做芯片就像拼樂高？新技術加持的Intel要重回巔峰

“集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月到24個月便會增加一倍。換言之，處理器的性能大約每兩年翻一倍，同時價格下降為之前的一半。”這段話出自“英特爾三位一體傳奇”的戈登摩爾，而他的這段“摩爾定律”已經(jīng)是家喻戶曉了，但隨著晶體管微型化變得越來越困難，雖然近十幾年來CPU和GPU的性能確實能做到兩年左右提升一倍，但晶體管密度和能耗比要分別花費三年多與四年才能達到摩爾定律的目標，摩爾定律沒有消失，它仍然存在，可速度已然慢慢放緩了。

作為摩爾定律堅定的追隨者和踐行者，英特爾現(xiàn)任CEO Pat Gelsinger不止一次公開宣稱“我們”會繼續(xù)做摩爾定律的守護者，摩爾定律活著并且活得很好（Moore’s Law Alive and Well）。哪怕是另一家半導體巨頭Nvidia的CEO黃仁勛宣布摩爾定律已死，作為原教旨主義者的基辛格也堅持站隊他的老前輩戈登摩爾。

我們從看似不可能的“四年五節(jié)點”計劃和混合架構(gòu)的引入都不難看出，Pat Gelsinger對于踐行摩爾定律并不只是口頭上說說而已，而從Intel目前制程節(jié)點的進度來看，四年五節(jié)點的計劃正在正常推進。

為了達到業(yè)界內(nèi)普遍不看好的摩爾定律，Pat Gelsinger自然深諳老前輩的教導，早在1965年，摩爾在一篇論文張就指出：構(gòu)建大型系統(tǒng)時，將其分解為單獨封裝并互連的較小功能可能更經(jīng)濟，這是摩爾從芯片封裝技術的角度去考量芯片能耗比與經(jīng)濟比，而此次英特爾全新的Meteor Lake架構(gòu)便是從這句話開始的。

一、全新封裝技術帶來的分離式模塊化架構(gòu)

從PCH封裝技術可同時封裝芯片組，到采用了量產(chǎn)2.5D封裝技術EMIB（嵌入式多芯片互聯(lián)橋接）的數(shù)據(jù)中心、服務器CPU Sapphire Rapids，再到即將推出的、采用了3D Foveros從而達到分離式模塊化設計的Meteor Lake，英特爾的創(chuàng)新型封裝技術在業(yè)界保持領先水準，為摩爾定律的延續(xù)提供了強有力的支持。

那么什么叫做“分離式模塊化”架構(gòu)呢？

簡單點來講，就是將CPU中各個功能分區(qū)模塊化，根據(jù)目標需求，再將不同的模塊組合在一起，而每個模塊中又有不同的功分區(qū)，將這些模塊排列組合，就和拼接樂高那樣，把需要東西放上去，給予設計非常大的靈活性，想增加什么功能就增加什么功能，想增強什么功能就增強什么。此次MTL的目標為PC史上出色的高能效平臺、加速人工智能普及、以及全新的Intel 4工藝為CPU核心性能以及集成顯卡的性能帶來提升。

我們可以看到下圖左側(cè)，這是MTL架構(gòu)的一張示意圖，本代的MTL共擁有四個模塊（Tile）：

最上面的為圖形模塊Graphics Tile；

中間的為專門為低功耗表現(xiàn)所打造的SoC Tile，這是MTL中是最大的創(chuàng)新點，我們將重點解析這個模塊；

左下角為控制接口的IO Tile；

右下角為高性能計算的Compute Tile，P核和E核位于此。

了解了這四個模塊，我來分別講解一下這些模塊有什么用，有什么創(chuàng)新，以及會對我們普通用戶的使用帶來什么影響。

二、巧思妙想的“低功耗島”SoC Tile

SoC Tile中集成了諸多的功能，下圖中間藍色框內(nèi)就是SoC Tile中集成的所有功能，這里來說幾個關鍵點：LP ECores、Media媒體引擎，Display顯示功能、以及IOC控制模塊。

LP ECore

看到這個ECore，大家可能聯(lián)想到自12代酷睿開始混合架構(gòu)中的ECore，但其實不然，這次的MTL除了在Compute Tile中的高性能核心與高效能核心外，在SoC Tile中還集成了兩個LP ECore即Low Power ECore，低功耗能效核，組成了大核心+小核心+超小核心的高能效3D混合架構(gòu)，以后我們在計算MTL的核心數(shù)量時還要計入LPE核心，這點大家需要注意。并且非常不能忽視的一點是，LP ECore是位于SoC Tile的，而不是Compute Tile。

