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一文读懂Intel第12代 Alder Lake 处理器,真正的改朝换代不再挤牙膏。

 22DIY 2021-10-28

等到花儿都快谢了的Intel第12代处理器终于来了,不得不说,这一代处理器在许多方面都相当具有历史意义,毕竟这可是Intel睽违7年后的再一次制程升级,从一用再用的14nm+++…换成了Intel 7(原本的10nm)制程,同时还在处理器中导入了大核心+小核心的双重架构设计,以及首个支持DDR5、PCIe 5.0通道等新一代通道功能的处理器系列,真的是把各种压箱底都拿了出来。

全新的大核心+小核设计

第12代处理器与之前最大的不同就是使用了大核+小核的双核心架构设计,两种核心均采用Intel 7制程,其中大核心主要负责繁琐的运算工作,官方将其命名为性能核心,简称“P-Core”;小核心以负责较轻度的运算内容,主打更高的指令吞吐效率,故称它为效率核心“E-Core”。

需要注意的是,这一次Alder Lake不光会推出桌面CPU,之后的低功耗移动版也都将采用Alder Lake处理器,不再像过去一样使用不同架构的产品,只是应对不同等级定位的产品,大、小核心的配置上会略有不同,例如桌面平台的P-Core最大数量可达到8颗,而笔记本平台的最高就只剩下6颗。

掌管复杂运算的大核心,P-Core

Alder Lake处理器的P-Core,采用代号为Golden Cove的核心设计架构,其目的在创作运算上更低的延迟、更高的频率,为极限的性能而生,是高性能运算的主力担当,也因此P-Core整体的芯片面积会比E-Core大上不少,并能够支持多线程、AVX512指令集等功能。

只是高性能的代价就是所需功耗和带来的发热量也就跟着大幅提高,这也是为何不同等级的处理器产品所配置的P-Core数量会有所不同,其中桌面平台的P-Core数量达到8核心/16线程、笔记本为6核心/12线程、移动端则只剩下2核心/4线程。

在细部设计上,P-Core因为有着更大的芯片面积,配上精度更高Intel 7制程,让核心内各项的处理单位数量都被加大、加深,比如4K指令缓冲区(4K iTLB)从128提升为256、目标缓存的分支从5,000个暴增到12,000个,其他比如负责指令解码的Decode核心从4个增加到6个、L2缓存缓冲提升到2MB等,简单来说,就好比一个公司部门有更多的人和力可以协助工作。

指令分派的Out Of Order Engine加宽到6组分派通道、12组执行接口,容量更大的512-entry Reorder-Buffer和Scheduler调度缓冲空间能够允许更多指令处在rename / allocation阶段。

P-Core拥有5组ALU整数逻辑单元。

核心加入了FADD单元提供有效率、延迟更低的运算;FMA单元能够支持FP16文件格式和AVX-512指令集。

一级缓存通道从2组变为3组,容量也有所增加。

二级缓存的容量大幅加大,高达2MB。

除此之外,考虑到深度学习、深度运算等功能已经从研究开发逐渐进入日常生活应用,比如Adobe Photoshop加入智能运算功能进行物体选取、去背,甚至是分辨率提升等,为此P-Core还加入全新的Advanced Matrix Extensions(AMX)技术,其功能主要用以应对电脑的深度学习功能所打造,通过内置AI加速器的形式,提升矩阵乘法运算速度,理论上能够让我们在使用到有牵涉到深度学习运算的应用时,能够更快的完成运算,减少我们在屏幕前枯燥的等待时间。

AMX技术能够加速深度运算学习,强法矩阵乘法运算速度。

P-Core的整体IPC性能将比上一代Rocket Lake高出19%。

既省电也要兼容性能的小核心,E-Core

E-Core采用代号为Grace mount,本身主要负责轻度运算,让电脑能够用更少的功耗去负责一些日常比如待机、逛网页等琐碎的轻度工作,因此核心本身不具备多线程功能,也无法支持高难度的AVX-512指令集,同时不论是桌面电脑还是低功耗笔记本的处理器,E-Core的核心数量都是8核显/8线程。

E-Core核心的分区规划。

E-Core在设计的首要目标是尽可能接收和消化更多的操作指令,好让P-Core能够专注于完成难度较高的内容,因此E-Core虽然核心面积较小,缓存的容量却很大,例如单颗核心的二级缓存的容量就达到了4 MB,比P-Core大核心高出一倍!

Intel把E-Core前端区域的指令缓存加大到64KB,并让目标缓存的分支数量达到5,000个,配合指令预测功能,提高指令的准确度。

Core-E拥有2组3通道指令解码区块,让核心可以一次处理6道指令。

E-Core有5条分派通道、8条引退通道、256个条目乱序视窗、8条执行接口。

E-Core各项处理单元的配置。

此外为了防止软件分配错误的工作比重,造成小核出事、大核围观的局面,小核心导入Intel Resource Director技术,能够让不同程序去直接管理核心的调用,达到公平分配工作量的效果。

E-Core个别配置了2组Load AGU和Store AGU,搭配大容量的4MB 二级缓存,提供更好的处理效率,还可以利用Intel Resource Director技术让软件直接管理线程,达到更公平的资源分配。

以性能来说,E-Core对比2015年的Skylake架构处理器在1核心/1线程的模式下,在同功耗下有着40%的性能提升,反之在相同性能的前提下则能省电40%。而在相同线程数量的比较模式下,4核心4线程的E-Core则不论是性能还是省电上都比2核心/4线程的Skylake好上80%,也就是4颗E-Core加起来不仅比两颗Skylake省电,性能还更强。

