英特爾架構日和HotChip技術信息解讀（下）

張平

CPU：Tiger Lake面世

TigerLake是英特爾轉入10nm后最重要的產品，它使用的是10nmSuperFin制程工藝，無論是頻率還是性能表現都足以令人滿意。在架構方面，TigerLake使用的WillowCoveCPU架構和XeGPU架構都進行了大幅度改進，帶來了革命性的技術和效能表現。

英特爾認為TigerLake擁有六大方面的優勢：CPU部分，TigerLake換用了全新的WillowCove架構，擁有比前代產品更出色的性能;GPU部分，由于全新Xe架構的引入，TigerLake帶來了“顛覆性”的集成圖形核心性能;AI方面，TigerLake繼承了全新的高斯網絡加速器GNA2.0;集群方面，增強的內存性能和互聯帶寬帶來了出色的集群性能;能耗比方面，借助于新的工藝和架構，英特爾宣稱TigerLake擁有同等規模SoC芯片中最佳的表現;安全性能方面則是一貫地擁有英特爾整套安全技術支持。除此之外，TigerLake還帶來其他的一些重要功能，比如首次支持PCIe4.0、首次支持LPDDR5、首次支持USB4、Thunderbolt4、集成4個顯示通道，支持4K/60fps10bit、8K/30fps10bit視頻輸出等功能。

頻率逼近5GHz，架構升級

和之前設計IceLake時一樣，英特爾在TigerLake的設計上也面臨兩種選擇，一種是更好的單線程性能或者IPC性能，另一種是更好的能效比。在TigerLake上，英特爾選擇了后者，這意味著TigerLake在任何給定的功率和電壓下，相比前代產品頻率更高;在任何給定的頻率下，相比前代產品功耗更低或者電壓更低。在之前泄露的一些消息中，采用了10nmSuperFin工藝的TigerLake處理器頻率甚至能飆升至4.8GHz以上，著實令人驚訝。

在CPU核心架構方面，TigerLake引入全新的WillowCove核心架構設計。從表面來看的話，WillowCove架構和之前的SunnyCove基本是相同的，但是英特爾給出了三個重要的差異，正是這些差異帶來WillowCove相比SunnyCove大約10%～20%的性能提升。

首先是頻率的差異。在相同的峰值電壓下，WillowCove比SunnyCove的頻率高大約500MHz;在相同的頻率下，WillowCove所需的電壓比SunnyCove要低了不少。最終WillowCove呈現的頻率遠遠超越了SunnyCove的4.0GHz，能夠接近5GHz，和現在的14nm++++幾乎位于一個水平。

其次則是緩存的差異。WillowCove的緩存結構進行了重新設計，以前在SunnyCove上所使用的包含式512KB8路L2緩存變成了現在的非包含式1.25MB20路高速緩存。傳統計算中，緩存容量的增加會降低未命中率，2.5倍的緩存容量對應著約58%的未命中率降低。另外，較大的緩存會帶來較長的訪問延遲，因此WillowCove的L2緩存可能會慢一些。

除了容量外，包含式緩存和非包含式緩存也是重要的變化。在2010年英特爾就給出過構建非包含式緩存如何以包含式緩存相同的速率運行的方法。之前英特爾使用的都是包含式緩存，這意味著L2緩存中存在L1緩存的復制內容。非包含式緩存則不含有其他緩存的內容，采用額外的硬件保證緩存一致性，并且非包含式緩存不需要后退驗證，因此性能也會高很多。

L3緩存方面，WillowCove采用的是12MB非包含式共享緩存設計，前代產品采用的則是8MB包含式共享設計。在這里可以看到，新的緩存方案容量增加了50%，但是英特爾也降低了緩存關聯性，從之前的16路變成12路，最終整體性能可能相差不大。

雙環形總線，內存改進

TigerLake的內部Fabric總線的帶寬相比上代增加了一倍，在內部總線設計上采用了雙環路總線架構，這個架構的總線允許任何方向每周期2×32Bit的數據傳輸，有助于為內存控制器、圖形、CPU核心提供充足的數據傳輸帶寬。英特爾也是首次在消費級產品中采用雙環路總線設計。相比將單環路寬度加寬的設計，雙環中的一個環能根據需求進入休眠狀態以節省功耗。

