Intel 12代酷睿大小核架构探秘：小核性能暴涨80％

上回书说到，intel alder lake 12代酷睿将采用全新的大小核混合架构设计，其中大核/性能核(p-core)基于golden cove架构，最多8个，小核/能效核(e-core)基于gracemont架构，最多也是8个。

两种架构的核心有何差异？一年一度的架构日活动上，intel终于揭开了它们的神秘面纱。

当然，cpu架构设计是极为高深的，一般人把握不了，也无需研究太多，我们这里大致过一下最关键的一些技术点。

golden cove是此前10代酷睿sunny cove、11代酷睿移动版willow cove、11代酷睿桌面版cypress cove的进一步升级版，但变化非常大，大量基础模块都重构或升级，其设计理念也将影响未来多代产品的演化。

负责指令拾取和解码的前端部分，就发生了翻天覆地的变化，号称近十年来的最大变革，堪比当年的skylake，官方称它旨在提高速度、突破低时延和单线程应用程序性能的限制。

最直接、最明显的就是解码器宽度由4个升级为6个，这可是x86架构的第一次，同时每时钟周期执行uop从6个增至8个，解码长度从16字节翻番至32字节。?op缓存、队列也都大大强化，缓存可达4k，队列每线程可处理72条目，单线程达144个。

编码预取大大增强，分支目标从5k增至12k，4k itlb、2k/4m itlb分别翻番至256、32，同时改进了分支预测精度，编码预取机制更加智能。

乱序引擎部分，同样更宽、更深、更智能，分配由5路增至6路，执行端口由10个增至12个，调度器尺寸增大，重排序缓冲区(rob)从352条目增至512条目，两倍多于amd zen3，仅次于苹果m1(大约630条目)，重命名和分配阶段也可以执行更多指令。

整数执行引擎部分，增加了第五个整数执行端口，所有五个端口都可以执行alu、lea，理论上就原生alu吞吐能力而言是最宽的x86内核。

矢量执行引擎部分，增加了新的快速加法器(fadd)，比传统fma单元效率更高、延迟更低，fma单元则增加支持fp16浮点数据类型，属于avx-512指令集的一部分。

载入和存储部分，通过载入agu增加了一个专用的执行端口，这样载入端口从2个增至3个，同时载入缓冲和存储缓冲更深，载入延迟更低，而针对当今负载不断增加的内存级并行需求，数据处理能力也大大增加。

二级缓存，桌面和移动端每核心还是1.25mb，服务器端的sapphire rapids则增加到2mb，并支持多路径预取、全写入预测带宽优化，可减少内存读取。

intel宣称，golden cove架构相比于现在11代酷睿桌面上的cypress cove，实现了平均大约19％的ipc(每时钟周期指令数)提升，可以理解为同频性能的提升幅度。

它还支持amx高级矩阵扩展指令，内置下一代ai加速技术，用于学习推理和训练，包括专用硬件和新指令集架构，可明显提高矩阵乘法运算。

gracemont小核心属于atom凌动家族，是2008年以来的第七代，之前分别是bonnell、saltwell、silvermont、airmont、goldmont(包括plus版本)、tremont。

按照intel的说法，gracemont核心非常迷你，一个golden cove大核心的空间里，可以放入四个gracemont小核心，以及它们共享的4mb二级缓存。

别看是小核心，性能其实一点都不弱。intel声称，单核单线程对比，gracemont的同频性能相比六代酷睿skylake提升超过40％，而同等性能下功耗则可降低40％。

四核四线程的gracemont对比双核四线程的skylake，峰值性能可提升80％，而同等性能下功耗可降低80％。

intel表示，这种小核心设计可以在有限的芯片空间内，实现多核任务负载，并具备宽泛的频率范围，降低整体消耗，为更高频率运行提供果功耗和散热空间，满足更多动态任务负载。

它还可以利用各种技术进步，在不额外增加功耗的情况下，对工作负载进行优先级排序，并直接提升性能。

架构方面，小核心就相对简单不少了，但变化也非常大，比如指令缓存增大至64kb，可在不耗费内存子系统功率的情况下保存可用指令，还有intel的第一个按需指令长度解码器，可生成预解码信息，加速现代工作负载。

同时借助更深的分支历史、更大的指令尺寸，分支预测精度大大增加，拥有5000个条目的分支目标缓存区。

后端也更宽了，具备5组宽度分配、8组宽度引退、256个乱序窗口入口、17个执行端口，以及4个整数alu、2个载入agu、2个存储agu、2个跳转端口、2个整数存储数据、2个浮点/矢量存储、2个浮点/矢量堆栈、以及第3个矢量alu。

内存部分，使用了双载入、双存储单元的配置，二级缓存增大至4mb，以及深度缓冲、高级预取器，支持intel resource director资源重定向技术，可以让软件在不同核心、不同软件线程之间实现精准的控制。

哦对了，gracemont是第一个支持avx2指令集的能效核心，还支持整数ai操作新扩展、intel控制流强制技术、intel虚拟化重定向保护技术。

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