在都是1核心/1线程的情况下,E-Core比Skylake要有40%的性能/省电的效率。

假如将标准改为都是4线程的情况下,E-Core即使是4核心/4线程,在省电和性能更是完胜2核心/4线程的Skylake处理器80%之多。

Alder Lake大核+小核齐作工

看完了大核心P-Core和小核心E-Core后,接着就要让这两种核心组装在一起,才变成一整颗的Alder Lake处理器了。这一次Intel整颗处理器加入了过去自己都瞧不起上“Fabric”线路桥接技术(俗称胶水拼接),利用各种内部线路来连接处理器的不同核心其区块,例如串联P-Core和E-Core的就有着1000 GB/s频宽的“Compute Fabric”,还有204 GB/s频宽的Memory Fabric来连接内存控制区块、64 GB/s的I/O Fabric则负责各项扩展设备的资料传输等。

处理器的内部使用有着1000 GB/s频宽的“Compute Fabric”来连接P-Core和E-Core。

通过这样的设计,除了能够在保证区块间的资料传输效率外,也因为每个区块可以分开生产后再进行合并,实现了模组化的功能,整体生产难度可以降低,也能够轻松的修改不同等级之间的处理器规格配置,缺点就是这些线路会占用更多的处理器空间,使处理器的尺寸加大,这也就是为什么Alder Lake处理器从之前的正方形变成了长方形,也使得这一代处理器不光换脚位,还要连同散热器的扣具都一起更换。

如果不使用相符的安装工具,散热器的贴合就会像图中右边的两组范例一样,出现不均匀的情况。

然而搞定大核+小核心的连接只是第一步,精准的控制每颗核心之间的资源调度才是让处理器发挥完整的关键,于是Intel与微软合作(反正和Apple之间已经…),在Windows 11平台加入了名为“Thread Director Technology”的核心调度功能。

Intel为Alder Lake处理器的核心资源调度加入了“Thread Director Technology”功能。

这项技术除了能够判断程序的负载需求来决定工作应该由P-Core还是E-Core来执行外,还能动态调整每个任务所使用的核心种类,Alder Lake会自动检测任务的复杂程度,当有更耗资源的线程进入时,就会即刻重新评估各个程序在每个指令步骤下所需的性能,将不需高性能的命令从P-Core转移到E-Core中的,以此来尽可能的让P-Core去负责绝大多数的高强度运算,发挥大+小核的完整执行效率。

高负载的程序会被派遣到高性能的P-Core中。

一般待机、基础低负载的任务则是来到省电的E-Core中。

如果在P-Core核心满载的状态下,又有更复杂的命令来到时,Alder Lake会通知系统准备进行资源调配。

处理器开始分析,将不需要P-Core高性能核心责的任务转移到E-Core中,让P-Core的资源能够腾出给更复杂的任务。

每个核心的资源分配都能不断的互相调度,达到更具效率的运算处理。

最后在新增的功能方面,Alder Lake将重点放在上一代被侮辱的连接能力上,能够原生支持DDR5-4800和LPDDR5-5200,成为首个能够支持DDR5内存的处理器系列。

与此同时,CPU本身更能够支持频宽比PCIe 4.0高出一倍的PCIe 5.0通道,而且一口气就能支持16条,换算下来的频宽约是64 GB/s!然而毕竟目前几乎没有任何PCIe 5.0的设备可以使用,所以PCIe 5.0本身能够向下兼容历代的PCIe版本通道,且CPU本身也还是备有4条PCIe 4.0通道用来安装M.2 SSD。

先不要急着吐槽4条PCIe 4.0通道的实用性未免也太低,别忘了处理器还会在搭配一颗南桥芯片组,与之对应的Z690芯片组在连接能力同样有获得大幅度提升,可以支持最高16组的PCIe 3.0通道和12组的PCIe 4.0通道,考虑到CPU的PCIe 5.0通道在主板上可能都优先提供给了显卡,所以Z690芯片组的12条PCIe 4.0通道将有很大的机率将会通通提供给M.2插槽,加上CPU的4组,整个主板最高将可以安装高达4颗的PCIe 4.0 M.2 SSD!这下Intel玩家终于不必再抱怨M.2插槽的通道速度不够了!

Alder Lake能够支持PCIe 5.0x16,64GB/s的通道频宽是PCIe 4.0的两倍,另外PCIe 3.0和多数的PCIe 4.0通道则是移到的南侨芯片上。

第12代处理器Alder Lake 本体抢先看

最后,让我们来看看这颗等待已久的Intel第12代Alder Lake处理器吧!整体来说,新的处理器对比上一代处理器,长度变得更长,厚度也增加了一点点,此外也可以发现处理器也依然保有防呆凹槽的设计,只是位置从原本位在处理器左右两侧的防呆凹槽移到上下两边。

小杨这次拿到的是12代处理器中最高端的Core i9-12900K。

处理器制程、外型全都换新,处理器的脚位改为LGA 1700。

让12代处理器与上一代产品比较,外型之间的差异变得更为明显了。

厚度上12代处理器也稍微增加了一些。

两代处理器的背面,可以看到12代处理器的防呆凹槽数量从2个变为4个,位置也从左右两边变成上下两边。

11月4日见证新一代的性能威力

第12代Alder Lake处理器对于Intel而言可以说是一款意义重大的产品,不光是因为他是第一款用上Intel 7制程的桌面处理器,同时也与AMD和Apple相对抗的重任,能否挽回这段日子流失的市场占有率从谷底翻身,可就全部得看处理器在性能方面的表现了。只是很可惜,因为官方的要求,本次只能向大家介绍第12代处理器的基本规格以及外型,真正的性能实测解禁需要等到11月4号才能够向大家分享,所以只好请各位再忍耐一下,千万记得持续关注“组装电脑网”,才能在第一时间见到12代处理器的相关产品与实测报道!

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