內存方面，TigerLake目前支持最高64GBDDR43200或者32GBLPDDR4X4266，帶寬可以達到51.2GB/s或者62.8GB/s。此外，TigerLake還加入對LPDDR55400的支持，最高支持32GB，帶寬增加到了86.4GB/s。

不過由于LPDDR5成本較高，可能短期內都不會有廠商使用這樣的內存來搭配TigerLake。

TigerLake集成了全新的高斯神經網絡加速器也就是GNA2.0，可以視作英特爾版本的“NPU”。GNA2.0是高效率、低功耗專用神經網絡計算單元，可以用于動態神經網絡降噪。在GNA2.0加速的情況下，CPU可以降低20%的占用率。GNA2.0和之前的GNA一樣，都建立在高斯混合模型的基礎上，可以用于加速微軟Cortana的語音識別。英特爾數據顯示，GNA2.0可以在1毫瓦時執行1GigaOP，并且可以在38毫瓦時線性擴展至38GigaOP。

新一代顯示模塊，支持PCIe4.0

TigerLake使用了新一代顯示模塊，用來加強高分辨率顯示設備的使用體驗。新的顯示模塊直接掛接在Fabic總線上，有專用的通訊渠道和內存連接，總帶寬高達64GB/s，能夠實現顯示數據的快速傳輸和顯示輸出。TigerLake現在擁有4個4K顯示管道，分別對應DP1.4、HDMI2.0、Thunderbolt4和USB4Type-C，由于這些顯示都采用獨立的管道，因此可以同時使用。該顯示模塊還支持HDR10、12位BT2020色彩、自適應同步，并支持高達360Hz的顯示器，整體設計相當全面。

在視頻編解碼方面，TigerLake使用的是IPU6，這一代視頻編解碼模塊做出了很多功能上的加強。其圖形計算完全使用硬件單元實現，不再占用CPU和其他部分進行軟處理。整個內部布置了擁有6個傳感器的全新架構，可以實現4K/90Hz的畫面輸出，或者高達4200萬像素的靜態圖像輸出。整體表現比上代產品大大加強。

I/O方面，TigerLake加入了USB4和Thunderbolt4接口，兩個端口最高可提供40Gb/s的帶寬，接口形式采用的USB-C，并且能使用USB-C輸出視頻。另外，TigerLake開始支持PCIe4.0（目前并未說明有多少個PCIe4.0通道），英特爾宣稱升級到了PCIe4.0后，功耗并沒有額外增加。英特爾升級PCIe4.0的原因主要是寄希望于PCIe4.0存儲，不過目前PCIe4.0的NVMeSSD的功耗都比較高，因此可能還需要等待一段時間才能看到它們出現在筆記本電腦中。

電源和頻率電壓控制

移動處理器最重要的驅動程序之一是空閑和睡眠電源計劃，比如在不使用的時候，可以將芯片的更多部分置于低功耗狀態，延長電池待機時間。近年來，隨著處理器轉向具有更多晶體管數量的密集工藝節點，越來越多的晶體管被用于創建單獨的功率和頻域，這些設置和管理可以更為精細化地控制處理器的電源。在這種精細化控制中，需要應用邏輯來管理各類不同的電源域，并且需要對其進行針對性的設計，以便在用戶需要使用這些電源域控制的功能模塊時能夠快速喚醒，而不會出現明顯的延遲。

鑒于此，每一代新的移動處理器中都會不斷推出新功能，更好地控制不同計算和互連模塊的能耗情況。對于TigerLake，英特爾帶來了新的自主動態電壓/頻率縮放（DVFS）算法，用于控制在不同負載下的電壓和頻率值，帶來更好的電源效率。一般來說，這些設置都是在SoC級別的其他電源優化之上完成的，層級很高并能夠有效控制全局設備的工作情況，比如為CPU內核提供更好的時鐘門控，為各類控制器和功能模塊提供更好的電壓控制效率等。在TigerLake上，這類電源控制域甚至包含PCIe、USB和熱傳感器。不僅如此，當組件需要進入睡眠狀態時，如果其中包含的重要數據經常需要在還原時“保存”

