Intel 12代酷睿大小核架構探祕：小核效能暴漲80％

上回書說到，Intel Alder Lake 12代酷睿將採用全新的大小核混合架構設計，其中大核/效能核(P-Core)基於Golden Cove架構，最多8個，小核/能效核(E-Core)基於Gracemont架構，最多也是8個。

兩種架構的核心有何差異？一年一度的架構日活動上，Intel終於揭開了它們的神祕面紗。

當然，CPU架構設計是極為高深的，一般人把握不了，也無需研究太多，我們這裡大致過一下最關鍵的一些技術點。

Golden Cove是此前10代酷睿Sunny Cove、11代酷睿移動版Willow Cove、11代酷睿桌面版Cypress Cove的進一步升級版，但變化非常大，大量基礎模組都重構或升級，其設計理念也將影響未來多代產品的演化。

負責指令拾取和解碼的前端部分，就發生了翻天覆地的變化，號稱近十年來的最大變革，堪比當年的Skylake，官方稱它旨在提高速度、突破低時延和單執行緒應用程式效能的限制。

最直接、最明顯的就是解碼器寬度由4個升級為6個，這可是x86架構的第一次，同時每時鐘週期執行uop從6個增至8個，解碼長度從16位元組翻番至32位元組。?op快取、佇列也都大大強化，快取可達4K，佇列每執行緒可處理72條目，單執行緒達144個。

編碼預取大大增強，分支目標從5K增至12K，4K iTLB、2K/4M iTLB分別翻番至256、32，同時改進了分支預測精度，編碼預取機制更加智慧。

亂序引擎部分，同樣更寬、更深、更智慧，分配由5路增至6路，執行埠由10個增至12個，排程器尺寸增大，重排序緩衝區(ROB)從352條目增至512條目，兩倍多於AMD Zen3，僅次於蘋果M1(大約630條目)，重新命名和分配階段也可以執行更多指令。

整數執行引擎部分，增加了第五個整數執行埠，所有五個埠都可以執行ALU、LEA，理論上就原生ALU吞吐能力而言是最寬的x86核心。

向量執行引擎部分，增加了新的快速加法器(FADD)，比傳統FMA單元效率更高、延遲更低，FMA單元則增加支援FP16浮點資料類型，屬於AVX-512指令集的一部分。

載入和儲存部分，通過載入AGU增加了一個專用的執行埠，這樣載入埠從2個增至3個，同時載入緩衝和儲存緩衝更深，載入延遲更低，而針對當今負載不斷增加的記憶體級並行需求，資料處理能力也大大增加。

二級快取，桌面和移動端每核心還是1.25MB，伺服器端的Sapphire Rapids則增加到2MB，並支援多路徑預取、全寫入預測頻寬優化，可減少記憶體讀取。

Intel宣稱，Golden Cove架構相比於現在11代酷睿桌面上的Cypress Cove，實現了平均大約19％的IPC(每時鐘週期指令數)提升，可以理解為同頻效能的提升幅度。

它還支援AMX高階矩陣擴展指令，內建下一代AI加速技術，用於學習推理和訓練，包括專用硬體和新指令集架構，可明顯提高矩陣乘法運算。

Gracemont小核心屬於Atom凌動家族，是2008年以來的第七代，之前分別是Bonnell、Saltwell、Silvermont、Airmont、Goldmont(包括Plus版本)、Tremont。

按照Intel的說法，Gracemont核心非常迷你，一個Golden Cove大核心的空間裡，可以放入四個Gracemont小核心，以及它們共享的4MB二級快取。

別看是小核心，效能其實一點都不弱。Intel聲稱，單核單執行緒對比，Gracemont的同頻效能相比六代酷睿Skylake提升超過40％，而同等效能下功耗則可降低40％。

四核四執行緒的Gracemont對比雙核四執行緒的Skylake，峰值效能可提升80％，而同等效能下功耗可降低80％。

Intel表示，這種小核心設計可以在有限的晶片空間內，實現多核任務負載，並具備寬泛的頻率範圍，降低整體消耗，為更高頻率運行提供果功耗和散熱空間，滿足更多動態任務負載。

它還可以利用各種技術進步，在不額外增加功耗的情況下，對工作負載進行優先順序排序，並直接提升效能。

架構方面，小核心就相對簡單不少了，但變化也非常大，比如指令快取增大至64KB，可在不耗費記憶體子系統功率的情況下儲存可用指令，還有Intel的第一個按需指令長度解碼器，可生成預解碼資訊，加速現代工作負載。

同時藉助更深的分支歷史、更大的指令尺寸，分支預測精度大大增加，擁有5000個條目的分支目標快取區。

後端也更寬了，具備5組寬度分配、8組寬度引退、256個亂序視窗入口、17個執行埠，以及4個整數ALU、2個載入AGU、2個儲存AGU、2個跳轉埠、2個整數儲存資料、2個浮點/向量儲存、2個浮點/向量堆棧、以及第3個向量ALU。

記憶體部分，使用了雙載入、雙儲存單元的配置，二級快取增大至4MB，以及深度緩衝、高階預取器，支援Intel Resource Director資源重定向技術，可以讓軟體在不同核心、不同軟體執行緒之間實現精準的控制。

哦對了，Gracemont是第一個支援AVX2指令集的能效核心，還支援整數AI操作新擴展、Intel控制流強制技術、Intel虛擬化重定向保護技術。