Ice Lake架構(gòu)深度解析 Intel的雅典娜女神

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IceLake是Intel下一代平臺的架構(gòu)代號，隨著臺北電腦展上的演示，它終于揭下來神秘的面紗。而前不久Intel內(nèi)部的第二季度財報會議上，CEO已經(jīng)宣布IceLake處理器已經(jīng)正式向OEM廠商出貨，戴爾方面也迅速行動，延期了一個月多的、采用新Ice Lake處理器的XPS 137390也迅速上架接受預(yù)定并將于近日發(fā)貨。這意味著Intel的第一代量產(chǎn)級10nm產(chǎn)品（不算Cannon Lake唯一的那款10nmi3）終于要在市場上亮相了，在此之際，小編編譯、整理了目前有關(guān)于Ice Lake架構(gòu)的相關(guān)解析文章，探尋其背后的改進之處。

繼上一次Intel更新他們的桌面級處理器的架構(gòu)已經(jīng)過去了將近5年的時間了，不得不說，Skylake是一代非常成功的架構(gòu)，也可能是從P6以來Intel使用時間最長的一代處理器架構(gòu)，支撐Intel走到現(xiàn)在還在主流和服務(wù)器市場上面占據(jù)著上風(fēng)。

首先我們要理清一點，IceLake是整個處理器架構(gòu)的代號，而現(xiàn)在的Intel處理器架構(gòu)中包括了內(nèi)核、GPU、以及Uncore部分的其他IO單元，所以本文并不只是針對CPU的內(nèi)核微架構(gòu)進行解析，而是對于整個體系結(jié)構(gòu)。

注：如果沒有說明來源，本文圖片均來自于WikiChip和AnandTech。

Ice Lake處理器結(jié)構(gòu)圖Sunny Cove內(nèi)核微架構(gòu)：IPC平均提升18%

Sunny Cove內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖前端緩沖區(qū)：加大加大加大

x86處理器的內(nèi)核主要可以簡單地分成兩個部分，前端部分與后端執(zhí)行部分，前端部分主要完成“取指譯碼”的工作，后端主要為指令的具體執(zhí)行單元，前后端之間有緩沖區(qū)，用于存放解譯融合完畢的微指令。Intel很早就在內(nèi)核中引入了“微指令融合”的技術(shù)來提高效率，融合過的微指令會進入緩沖區(qū)然后被分配給后端執(zhí)行部分進行具體的執(zhí)行。Intel目前認(rèn)為，如今程序更多的瓶頸位于訪存和前端指令分派上，SunnyCove的前端部分改進就體現(xiàn)了這一理念，所以這次緩沖區(qū)就被擴大了不少。

緩沖區(qū)部分對比架構(gòu)HaswellSkylakeIceLake亂序重排緩沖區(qū)192224352訪存Load隊列大小7272128訪存Store隊列大小425672超 能 網(wǎng) 制 作

可以看到Intel這次把亂序重排緩沖區(qū)（ReOrderBuffer，主要是用于亂序執(zhí)行后將執(zhí)行的微指令根據(jù)原本順序提交的指令緩沖區(qū)）大小做到了可以容納352條微指令，直接提升了128條/57%之多，而Haswell到Skylake才僅僅提升了32條。同樣在訪存上面也進行了不小的提升，Load（加載）隊列增加了56，Store（存儲）隊列增加了16，比Haswell到Skylake的改變都明顯要多。

緩存對比架構(gòu)HaswellSkylakeIceLake單核心一級數(shù)據(jù)緩存大小32KB32KB48KB單核心一級指令緩存大小32KB32KB32KB單核心二級緩存大小256KB256KB512KB微指令緩存1.5KμOPS1.5K μOPS2.25K μOPS超 能 網(wǎng) 制 作

再來看緩存部分，新的內(nèi)核終于增加了萬年沒變動過的一級數(shù)據(jù)緩存，從32KB到48KB，雖然只增加了12KB，但是要知道，32KB的一級指令緩存+32KB的一級數(shù)據(jù)緩存的設(shè)計，從Core系列的第一代架構(gòu)——Core微架構(gòu)上面就開始使用了，一直沿用到現(xiàn)在，同時一級數(shù)據(jù)緩存的帶寬也增加了。而每個內(nèi)核附帶的二級緩存直接提升一倍，達(dá)到512KB的大小，這也是從Nehalem架構(gòu)把二級緩存內(nèi)置進每個核心、單獨設(shè)立共享L3緩存以來在內(nèi)核緩存上發(fā)生的最大幅度變動了。

Skylake與Sunny Cove內(nèi)核架構(gòu)對比圖，左Skylake，右Sunny Cove

前端部分的改進較小，主要是改進了預(yù)取器與分支預(yù)測器的性能，增加了微指令緩存的大小使得其能夠滿足每周期5(6)指令的發(fā)射。

后端：更寬

上Skylake，下Icelake，注意看Port

后端也有不小的改變，SunnyCove的執(zhí)行端口相比Skylake多了兩個，達(dá)到了10個之多。并且端口的用途更為精細(xì)化，有專門用于讀取和存儲地址的端口，并且專用于存取數(shù)據(jù)的端口數(shù)量均為兩個。

