硬件異構(gòu)：兩種不同的內(nèi)核

說起近年來(lái)CPU領(lǐng)域的進(jìn)展，很多人都知道蘋果的M1系列芯片、以及它取得了多少多少提升。相比之下，老牌CPU廠商英特爾的關(guān)注度卻越來(lái)越低，最主要的原因就是這個(gè)牙膏廠擠牙膏的速度太慢了。

不過，在英特爾發(fā)布了最新的12代酷睿處理器之后，事情就完全不一樣了。 國(guó)內(nèi)外很多知名UP主都對(duì)它做了極其深入的性能測(cè)試，并且有點(diǎn)出乎意料地收獲了幾乎一邊倒的好評(píng)。很多人甚至說，英特爾這次把牙膏擠爆了、12代酷睿會(huì)幫助英特爾重新走回巔峰。

如果你對(duì)電腦或者數(shù)碼產(chǎn)品不是特別熟悉，可能會(huì)問：一個(gè)產(chǎn)品的正常升級(jí)換代，取得性能提升不是很正常的嗎？ 升級(jí)帶來(lái)性能提升是正常的，但取得這么大的性能提升就不那么“正?！绷耍⑻貭柋厝蛔鰧?duì)了什么事情。

所以問題來(lái)了，12代酷睿究竟做對(duì)了什么？究竟是一不小心走運(yùn)擠爆了牙膏，還是發(fā)現(xiàn)了能夠源源不斷產(chǎn)生新牙膏的方法？

先說結(jié)論，我認(rèn)為英特爾找到了一個(gè)新配方，能持續(xù)大幅提升芯片的性能。這個(gè)配方的名字，叫芯片架構(gòu)的創(chuàng)新。而這個(gè)配方最重要的那味藥，就是異構(gòu)。 問題又來(lái)了，異構(gòu)究竟是什么東西？它為什么能幫助12代酷睿取得了如此大的提升？更重要的是對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說，怎么才能用得上這種創(chuàng)新？對(duì)于我們來(lái)說又有什么具體的意義？今天的文章我們就來(lái)好好說說這些問題。

什么是異構(gòu)

先來(lái)看看“異構(gòu)”這個(gè)詞到底是什么意思。從字面意思來(lái)看，異就是不同，構(gòu)就是架構(gòu)或者結(jié)構(gòu)，所以異構(gòu)其實(shí)就是“不同的結(jié)構(gòu)”。它的反義詞是同構(gòu)，也就是“相同的結(jié)構(gòu)”。

如果你沒聽說過這兩個(gè)詞也完全沒關(guān)系，其實(shí)在我們?nèi)粘Ｉ钪嘘P(guān)于異構(gòu)和同構(gòu)的例子是有很多的。就拿我們家里的裝修和收納舉例，以前很多房屋裝修都是同樣的風(fēng)格，看起來(lái)像是一個(gè)模子印出來(lái)的。收納也很簡(jiǎn)單，比如廚房里都用一樣的四四方方的櫥柜，去收納各種鍋碗瓢盆。這其實(shí)就是同構(gòu)。

但是我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中就發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)并不好用。因?yàn)槲覀冇懈鞣N各樣的鍋碗瓢盆，放在同樣的櫥柜里就會(huì)導(dǎo)致有的地方放不下，有的地方卻太空了。所以很多現(xiàn)代化的裝修，都是針對(duì)不同的廚具去針對(duì)性的設(shè)計(jì)收納空間，并且能最大限度的利用空間。這種方式其實(shí)就是異構(gòu)。 同樣的例子還有很多，比如一列火車?yán)镉幸坏榷炔蛙嚺P鋪這樣不同的車廂，而不全都是相同的座位，這就是一種異構(gòu)。我們吃的飯也有川菜粵菜漢堡炸雞這樣不同的菜系和品種，而不都是大鍋飯，所以這也是一種異構(gòu)。

