На этой неделе Intel представила то, что старший вице-президент и генеральный менеджер — Раджа Кодури назвал крупнейшим достижением компании в области процессоров за последнее десятилетие. Были заявлены две новые архитектуры ядер процессоров x86 - Производительные (Performance-core или P-core) и Эффективные (Efficient-core или E-core). Работая вместе, они обеспечат семейству процессоров Alder Lake гибридную производительность. Это позволит грядущей ОС Windows 11 загружать процессоры более эффективно.
Традиционный подход по банальному увеличению плотности логики на микросхеме постепенно исчерпывает себя. Поэтому проектирование архитектур будущих процессоров сосредоточено больше не на наращивании мощности, а на увеличении производительности CPU. «Это прекрасное время для специалиста, занимающегося проектированием процессоров», — говорит Кодури. Новые процессоры, представленные Intel, по его словам: «демонстрируют, как архитектура удовлетворяет колоссальный спрос на более высокую вычислительную производительность, поскольку рабочие нагрузки как настольных компьютеров, так и центров обработки данных становятся больше, сложнее и разнообразнее, чем когда-либо.»Два новых ядра x86 спроектированы для разных ролей, но выполняют один и тот же набор инструкций. Это позволяет объединить их для совместной работы в одном чипе, что будет продемонстрировано уже очень скоро в грядущей линейке процессоров Alder Lake. На первый взгляд эта комбинация похожа на экономящую расход батареи архитектуру big.LITTLE от Arm, где низкоприоритетная работа выполняется небольшими ядрами процессора с низким энергопотреблением, в то время как требовательные вычисления выполняются более высокопроизводительным ядром. Но Intel утверждает, что их способ сочетания ядер в Alder Lake больше ориентирован на повышение именно производительности за счет использования всех ядер для рабочих нагрузок с большим количеством потоков. (Поток — это наименьшая единица обработки, исполнение которой может быть назначено процессорному ядру.) В новой архитектуре процессоров Intel Эффективное ядро может обрабатывать лишь один поток за раз, в то время как Производительное ядро может работать в многопоточном режиме.
Многие нововведения в обоих типах ядер были связаны с ускорением той их части, которая обрабатывает инструкции. Они декодируют больше инструкций за цикл, хранят часто используемые инструкции рядом, чтобы сэкономить время и лучше предсказывать, какие инструкции будут следующими в программе.
Все это вместе с множеством других технологий позволило создать ядро, которое либо на 40 процентов эффективнее при той же частоте, либо на 40 процентов производительнее при том же энергопотреблении в сравнении с нынешним ядром Intel SkyLake при работе с одним потоком. Разница в производительности вырастает до 80 процентов при сравнении четырех Эффективных ядер (E-ядер) Alder Lake с двумя ядрами Sklylake, в работе с четырьмя потоками.
Новая архитектура Производительных ядер (P -ядер) призвана дать больше возможностей для распараллеливания при одновременном сокращении задержек. В серии тестов это выражается в приросте производительности на 19 процентов при сравнении P -ядра Alder Lake с ядром Rocket Lake, работающих на одинаковой частоте 3,3 ГГц.
В поколение Alder Lake новые ядра были объединены в трех различных конфигурациях, что позволит этому семейству процессоров охватить рынок от традиционных ПК до «ультрамобильных» устройств, потребляющих от 125 до 9 Вт. Процессоры линейки для настольных компьютеров будут иметь до 8 P-ядер и 8 E-ядер, обрабатывать одновременно до 24 потоков и содержать до 30 мегабайт кэш-памяти. Мобильные версии — до 6 P-ядер и 8 E-ядер, а ультрамобильные — 2 P-ядра и 8 E-ядер. SoC производятся по техпроцессу Intel 7.
Чтобы эта комбинация различных ядер работала наилучшим образом, работа между ними должна распределяться так, чтобы максимизировать производительность при различных нагрузках ЦП. Обычно отвечает за эту задачу планировщик операционной системы, но сегодня он делает это с очень малым количеством информации о состоянии загруженности ядер и работает на довольно простом уровне. Вроде того, является ли задача основной активностью, как игра, или фоновой, как проверка E-mail. Решения планировщика операционной системы «оказывают огромное влияние на производительность и энергопотребление, воспринимаемые пользователем», — говорит Мехмет Иигун, менеджер по развитию партнеров Microsoft.
Intel объединилась с Microsoft, чтобы разработать для Windows 11 планировщик нового поколения, который бы получал больше информации от процессора и обладал гораздо более детальным и динамичным контролем его работы. «Теперь Intel Thread Director отслеживает сочетание инструкций в каждом потоке и состояние каждого ядра на наносекундном уровне, предоставляет ОС обратную связь во время работы программ и адаптирует инструкции, которые дает ОС, в зависимости от температуры и ограничений по потреблению», — пояснил Райшри Чабуксвар, клиент-архитектор Intel.