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    代號 Alder Lake、Intel 12 代 Core 處理器架構分析

    Alder Lake 的 E-Core︰ Gracemont 小核心

    至於 Alder Lake 的小核心 E-Core、代號為 Gracemont 的小核心。它的設計是基於 Atom 的 Tremont 作出大幅改良,它的設計方向是在最節省晶片空間下,實現最大的性能與功耗的表現,為 Alder-Lake 處理器提升多核運現的表現,根據 Intel 的數據顯示 4 個 10nm 的 Gracemont 核心才等於一個 14nm Skylake 核心的晶呎。但在 1C1T 的情況下,Gracemont 核心的 IPC 性能,平均 IPC 性能較 Skylake 核心高 1%,但功耗郤降低了 80%。

    Front End︰2 個 3 Wide 指令解碼單元

    Gracemont 小核心的 Front End 引擎與 Atom Termont 核心相同,採用 2 個獨立的 3-Wide x86 Decoder,每個週期可處理 x86 指令與 Golden Cove 同樣為 6 個,同時每個週期可提取 6 個 μOps,這樣的設計目的是在性能和功耗之間取得平衡。

    Gracemont 核將將 L1 Instruction Cache 容量由 32KB 倍增至 64KB,同時 L2 Branch Targets Buffer (BTB) 由上代 2.5K 增至 5K Entries,能提升預測分支準確性,減少對記憶體子系統的功耗,對比 Golden Cove,Gracemont 追求的不是低延遲和單線程的運算能力,而是協助應付多線程工作負載、不太複雜的後台任務、後背指令、I/O 指令等等。

    Garcemont 並不支援 Hyper-Threading 技術,雖然要增加 SMT 線支援通常只要增加 5-10% Die Size,不過 Gracemont 架構設計是追求更少的晶片面積和更低的功耗表現。按 Intel 官方數據指出 Gracemont 4C4T 比較 Skylake 2C4T 配置時,相等性能下功耗下降足足 80%,而晶片佔面積減半,這才是 E-Core 的設計方向。

    超狂的 17 Port 執行端口

    在 Back-End 方面,Gracemont 小核心保持每週期 5-Wide Macro Ops 和 8-Wide Retire 寬度,Re-Order Buffer 亦由 208 增至 256 個,相較 Skylake 的 224 個還要更多,追上 AMD Zen 3 的 256 個,進一步提高指令層面的平行運算能力,這個改動是非常重要的。Gracemont 提供了超狂的 17 Port 執行端口,較上代 Tremont 的 8 個多一倍,甚至比 Golden Cove 的 12 個也更多,是為了實現更佳的多線程運算能力和更低的功耗表現。

    更佳指令吞吐量的 Back-End

    17 個執行端口包含了 4 個整數的 ALU/Shift,其中兩個可執行 MUL/DIV 指令、4 個 AGU 地址生成器 (2 Load/ 2 Store)、2 個 JMP 分支指令單元、2 個整數 Store 單元、2 個浮點/矢量 Store 單元及 3 個浮點矢量 ALU 單元,當 2 個執行 AES/FMUL/FADDE 可以合處理 256bit 的 AVX2 指令,當中 1 個更具備 SHA / MUL / FDIV 指令處理能力,這代表 Gracemont 核心的平行運算能力超強,更多的端口閒置等待下一條指令的推入。

    為了進一步節省晶片的佔用面積,Gracemont 採用了 4 核心共用單一的 L2 Cache 架構,容量為 4MB、延遲為 17 個 Cycles,這共享的 L2 Cache 可以讓每個心提供 64 Bytes per Cycle 的 Load / Store,同時增加平行數據的訪問未完成請求的數量由 32 至 64 條。

    由於 L2 Cache 延遲值較高加上容量只有 4MB,Gracemont 的 Prefectcher 預取表現和 Latency 延遲表現都不及 Golden Cove,但對於多線程工作負載和後背指令等工作,因為這些程序對記憶體子系統的倚賴度較低,所以性能影響比較少。

    總括來說,Intel 這次一改其擠牙膏的作風,Intel 這次推出的 12 代處理器核心 Alder-Lake,其 P-Core 的 IPC 性能提升高達 28%,而 E-Core 的 IPC 性能亦有 1% 提升,在架構上也做了大幅的改良,完勝 AMD Zen 3 處理器。

    Intel 12 代 Core 處理器系列初登場共有 6 款不同型號,主攻中階至效能級玩家場,包括 6P + 4E 核心的 Core i5-12600K / Core i5-12600KF、8P + 4E 核心的 Core i7-12700K / Core i7-12700KF 以及最頂級 8P + 8E 的 Core i9-12900K / Core i9-12900KF,所有型號均不鎖倍頻,官方定價分別為 US$264、US$289、US$384、US$409、US$564 及 US$589美元,2021 年 11 月 4 日正式開售。

    參考資訊 : HKEPC、Intel Architecture Day 2021

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