所以從廣義上來(lái)看，只要不是同構(gòu)，就是異構(gòu)。 但是，異構(gòu)其實(shí)還有更進(jìn)一步的意思。比如機(jī)場(chǎng)的行李管理系統(tǒng)，會(huì)把行李按照不同的航班進(jìn)行調(diào)度，同一個(gè)航班，也會(huì)按艙位的不同進(jìn)行先后處理。比如我們?cè)诘刃欣畹臅r(shí)候，頭等艙的行李會(huì)先出來(lái)，而我們坐經(jīng)濟(jì)艙的往往要等很久才能等到自己的行李。這里其實(shí)就是在異構(gòu)這個(gè)概念里，增加了優(yōu)先級(jí)和調(diào)度的概念。也就是說，由于結(jié)構(gòu)的不同，對(duì)它的處理和應(yīng)用的方式也是不同的。

再拿前面的廚房收納來(lái)舉例，我們會(huì)把盤子放在櫥柜的抽屜里，但是應(yīng)該先放大盤子、再放小盤子，這樣才不會(huì)倒。放玻璃杯的時(shí)候，抽屜肯定就放不下了，所以應(yīng)該放在杯具專用的地方，可能很窄很高，正好能放下杯子。所以這些不同結(jié)構(gòu)的櫥柜和抽屜，就組成了一個(gè)異構(gòu)的收納體系。 回到前面的問題，我們?yōu)槭裁匆卯悩?gòu)呢？和同構(gòu)相比，異構(gòu)更加高效，每個(gè)部分各司其職，就像玩游戲的時(shí)候用的一套連招，能夠最大限度地發(fā)揮它的力量。

但使用異構(gòu)的另一方面原因，其實(shí)是由于當(dāng)技術(shù)發(fā)展到一定程度的時(shí)候，不可避免的遇到很多限制。很多年前，傳統(tǒng)地提升CPU性能的方法，就是堆料，也就是不斷增加CPU核心的數(shù)量，從而讓性能隨著核心數(shù)的增加而線性增加。多核架構(gòu)在十幾年前就是非常熱門的研究方向，人們認(rèn)為，只要能夠編寫和運(yùn)行并行軟件，就可以將處理器架構(gòu)直接擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)核心。

當(dāng)然了現(xiàn)實(shí)總是非常殘酷。在之前的文章里介紹過，當(dāng)時(shí)還在德州大學(xué)奧斯丁分校的道格博格爾教授寫了一篇文章，研究并提出了所謂的“暗硅效應(yīng)”。

它說的是雖然可以不斷增加核心數(shù)量，但由于功耗的限制，我們卻無(wú)法讓這些核心同時(shí)工作。這就像一個(gè)大樓有很多房間，但由于供電量有限，我們無(wú)法同時(shí)開啟每個(gè)房間的燈，這就讓這個(gè)大樓在夜里看起來(lái)有很多黑暗的部分，這也是暗硅這個(gè)詞得名的原因。

暗硅效應(yīng)的提出，完全改變了芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。人們意識(shí)到即使不斷的堆核，并且開發(fā)出了并行軟件，這種同構(gòu)的方法帶來(lái)的性能提升也會(huì)非常有限。所以異構(gòu)計(jì)算就應(yīng)運(yùn)而生了。事實(shí)上，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，異構(gòu)計(jì)算是一個(gè)近年來(lái)非常熱門的方向，就是因?yàn)楫悩?gòu)計(jì)算能夠充分利用CPU、GPU、FPGA、ASIC等等不同芯片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而實(shí)現(xiàn)更加高性能低功耗的計(jì)算系統(tǒng)。

對(duì)于CPU設(shè)計(jì)本身，也慢慢出現(xiàn)了異構(gòu)的方法。比如手機(jī)的處理器絕大多數(shù)都是基于ARM的架構(gòu)，它就采用了大小核的設(shè)計(jì)。在蘋果的M1芯片里，也采用了類似的設(shè)計(jì)方法。這些都不是新鮮事兒了。

但是新鮮的是，在x86架構(gòu)的CPU里，12代酷睿Alder Lake是第一次嘗試了這種性能核+能效核的異構(gòu)方法，結(jié)構(gòu)就取得了非常好的效果。

