英特尔Sunny Cove架构很“吸睛”：10nm加持 猛料不少
在近日举办的架构日活动上，英特尔罕见地公布了未来多年的cpu、gpu架构路线图，以及一系列相关技术、战略规划，让人大饱眼福，其中新的cpu架构是很多人非常关心的亮点。本文收集了一些资料，为大家尽量通俗地做一些简单解读。
2019-2021年三年间，英特尔将每年推出一代高性能酷睿(core)架构(当然也会用于至强)，同时在2019-2023年间，将推出三代低功耗凌动(atom)架构，重点当然是前者啦。
2019年的高性能新架构是“sunny cove”(阳光海湾)，cpu大幅升级的同时集成第11代核芯显卡，采用10nm工艺制造，桌面端处理器代号“ice lake”，这也将是英特尔第一个规模量产的10nm产品。
2020年是“willow cove”(柳树海湾)，几乎肯定还是10nm工艺，但应该会像14nm+、14nm++那样优化改进，2021年则是“golden cove”(金色海湾)，不知道能不能用上7nm。
对于willow cove、golden cove，英特尔只是简单提及了一些主要特性，而对于近在眼前的sunny cove，英特尔则是毫不吝啬地公布了不少架构技术细节。
首先说，这应该是英特尔历史上第一次在新品发布之前n个月，就大方地公布路线图和技术细节，再加上将会第一次大规模应用10nm新工艺，因此10nm sunny cove一经宣布，就吸引行业乃至普通用户的广泛关注。
而每当一代新的cpu架构公布时，了解它的原理、它的变革都让人很兴奋，英特尔这一次提前公布一系列猛料也值得鼓掌，值得细细品味。
但略有遗憾的是，英特尔目前给出的信息还不完整，主要只是介绍了sunny cove架构的后端设计细节，不涉及指令分派、指令队列等前端部分。
sunny cove的架构更新可以分为两部分，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，就是通过架构增强，改进大量应用的性能和能效，几乎所有人在日常使用中都能体验到，其本质上就是原始ipc(每时钟周期指令数)吞吐量的变化，或者运行频率的提高。
无论什么工艺节点，只要这两点有一个提升，整体性能就会随之上升，至少在涉及计算的方面会有直接体现。
频率通常取决于工艺和优化，ipc则可以来自更宽、更深、更智能的内核，或者专业点说分别就是每个时钟周期执行更多指令、每时钟周期更多并行、通过前端更好地传输数据。
而特定目的性能的提升，是针对特定使用场景、算法进行架构上的扩展，包括新的指令集、新的软件编译器/库等。
这种变化只有在专门的场合才能体会到，比如说英特尔宣传sunny cove架构通过新加入的指令集，可以让7-zip软件的压缩解压性能提升多达75％，就是一个典型例子，只有用这款软件或者针对其他针对相应指令优化的软件，才能获得如此明显的提升。
特殊目的性能提升虽然应用范围有限，但是只要给它发挥的空间，效果就是极为显著的，幅度远超通用性能提升。
sunny cove也在这方面做了大量的改进，涉及人工智能/机器学习、加解密、压缩/解压、通信/网络、通用simd(单指令多数据流)/矢量处理、特殊simd/矢量处理、多线程与多代理处理等等。
如果你有这些方面的应用，sunny cove带来的变化会非常可观。
上边说的都是一些大的应用范围，具体到每个领域还有更确切的应用场景，新指令的引入可以大大加速特定计算任务的执行。随着avx-512指令单元的加入，sunny cove为大数运算增加了ifma(带符号熔加算法)，也可用于加解密。
同时还有矢量aes加密(支持更多aes指令并行执行)、矢量乘(vector carryless multiply)、伽罗瓦域(galois field)、sha/sha-ni安全算法等，其中不少都是密码学的一些基本元素。
在缓存方面，sunny cove后端拥有48kb一级数据缓存，比现在的32kb增加了50％。一般来说，缓存的非命中率和容量增加幅度的平方根成反比，也就是说sunny cove的一级数据缓存命中错误率将会降低22％。
