英特爾“大小核”也許只是個過渡方案？

TechWeb 文 / 新喀鴉

隨著科技的不斷進步，英特爾推出了“大小核”CPU以試圖在性能和功耗之間找到平衡。然而，這一創(chuàng)新是否只是應(yīng)對當(dāng)前市場挑戰(zhàn)的一種過渡方案？本文將深入探討其背后的設(shè)計理念，分析在實際應(yīng)用中面臨的任務(wù)調(diào)度挑戰(zhàn)，并展望其未來發(fā)展趨勢，為讀者帶來全新的思考視角。

“大小核”之緣起

2021年10月，英特爾發(fā)布了第12代酷睿處理器，正式引入了“大小核”設(shè)計，也就是官方口中的“異構(gòu)多核”。

當(dāng)時，英特爾的競爭對手（蘋果、AMD）大概率能用上臺積電5nm工藝，而英特爾大概只能使用Intel 7工藝。要知道，臺積電5nm工藝幾乎可以算是領(lǐng)先了Intel 7工藝一個大版本，采用5nm工藝制造的CPU性能更強且更加省電。在工藝短期內(nèi)無法突破瓶頸的情況下，英特爾決定在芯片設(shè)計方面“整個活”，“大小核”方案應(yīng)運而生。

對于一款CPU來說，我們可以采用PPA進行評估，即：Performance（性能）、Power（功耗）、Area（尺寸）。換句話來說，芯片的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)更高的性能、更低的功耗和更小的面積。

英特爾的“大核”：最大限度地提高單線程性能和響應(yīng)速度。從PPA的角度來看，就是優(yōu)先堆性能，功耗和尺寸不是很在意。不過這樣的結(jié)果就是性能上限很高，但能效（每瓦可提供的性能）很差。

英特爾的“小核”：為現(xiàn)代多任務(wù)處理提供可擴展的多線程性能和高效的后臺任務(wù)卸載。從PPA的角度來看就是用不是很大的功耗和尺寸實現(xiàn)不錯的性能。這樣做的結(jié)果就是能效很高，但性能上限會差一些。

理想情況下，將高性能的大核與高效能的小核融合，能夠靈活地應(yīng)對各類任務(wù)挑戰(zhàn)。在這種模式下，輕量負(fù)載任務(wù)可以分配小核去處理，功耗大大降低；大核則可以專注于重負(fù)載任務(wù)，無需操勞其它輕量任務(wù)。對于筆記本電腦等移動設(shè)備來說，這種模式還可以降低發(fā)熱量，增強續(xù)航能力。

然而現(xiàn)實并不理想。

任務(wù)調(diào)度的困難

“大小核”在電腦上的最終表現(xiàn)取決于很多方面的因素。由于電腦上的應(yīng)用往往是直接跟操作系統(tǒng)“打交道”，因此操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度機制成為了最關(guān)鍵的一環(huán)。由于采用了“大小核”方案設(shè)計的CPU內(nèi)部集成了兩種不同性能的核心，這就造成了在調(diào)度層面上會比單一核心架構(gòu)更為復(fù)雜。調(diào)度這兩種核心時，需要考慮到它們各自的特點和性能差異，從而增加了調(diào)度的復(fù)雜性。

我們在這里簡單分析一下世界上兩大系統(tǒng)廠商——蘋果和微軟分別是如何解決這個問題的。

首先從系統(tǒng)調(diào)度策略上看：蘋果搞QoS比微軟早，而且還比微軟細(xì)。

根據(jù)蘋果官網(wǎng)上的文檔顯示，蘋果的開發(fā)者可以設(shè)置進程的QoS等級，然后系統(tǒng)可以根據(jù)QoS優(yōu)先級來調(diào)度。

另外根據(jù)文檔日志顯示，該文檔最初更新于2014年7月，最后更新于2016年9月。也就是說蘋果這套“解決方案”已經(jīng)搞了大概10年。在這10年間，應(yīng)用和系統(tǒng)之間的磨合已經(jīng)達成了默契，每個程序應(yīng)該跑大核或者小核已成定數(shù)。

而微軟方面則是在Windows 10 1709版本才加入基本的QoS策略。而且這個QoS策略做得比較粗糙，比如對于不同窗口狀態(tài)下的服務(wù)質(zhì)量僅分成了高、中、低三擋。

因此從系統(tǒng)調(diào)度策略上看，蘋果勝。

之后我們從軟件生態(tài)和應(yīng)用方面看：蘋果的軟件供應(yīng)商更聽話，更加愿意配合蘋果去優(yōu)化適配“大小核”。

由于很多蘋果用戶習(xí)慣于從“蘋果商店”下載應(yīng)用程序。而應(yīng)用程序想要上架“蘋果商店”需要服從蘋果的相關(guān)規(guī)范。所以對于蘋果來說，讓整個生態(tài)適配大小核設(shè)計是比較容易的。而對于微軟來說，微軟長期的策略是保持強大的兼容性。比如一些很老舊的軟件放在新系統(tǒng)上仍然能夠運行。不過這些老舊軟件肯定是沒有QoS策略的，而對于微軟來說并沒有辦法強制讓老舊軟件的原始開發(fā)者回來更新軟件。所以老舊軟件對于“大小核”方案的適配工作其實很難推進。而對于新軟件來說，它也并不一定要寫QoS策略。畢竟“微軟應(yīng)用商店”的存在感非常低，微軟沒有太好的辦法強制軟件商去適配“大小核”方案。