硬件異構(gòu)：兩種不同的內(nèi)核

Alder Lake最主要的特點(diǎn)，就是采用了性能核+能效核的架構(gòu)設(shè)計(jì)。它最大的特點(diǎn)就是有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和靈活性。

比如全系列Alder Lake都是采用了相似的設(shè)計(jì)，不管是臺(tái)式機(jī)、筆記本還是超輕薄的商務(wù)本，CPU架構(gòu)都是相同的，只不過兩種類型的核心數(shù)量有區(qū)別。比如桌面端CPU最高可以支持8個(gè)性能核、8個(gè)能效核，面向筆記本的12代酷睿又分成了HPU三個(gè)子系列：H系列面向高性能移動(dòng)平臺(tái)，可以支持4~6個(gè)性能核、4~8個(gè)能效核，最多14核20線程；面向高性能筆記本的P系列也是如此，性能核支持2~6個(gè)，能效核都為8個(gè)；而主打輕薄筆記本的U系列，最多支持2個(gè)性能核、8個(gè)能效核。使用這樣的設(shè)計(jì)，就能根據(jù)特定的應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)性的配置芯片核心的數(shù)量和種類，以取得性能和功耗的平衡和優(yōu)化。

Alder Lake的能效核代號(hào)為Gracemont。值得注意的是，它并沒有采用業(yè)界通用的“低功耗”內(nèi)核的這個(gè)說法，而是稱為“高能效”，這其實(shí)代表著Gracemount能夠很好的平衡性能和功耗這兩個(gè)非常重要但貌似相互矛盾的性能指標(biāo)。

在之前架構(gòu)日的文章里詳細(xì)介紹過，Gracemount在架構(gòu)設(shè)計(jì)上也有很多創(chuàng)新和進(jìn)步，比如在前端設(shè)計(jì)里采用了64KB指令緩存，并且進(jìn)一步優(yōu)化了分支預(yù)測(cè)單元。此外它還包含了兩個(gè)3寬度的亂序解碼器，這也是英特爾能效核的主要特點(diǎn)，它不僅可以單周期完成高達(dá)六個(gè)指令的解碼，也可以在兩個(gè)解碼器集群之間做負(fù)載均衡和亂序執(zhí)行，進(jìn)一步提升操作的并行性，從而提升性能。能效核的后端也提升了寬度，并且集成了多種整型、浮點(diǎn)型、還有向量運(yùn)算單元，支持不同形式的運(yùn)算和指令集擴(kuò)展。

對(duì)于性能核來(lái)說，提升就更明顯了。Alder Lake里的性能核代號(hào)為Goldencove，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)非常明確，就是對(duì)單線程性能的極致擴(kuò)展。比如它前后端的流水線、執(zhí)行單元、亂序窗口、片上緩存和存儲(chǔ)系統(tǒng)都采用了更寬和更深的設(shè)計(jì)，它還集成了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，來(lái)更智能的做分支預(yù)測(cè)和流水線資源的釋放，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的吞吐量。

打個(gè)簡(jiǎn)單的比方，如果我們把CPU比作水龍頭，指令和數(shù)據(jù)就是水龍頭里流的水。這次性能核就把水龍頭的水管做的更寬了，口做的更大了，而且加入了很多智能化的水量控制系統(tǒng)，就讓整體的流量變的更大了。

12代酷睿是英特爾首個(gè)采用混合架構(gòu)的CPU產(chǎn)品，除了性能核與能效核之外，它還集成了對(duì)DDR4和DDR5等種內(nèi)存架構(gòu)的支持，也支持Wifi6E、Thunderbolt4、PCIe5.0x16等等這些最新的接口和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。所有的這些單元都是以模塊化的方式進(jìn)行集成，這樣和異構(gòu)的內(nèi)核一起，進(jìn)一步提升了CPU架構(gòu)的擴(kuò)展性，也能非常靈活的應(yīng)對(duì)不同終端的實(shí)際需求。