如此一來，在一些非常低負載的任務中，直接調(diào)用LP ECore就可以完成，而這些負責低負載任務的功能區(qū)也基本都設計進了SoC Tile，例如媒體引擎、控制各種接口、Wifi等的IOC和非常重要的內(nèi)存控制器等等，他們之間由極低功耗、極低延遲的NOC總線進行連接，可以直接訪問內(nèi)存控制器。這些低負載的任務根本不需要“驚擾”到Compute Tile，由LP ECore就可以完成計算，這就是本代MTL做到低功耗與高能效比的底層思路——很多小任務之前都需要激活E核心或P核心來處理，MTL的架構(gòu)改變使得這些任務都交給這兩個迷你核心完成了，傳統(tǒng)意義上的CPU核心都在睡大覺，功耗肯定就低了，這部分模塊也被很形象的稱為“Low Power Island”即“低功耗島”。

LP ECore可以講是MTL架構(gòu)的核心，也是SoC Tile的核心。

媒體引擎與顯示引擎

媒體引擎與顯示引擎按照我們的思維慣例，應該是處于GPU中的，但MTL創(chuàng)新式的將這兩部分功能加入進了SoC Tile中，這就帶來了兩個最直接的好處。

首先，看視頻、視頻通話等“視頻”相關的功能，是大部分用戶在使用筆記本電腦時相當常用的功能，在之前，傳統(tǒng)的CPU架構(gòu)需要連通CPU核心、GPU核心再連接到內(nèi)存控制器，也就是說整個CPU幾乎都需要通電才能完成這個任務，例如下圖所示，消耗自然就比較大了。

而MTL便無需如此，媒體引擎和顯示引擎被單獨拿出來放到了SoC Tile中，而SoC Tile中又有著LP ECore這種超低功耗核心，也就是說，在視頻任務方面，只需要SoC Tile便可以消化完畢了，根本無需在圖形處理模塊Graphics Tile與計算模塊Compute Tile中通電，大大降低了功耗，這是MTL非常有針對性的一大改變。

本次的媒體引擎依舊強大，尤其在編解碼的硬件支持上還是保持著領先地位，例如：可以硬件層面編解碼HEVC格式、10bit色深、4：2：2采樣的視頻，作為對比，售價高達12999+的消費級頂端獨立顯卡Nvidia RTX 4090不支持該視頻格式下的硬件編解碼。另外在顯示引擎方面，支持HDMI2.1、DP2.1，支持一個8K 60Hz HDR顯示器或同時連接四個4K 60Hz HDR顯示器。

與媒體引擎同理的還有IOC，WiFi、藍牙、USB、PCIe等等交由IOC統(tǒng)一調(diào)配后再交給LP ECore處理。

人工智能專用引擎NPU

當下，AI方面的應用可以講是風光無限，英特爾自然不會錯過這個機遇，除了傳統(tǒng)的CPU和GPU外，英特爾MTL中還有專門用于AI計算的NPU引擎，為PC帶來更強的AI能效，使得個人用戶無需付出高昂的代價便可完成AI任務，加速普及AI。

本次MTL中的NPU集成了兩塊神經(jīng)計算引擎，由推理管道和可編程數(shù)字信號處理器組成，其中推理管道擁有更高效與靈活的矩陣乘法和卷積，支持了FP精度下多種函數(shù)、量化網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化和融合操作、輸出數(shù)據(jù)的重新布局；每個神經(jīng)計算引擎包含兩個超長指令字數(shù)字信號處理器，為高吞吐量激活函數(shù)提供增強的浮點向量指令，支持lnt4到FP32數(shù)據(jù)類型。

此外還有DMA引擎和暫用內(nèi)存，可將數(shù)據(jù)引入軟件管理的SRAM，圖形編輯器會優(yōu)化調(diào)度DMA任務，支持先進的數(shù)據(jù)重新布局。

對于目前常見的AI應用、大模型庫例如Stable Diffusion，NPU都可提供強勁的性能支持，另外在能耗方面，NPU同樣也設置在了SoC Tile中，這樣一來，類似于背景虛化、人眼角度矯正等功能便可在SoC Tile中完成了，提高了筆記本電腦的續(xù)航能力。獨立的NPU使得MTL在AI方面的整體能效提升了8倍。

三、Graphics Tile與Compute Tile——性能與能耗兼得

分離式模塊化架構(gòu)讓MTL的設計可以“既要有要”了，SoC Tile注重能耗比方面，而Compute Tile和Graphics Tile則可以專注于性能提升。

對于Compute Tile和Graphics Tile，這次媒體會中Intel放出的信息并不多，我們目前已知的信息為Compute Tile中是首次基于Intel 4制程工藝的核心，性能核心為Redwood Cove微架構(gòu)，能效核心為Crestmont微架構(gòu)，旗艦型號可能為6個P核+8個E核+2個LPE核的規(guī)格。

