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英特尔CPU也采用大核+小核的设计 能耗表现出色 但主频偏低

2020-12-28 00:05:01
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如果说起手机的ARM处理器和目前PC的X86处理器,相信很多人都会知道Arm的big.LITTLE(异步多核心解决方案),也就是大核+小核的搭配,其中大核性能更强,但是功耗也高,主要用于高性能需求场景,小核性能弱,但是功耗很低,主要用于低性能需求场景。

因此big.LITTLE实际上是一种节能省电技术,可以根据任务需求来进行内核调度,来实现性能与功耗的平衡,而在X86处理器上面类似的技术并没有普及,但是超线程技术倒是很常见,所以有人经常会问为什么X86不搞大小核,或者为什么手机上面不采用超线程技术。

第一个问题目前来看并不成立了,因为最近,英特尔正式发布了Lakefield系列处理器,Lakefield处理器就是一款大核+小核的处理器,其采用1个Sunny Cove架构的大核心 + 4个Tremont架构的小核心,一共五个核心,但是都不支持超线程,4MB缓存,集成第11代核显。

工艺上面,CPU和GPU部分采用10nm工艺,IO部分则是22nm工艺,还采用了英特尔3D Foveros堆叠技术,处理器可以将两个逻辑芯片和两层DRAM进行三维堆叠,从而大幅缩小了封装面积,Lakefield处理器封装面积仅为12×12毫米,相较酷睿i7-8500Y处理器,Lakefield处理器封装面积减少了56%,主板尺寸减少了47%。

本次只发布了i3-L13G4和i5-L16G7两款产品,都采用1+4大小核设计,不支持超线程,也就是5核5线程,TDP都是7W,但是待机时功耗可低至2.5mW,支持LPDDR4X-4266内存。

其中i3-L13G4,默认主频0.8GHz,单核睿频2.8GHz,全核心1.3GHz,核显48个EU,频率500MHz,i5-L16G7,默认主频1.4GHz,单核睿频3.0GHz,全核心1.8GHz,核显64个EU,频率500MHz。

其他方面,据英特尔的宣传,相比以前的产品,待机功耗下降91%,能耗比提升24%,单核性能提升12%,核显性能提升70%,AI性能提升100%。

从参数上来看,i3-L13G4和i5-L16G7两款产品的性能,相比常规的处理器要弱不少,而且大小核的调度水平也还存疑,实际上Arm的big.LITTLE初期表现也是很一般的,经过了几代的发展,到了DynamlQ才算成熟,英特尔也会面临这种问题,而且还是windows系统,具体表现还真的不好说。

说起CPU性能,实际上就是单核性能和多核性能,而英特尔和AMD目前提升单核性能的主要办法就是提升单核心加速频率,也就是Turbo Boost这类技术,而多核心性能就比较简单了,不断的堆核心,而且还可以加入超线程技术。

按道理ARM处理器也是可以借鉴X86的Turbo Boost这类思路的,但是手机对功耗发热太敏感了,目前移动处理器的架构在高频的支持上并不好,7nm的工艺都没有突破3GHz,而英特尔的14nm都飙到5.3GHz了,如果要将频率拼命往上提,就现有的架构而言,功率肯定扛不住。

而且Turbo Boost这类技术会增加核心的设计复杂度,这往往会导致待机状态下能耗表现不佳,简单来说就是X86的这种技术代价不是ARM手机处理器可以承受的,所以ARM干脆选择big.LITTLE的路子,简化了处理器的设计,只要能动态地调节频率,开关核心就够了。

而AMD和英特尔的CPU核心都是一样的,没有什么大小核之分,就多任务能力和晶体管的比值而言,假设同样的晶体管,可以做成2个大核或者4个小核,而在多任务能力上2个大核可能不如4个小核,那么对于多任务而言,4个小核无疑更适合,可以降低芯片面积,小核的复杂度更低,更容易设计。

因此大小核的设计是可以兼顾单核与多核性能的。如果是同构设计,在提升单核性能时,要对每个核心都进行提升,从晶体管数量(芯片面积)来看,这样子会导致资源的浪费,因为相比异构设计,多任务能力被消弱了,而实际上也不需要那么多高性能的核心,所以英特尔推出异构多核心也就很正常了。

采用异构大小核的设计,其核心诉求还是为了解决性能和功耗之间的矛盾,但是我们也看到为了实现这个目标,英特尔将之前的一些技术进行了放弃,最明显的就是将超线程进行了舍弃,至于为什么舍弃,首先大小核本身就涉及各种调度机制了,如果还加入超线程,那个难度无疑更高。

其次超线程技术需要在CPU核心增加相关单元,无疑会增加成本,而且更多的晶体管会产生更多的热量,这个对于追求能耗比的产品是大忌,而且之前联想手机,也采用过支持超线程的Atom处理器,结果表现并不好,关键就是能耗发热不过关。

小结

随着对能耗的关注,单核与多核的矛盾是越来越明显了,异构多核心自然就应运而生了,通过少量的高性能大核心去保证单核性能,小核心虽然IPC性能不如大核心,但是同样的芯片面积,数量可以做更多小核心,设计上也更简单,可以在单位面积上输出更高的性能,这样子做到了单核和多核性能的均衡。

不过这个也不是没有缺点的,异构多核心相比同构多核心,在物理设计上面,以及软件的调度上,都要难得多,物理设计其实还好说,毕竟异构的思想早就出现了,但是软件上面就只能去认真调校了,如果调校不好,最终的表现翻车也是正常的,而这个也是个人对Lakefield处理器的担心所在。

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