提供计算同样重要。英特尔不仅提供从边缘到云的计算能力，同时也为用户提供建设数据中心的方案。”近期，在Six Five峰会上，英特尔发布了IPU基础设施处理器，将基础设施与用户工作负载隔离，让用户更好地管控CPU，也为基础设施功能减负，提升架构灵活性和吞吐量。
在提升计算能力方面，英特尔首席数据中心架构师Sailesh表示，Sapphire Rapids将为数据中心架构树立新的标准，对计算性能和并行工作负载进行优化和提升。该处理器以模块化分区架构为核心，采用英特尔嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）封装技术，能够保持单晶片接口优势，拥有高可扩展性、低时延和高横向带宽等优点。
Sapphire Rapids
英特尔另一项为数据中心提升计算能力的方案基于Xe HPC微架构的Ponte Vecchio芯片。英特尔Ponte Vecchio首席架构师Masooma Bhaiwala表示，该芯片是英特尔历来最复杂的芯片，更像是包含诸多芯片的集合。英特尔将计算单元、Rambo单元、Xe链路单元以及包含高速HBM内存的基础单元通过高带宽互连进行组装，实现单元之间低功耗高速连接。
Ponte Vecchio
在吞吐量计算密度与对高带宽内存的支持方面，英特尔连续十年都处于落后地位。作为英特尔缩小差距的杀手锏，Ponte Vecchio芯片在每秒浮点运算次数和计算密度上已经具有业界领先优势。
总结
在2021英特尔架构日上，英特尔CEO 帕特·基辛格表示：“我们的战略和执行都在加速，我们正为英特尔创新与技术领先的新时代描绘蓝图。英特尔在软件、芯片和平台方面的深度与广度，在封装和制程工艺方面的技术，以及在大规模制造上的实力，赋予英特尔独特的位势，去抓住这一巨大的增长机遇。”
面向CPU、GPU、IPU等多个方向，从边缘和终端设备到网络、再到云，英特尔专注研发最优架构及平台创新，以迎接日益艰巨的高性能计算挑战。