在某個地方的話，也可以借助新的控制功能完成存儲和還原，能夠充分確保數據安全和操作流暢。

Tiger Lake的產品和型號

目前英特爾已發售9款TigerLake處理器，英特爾將其全部歸入第十一代酷睿系列移動處理器，產品型號上也注入了“11”的數字用作區分。首次發布的TigerLake處理器包含了i7、i5和i3三個檔次，只有低功耗版本，最多4個物理核心，高性能版本和更多核心版本將在后期陸續發布。

Corei7方面，英特爾發布了Corei7-1185G7、Corei7-1165G7和Corei7-1160G7三款，都是四核心八線程處理器、集成Xe顯卡，擁有96個EU，緩存都是12MB。Corei7-1185G7和Corei7-1165G7產品的差別在于前者的CPU基準、最大單核心睿頻、全核睿頻和GPU頻率分別是3.0GHz、4.8GHz、4.3GHz和1.3GHz，而后者只有2.8GHz、4.7GHz、4.1GHz和1.3GHz。內存方面都支持DDR43200或者LPDDR4x4266。受制于功耗，Corei7-1160G7四個頻率數值分別為1.2GHz、4.4GHz、3.6GHz和1.1GHz，內存方面也僅支持LPDDR4x4266。

在Corei5和Corei3上，英特爾推出了2款i5系列和4款i3系列產品。其中i5系列也是4核心8線程配置，配置了8MB緩存，集成顯卡雖然型號為“G7”，但實際上只有80個EU單元;現在發售的2款i3產品僅為2核心4線程配置，配備6MB緩存，搭配G4級別配置48個EU單元的集成顯卡。2021年，英特爾還將推出2款4核心8線程的i3處理器，配備8MB緩存。

值得一提的是，英特爾取消了TigerLake具體的TDP值設定，只給出了一個可配置功耗的范圍，廠商可以根據產品需要和性能、產品定位等，自行配置處理器的功耗情況。其中，處理器型號以“5“結尾的版本，功耗配置為12W～28W，處理器型號以“0”結尾的版本，功耗配置為7W～15W。

CPU路線圖更新

在TigerLake處理器介紹完成后，英特爾還特別帶來了處理器路線圖的更新。現在，英特爾在CPU方面的路線圖分為三個序列。

英特爾處理器的第一個產品序列是“COVES”—TigerLake使用的是“WillowCove”，下一代則是“GoldenCove”。GoldenCove架構將進一步提升單核心性能和AI性能，上市時間應該在2021年。第二個產品序列是新加入的Hybrid系列。目前這個系列僅有LakeField一款產品。作為首個x86混合架構處理器，LakeField在硬件方面的能耗比最多提升了24%，待機電源功耗最多降低了91%，配合操作系統的優化還帶來了高達33%的Web性能提升和17%的能耗比提升。在LakeField之后，英特爾下一個混合架構的產品代號將是“AlderLake”，上市時間應該也是2021年左右。第三個產品序列是傳統的以超低功耗為主的Atom系列，目前的核心代號為TreMont，2021年會推出新一代名為GraceMont的新核心。

GPU：Xe開啟新“視”代

在TigerLake上，英特爾正式啟用Xe架構的GPU。Xe架構主要分為XeHPC、XeHP、XeHPG和XeLP四個產品陣列，覆蓋了E級超算、數據中心＼AI計算、企業、普通用戶一直到入門級用戶，整體性能范圍極為寬泛。目前英特爾在TigerLake上使用的是XeLP，此外還有即將推出的SG1、DG1兩款獨立顯卡，都將采用英特爾10nmSuperFin工藝制造，屬于面向入門級用戶和集成用戶的產品。英特爾還明確了XeHPG這款面向游戲玩家的顯卡，表示其擁有出色的圖形性能、面向游戲的優化以及硬件光線追蹤等特性。