因此從軟件生態(tài)和應(yīng)用方面看，蘋果再次獲勝。

所以從這個局面上看，英特爾要想搞“大小核”CPU，去抱蘋果大腿才是最優(yōu)選擇。

但是，英特爾已經(jīng)沒有這個選項了。英特爾在搞“大小核”的時候，蘋果那邊已經(jīng)開始要使用自己的CPU了，也就是M1系列。所以英特爾“大小核”CPU+蘋果系統(tǒng)的組合基本上是不太可能了。這種情況下消費級市場上也就主要是Windows+英特爾“大小核”方案了。

雖然微軟在“大小核”適配方面不太給力，但英特爾方面其實也沒有完全躺平。英特爾推出了硬件線程調(diào)度器（Thread Director），英特爾硬件線程調(diào)度器通過識別每個工作負(fù)載的級別并使用其能源和性能內(nèi)核評分機制，幫助操作系統(tǒng)將線程調(diào)度到性能和效率最佳的內(nèi)核上。但是官網(wǎng)上關(guān)于硬件線程調(diào)度器有這樣一段描述需要注意：“向操作系統(tǒng)提供運行時反饋，以便針對任何工作負(fù)載做出最佳決策。”

也就是說“硬件線程調(diào)度器”可以向操作系統(tǒng)提出任務(wù)調(diào)度的相關(guān)建議，但操作系統(tǒng)聽不聽它的就是另一個問題了。

所以“硬件線程調(diào)度器”并不是一個可以獨立解決問題的方案，很大程度上還是需要依靠微軟的配合。而且英特爾這邊也需要相當(dāng)長的時間打磨自己的調(diào)度算法，才能讓這種調(diào)度方式良好運行。

Intel 3工藝與至強6

“大小核”起源于工藝落后，最終也許會因為工藝進步而結(jié)束。

從英特爾前不久發(fā)布的至強6系列處理器中，就可以看出一些端倪。

至強6處理器分成了兩大產(chǎn)品系列——能效核處理器以及性能核處理器。其中能效核處理器專門針對高核心密度和規(guī)模擴展任務(wù)所需的高效能優(yōu)化，而性能核處理器則面向計算密集型和AI工作負(fù)載所需的高性能進行優(yōu)化，兩者架構(gòu)兼容，共享軟件棧和開放的軟、硬件供應(yīng)商生態(tài)。

簡言之，至強6系列處理器回到了之前的“傳統(tǒng)”設(shè)計思路。

而這背后的原因，是因為至強6能效核處理器用上了Intel 3制程工藝。與上一個制程節(jié)點Intel 4相比，Intel 3實現(xiàn)了約0.9倍的邏輯微縮和17%的每瓦性能提升，高于業(yè)界一般標(biāo)準(zhǔn)。此外，英特爾對EUV（極紫外光刻）技術(shù)的運用更加嫻熟，在Intel 3的更多生產(chǎn)工序中增加了對EUV的應(yīng)用。Intel 3還引入了更高密度的設(shè)計庫，提升了晶體管驅(qū)動電流，并通過減少通孔電阻優(yōu)化了互連技術(shù)堆棧。英特爾現(xiàn)在所使用的Intel 3工藝已經(jīng)不再明顯落后于同行。

這樣一來，英特爾如果回歸到“每個處理器中只有一種核心”的“傳統(tǒng)”模式，那么操作系統(tǒng)的調(diào)度就會相對更容易。用戶的選擇也會變得更容易，可以根據(jù)使用場景來選擇自己需要的產(chǎn)品線。

全面回歸“傳統(tǒng)”設(shè)計 非一朝一夕

至強6處理器的問世為消費級“大小核”CPU帶來了一種全新的發(fā)展思路。在當(dāng)前工藝不斷進步的背景下，堅持大小核設(shè)計似乎沒有那么必要?；貧w至"傳統(tǒng)"的設(shè)計理念可以簡化復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度問題，確實成為了一種可行的策略。然而，即便有這樣的想法，實際推行起來卻并非易事。

現(xiàn)在英特爾雖然有了Intel 3工藝，但由于新工藝成本高、產(chǎn)能有限，全面普及應(yīng)該還需要很長的時間。就比如英特爾于2023年10月發(fā)布的最新的第14代酷睿處理器仍然使用Intel 7工藝，連Intel 4工藝都沒有用上。

而且“大小核”方案在低功耗設(shè)備上的優(yōu)勢確實存在。所以英特爾要放棄“大小核”方案應(yīng)該會從功耗不敏感的臺式機處理器入手，之后循序漸進再到筆記本平臺。舉例來說，即將在今年第三季度面世的針對筆記本平臺的Lunar Lake處理器，依然沿用了大小核設(shè)計。這一選擇無疑表明，在未來幾代的筆記本平臺CPU中，大小核設(shè)計仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。（新喀鴉）

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