Graphics Tile則會升級為全新的Xe LPG架構(gòu)，自9代酷睿開始，到11代酷睿再到上代的Xe LP微架構(gòu)集顯，每次都有兩倍的性能提升，Intel近幾年又在獨立顯卡方面汲取了大量的經(jīng)驗與技術積累，本次的Xe LPG就是在Arc獨立顯卡的Xe HPG微架構(gòu)改進而來，性能會比當前的Xe LP微架構(gòu)提升較多。

由于將媒體引擎和顯示引擎移至了SoC Tile中，所以Graphics Tile理論上允許堆料的空間更大了，本次的MTL的集顯將最高擁有8個Xe核心，也就是128EU，相比于Xe LP時期的96EU，規(guī)模提升了，架構(gòu)也提升了。同時，本次MTL中集顯還支持DX 12 Ultimate，擁有8個光追單元，在性能、硬件支持方面將會迎來比較大的提升。

四、全新的Intel Thread Director 英特爾線程調(diào)度器

線程調(diào)度是自12代酷睿引入大小核架構(gòu)之后的“難題”了，任務是由E核心運行以保證能效，還是需由P核心運行來達到更好的性能表現(xiàn)，這就是大小核心架構(gòu)下的線程調(diào)度問題。在12代酷睿初期，不僅僅是普通的用戶在抱怨調(diào)度問題，很多軟件的開發(fā)者也經(jīng)常抱怨軟件在調(diào)度方面的的優(yōu)化比較困難。

不過經(jīng)過多次的迭代、軟件的更新以及Win11系統(tǒng)的更新，目前的調(diào)度問題已經(jīng)優(yōu)化提升的非常不錯了，而到了MTL之后，雖然是再次引入了全新的架構(gòu)，但英特爾可能不會再犯12代酷睿時有些“趕鴨子上架”的錯誤了，全新的英特爾硬件調(diào)度器整裝待發(fā)。

Intel與微軟合作，在Windows系統(tǒng)層級進行了優(yōu)化，本次英特爾硬件調(diào)度器并不是直接把任務分配核心，而是加入了一層根據(jù)核心狀態(tài)時時更新的“評分系統(tǒng)”，更加精準的為操作系統(tǒng)報告準確的能力評估，從而進行線程調(diào)度。那么這套系統(tǒng)是怎么做到的呢？

首先每個任務將分為4個等級，分別為Class 0~Class 4。

Class 0代表著P核心和E核心在執(zhí)行這個任務時每時鐘執(zhí)行指令數(shù)量基本一致；

Class 1代表著P核心比E核心在執(zhí)行這個任務時每時鐘執(zhí)行指令數(shù)量多；

Class 2代表著P核心比E核心在執(zhí)行這個任務時每時鐘執(zhí)行指令數(shù)量明顯多；

Class 3代表著E核心比P核心在執(zhí)行這個任務時每時鐘執(zhí)行指令數(shù)量少。

在把任務分級之后，再根據(jù)每個核心當下的狀態(tài)進行打分，選出最適合執(zhí)行這個任務的核心，Windows就會把這個任務分配給該核心運行。

等于說，英特爾線程調(diào)度器將會具備兩個過程，一是任務評級，二是核心評分，雙重保障正確的核心用于正確的任務，以達到更佳的性能狀態(tài)，另外，這還有助于提升能效比，MTL能否達到更高的能效比，除了“低功耗島”的效果外，英特爾線程調(diào)度器也是至關重要的一點。

五、寫在最后

全新的先進封裝方式，重塑了整個架構(gòu)，讓芯片的設計更加靈活，使得Meteor Lake可以達到在性能和功耗方面的“既要又要”，就像拼樂高一樣，用戶需要什么就往上面加什么。獨特的低功耗島可以看到英特爾架構(gòu)師們的巧思妙想，短短兩代產(chǎn)品之后我們又看到了全新的設計思路，為消費級CPU再次帶來了變革。

LP Ecore的加入，SoC Tile中的設計，獨立的NPU，全新的Intel 4工藝，Meteor Lake奠定了這之后英特爾CPU的架構(gòu)特點，加上英特爾在芯片領域多年的領先定位、重新奪回的制程優(yōu)勢以及對用戶側(cè)需求的深耕，Meteor Lake的實際表現(xiàn)將非常可期，繼續(xù)支撐摩爾定律向前發(fā)展。

最后，在發(fā)布日期方面，根據(jù)剛剛結(jié)束的Intel Innovation，Pat Gelsinger宣布Meteor Lake處理器將于今年的12月14日正式發(fā)布，個人預計明年年初將會有搭載Meteor Lake處理器的終端產(chǎn)品開售。