對(duì)異構(gòu)的軟硬件支持

有了不同的處理器內(nèi)核和硬件模塊其實(shí)還不夠，為了組成一個(gè)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的異構(gòu)芯片，同樣重要的其實(shí)是如何把它們充分利用起來(lái)。 再拿我們裝修房子的例子，就算按現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn)裝修了整間屋子，如果住的人不知道怎么用，把東西到處亂放，那么到頭來(lái)屋子里肯定還是一團(tuán)糟。這個(gè)時(shí)候我們可以咨詢專門的收納師，或者直接請(qǐng)他們來(lái)幫忙進(jìn)行收納。 芯片設(shè)計(jì)也是這樣，這里的收納師，其實(shí)有兩層，一個(gè)是調(diào)度器，另一個(gè)是操作系統(tǒng)。在12代酷睿里，英特爾特別提出了一個(gè)叫做線程調(diào)度器的結(jié)構(gòu)。這也是一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)，我總結(jié)了它的3個(gè)主要特點(diǎn)。

首先，它存在于操作系統(tǒng)和內(nèi)核架構(gòu)之間，能在納秒級(jí)別、非常精確地監(jiān)測(cè)線程和內(nèi)核的運(yùn)行情況。然后根據(jù)這些信息，它能為操作系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)反饋，從而幫助操作系統(tǒng)做出最優(yōu)的調(diào)度決定。最后，它可以可以對(duì)工作負(fù)載做實(shí)時(shí)分析，確保第一時(shí)間把正確的線程分配到正確的核心。

比如對(duì)于性能要求比較高的應(yīng)用，就會(huì)被優(yōu)先放在性能核上運(yùn)行，一些后臺(tái)任務(wù)就會(huì)被放在能效核上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行處理。如果這個(gè)時(shí)候有優(yōu)先級(jí)更高的高性能應(yīng)用出現(xiàn)，線程調(diào)度器也可以幫助操作系統(tǒng)來(lái)決定，將性能核上的哪些線程轉(zhuǎn)移到能效核上運(yùn)行。整個(gè)調(diào)度的過程都是動(dòng)態(tài)完成的，可以根據(jù)不同的應(yīng)用靈活變化，不依賴某種固定的調(diào)度算法。

有了硬件調(diào)度器，軟件開發(fā)者就不需要糾結(jié)如何進(jìn)行線程調(diào)度和資源分配了，也不需要修改已有的代碼去支持12代酷睿的異構(gòu)架構(gòu)。同時(shí)，使用專門的硬件單元去做線程和內(nèi)核的調(diào)度，也可以更好的保證調(diào)度的性能和準(zhǔn)確性。

當(dāng)然了，操作系統(tǒng)還是需要對(duì)這個(gè)硬件調(diào)度器進(jìn)行深度適配的。微軟新推出的Windows11，就有對(duì)線程調(diào)度器的優(yōu)化支持，這個(gè)其實(shí)也是windows11的一個(gè)重要特性。 所以有了軟硬件對(duì)異構(gòu)的支持，就可以充分發(fā)揮異構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。就像前面提到的機(jī)場(chǎng)的行李管理系統(tǒng)一樣，這其實(shí)是一種進(jìn)化版的異構(gòu)，可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)的合理調(diào)度和資源分配，并且?guī)?lái)多任務(wù)的處理優(yōu)勢(shì)。

除了H系列之外，12代酷睿還有兼顧性能和功耗的P系列、以及面向低功耗的U系列，分別適合輕內(nèi)容制作和對(duì)移動(dòng)辦公有剛需的人群。

結(jié)語(yǔ)

總之，異構(gòu)就是12代酷睿取得大幅能效提升的最主要原因。它不僅有能效核+性能核的混合設(shè)計(jì)模式，還有配合它進(jìn)行性能釋放的線程調(diào)度器和操作系統(tǒng)的支持。有理由相信，這種異構(gòu)的模式也將會(huì)成為未來(lái)CPU芯片設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。

審核編輯 ：李倩