sunny cove的二级缓存也更大了，但具体容量暂未披露。目前酷睿是每核心256kb二级缓存，至强则是1mb。
另外，微操作(uop)缓存也比现在的2048-entry设计要更大，只不过具体数字暂时也没有公开。
二级tlb同样增大到未知数，这有助于机器历史地址转换。通常情况下，需要保持和存储更多轮询的时候才会这么做，这意味着英特尔已经发现，在部分应用环境中，最近的机器地址还没有用上就被收回了。
这张图显示了更多变化，包括执行端口从8个增至10个，可以让调度器一次释放更多指令，其中端口4、端口9连接着循环数据存储，带宽加倍，agu(地址生成单元)存储能力加倍，更大的一级指令缓存也在其中起到了一定作用。
之前的skylake架构上存在一个瓶颈，当全部三个agu尝试存储的时候，带宽就会明显不足，每个时钟周期只能执行一个。
载入性能不变，而宽度调度从4个增至5个，这意味着记录缓冲区的分派每时钟周期可以命中5个指令，但是实际效果如何仍有待观察。
sunny cove、skylake架构的执行端口发生了根本性的变化。
可以看到，英特尔为核心的整数部分配备了更多lea(有效地址载入)单元，用来进行内存寻址计算，可能在需要频繁内存计算的情况下，通过安全更新来缓解性能损失，或者通过恒定的偏移，有助于高性能阵列代码。
mul(乘法)单元从skylake的端口5转移到了端口1，可能是出于平衡设计的目的，同时还增加了一个idiv整数除法单元。
这个变化并不大，10nm cannon lake也有一个64位的idiv，可以将64位证书出发从97个时钟周期(混合指令)降低到18个，sunny cove可能也与之类似。
int整数运算方面，skylake端口5的乘法单元变成了mulhi单元，但在新架构中的具体作用尚不明晰。
fp浮点运算方面，sunny cove增加了重排资源，因为英特尔收到客户反馈，希望能消除代码中的瓶颈。
英特尔没有具体说明核心浮点部分fma(熔加运算)单元的功能，但我们知道，核心内有一个avx-512指令单元，所以至少会有一个fma单元会与之交互。
cannon lake架构只有一个512位fma单元，很可能延续到了这里，在至强上可能会有两个。
为了更明晰地对比skylake、sunny cove的后端执行资源变化，外媒anandtech还做了个对比表格如下：
英特尔列出的其他内核改进还有：分支预测器改进、有效载入延迟降低(得益于tlb/l1d)等等，但是英特尔也承认，这些改进不会让每个人获益，需要新的算法在特定代码中使用。
另外，sunny cove还支持更大的内存，主内存分页表现在是5层设计(之前是4层)，支持的线性寻址空间达到57位，物理寻址空间则是52位。
这意味着，至强服务器平台理论上每颗处理器可以搭配最多4tb内存，而现在skylake-sp架构的可扩展至强只有1.5tb，amd霄龙也不过2tb。
事实上，sunny cove是自从amd 2003年引入x86-64 64位架构以来，第一个对x64虚拟内存寻址做出重大变革的架构。
这十几年来，虽然虚拟内存寻址都支持64位，但实际上只有前48位有用，后边的16位只是前边简单的拷贝而已，这就将虚拟寻址空间限制在256tb。
这些虚拟内存通过分页表映射到物理内存，使得物理内存内存寻址也被限制在48位，导致整个系统的最大物理内存不能超过256tb。
现在，sunny cove将有效的虚拟内存寻址扩展到了57位，物理寻址则是最多52位，结果就是虚拟内存、物理内存最多分别可以支持到128pb、4pb。
根据英特尔之前给出的路线图，ice lake-sp家族的新一代至强将在2020年上市，届时内存扩展能力将得到前所未有的提升。
顺带说，在安全方面，sunny cove支持多密钥全内存加密、用户模式指令预防。
至于sunny cove前端部分的变化，我们期待英特尔公布更多信息。
阳光海湾充满意境：虽然此图中的天空不算很sunny，但的确cove很美
注：本文部分文字、图片参考了外媒anandtech、arstechnica的报道。
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