然后在執(zhí)行單元中，Sunny Cove新增了支持AVX-512指令的單元，其實這類單元在Skylake-Server上便已經(jīng)加入，同時引入的還有CannonLake上面加入的iDIV這個硬件整數(shù)除法器，同時還加入了新的MulHi單元，專用于乘法指令的處理。

AVX-512計算單元的引入使得Sunny Cove內(nèi)核一次可以處理1條512-bit的指令或者2個256-bit的指令。

內(nèi)核互聯(lián)方面，桌面級Ice Lake仍將采用Ringbus也就是環(huán)形總線的設(shè)計，而服務(wù)器端將延續(xù)Skylake-Server的Mesh總線設(shè)計。

指令集與AI加速

指令集隨著新單元的加入也同時進行了擴充，在加密解密、AI加速、通用計算、特定計算等方面都新加入了不少指令，尤其是AVX-512指令集。

對于近幾年大熱門的人工智能，Intel一方面在Uncore部分加入了自家的“高斯網(wǎng)絡(luò)加速器（Gaussian NetworkAccelerator）”這樣類似于手機SoC上面常見的AI硬件加速電路，還通過引入AVX512VNNI指令集，使用AVX-512單元來進行AI相關(guān)的加速計算，Intel將這種加速稱為"DL(DeepLearning)Boost"。這是一種很聰明的取巧辦法，專用計算單元的引入可以保證一定的加速性能，而新指令集的加入同時也可以更加充分地利用上新的CPU特性。

加密解密指令集上面的改動諸如AES的吞吐量加大、加入新的針對SHA算法的一系列指令等，總之在編譯器進行適當(dāng)優(yōu)化的前提下，IceLake的加密解密性能是比Skylake強不少的。

小結(jié)

簡單歸納一下Sunny Cove微架構(gòu)的改進點：

改進了預(yù)取器與分支預(yù)測器的性能

一級數(shù)據(jù)緩存增大50%

一級緩存存儲帶寬增大100%

二級緩存增大100%

微指令緩存增大50%

每周期能夠加進亂序重排緩沖區(qū)的微指令多了25%

亂序重排緩沖區(qū)大了57%

后端執(zhí)行端口多了25%

支持AVX-512等新指令集

綜合以上的改進，SunnyCove相對于Skylake在IPC上面取得了平均18%的進步，而對于Broadwell或者說Haswell，則是有47%的進步幅度，在針對AVX-512進行優(yōu)化過的測試中，最高可以比上代移動低壓處理器快2~2.5倍。在摩爾定律前進緩慢的今天，這個數(shù)字已經(jīng)非常高了。

題外話，其實很多改進在Cannon Lake上面就已經(jīng)有了，比如AVX-512、相關(guān)的指令集變動和緩存帶寬增加等，還有些改動是從Skylake-Server架構(gòu)上面下放而來的，比如AI加速的指令集其實已經(jīng)在服務(wù)器端處理器上出現(xiàn)了。但因為CannonLake實際被Intel放棄，所以繼承了Cannon Lake改進點的SunnyCove內(nèi)核架構(gòu)才能在相比較Skylake時得到平均18%的IPC進步，如果一切正常，Intel的10nm沒有延期，Ice Lake應(yīng)該是CannonLake的下一代，對比起來就沒那么大的進步幅度了。

第11代圖形架構(gòu)

Ice Lake的核顯首次達(dá)到了1TFlops的計算性能，還增加了不少的功能特性，可謂改進頗多。Intel用了"the most powerfulversion"來形容這代核顯的性能，怎么做到的呢？

借助10nm工藝，暴力堆疊規(guī)模

Intel的10nm工藝在晶體管密度上的提升幅度是真的很大，14nm時代最多配備24組EU的核顯，在IceLake上面直接就翻了2.67倍，最大可以達(dá)到64組EU，并且頻率也不低，最高可以跑到1100MHz，比以前只低了50MHz，此時核顯整體的FP32計算量已經(jīng)達(dá)到了1.15TFlops。鑒于此，相比于八代酷睿處理器上搭載的第9代核顯，Intel官方宣稱可以提供平均約1.8倍的幀率。

你一定想問第10代去哪里了對不對，其實還是在夭折了的Cannon Lake上面，而且唯一一顆的核顯還是被屏蔽了的。

目前在移動低壓版IceLake處理器上面，Intel一共提供了G1、G4和G7三種配置的核顯，分別有32/48/64組EU，低端的G1命名仍為"UHD"，而G4和G7都以"IrisPlus"的品牌出現(xiàn)。

除了通過制程進步來堆疊EU數(shù)量之外，內(nèi)部架構(gòu)的優(yōu)化也同樣重要。

內(nèi)部架構(gòu)優(yōu)化

與第九代核顯的對比表格如圖，出處：周末雜談，Icelake CPU的助手，Gen11核顯簡介

首先通過增加單個Slice中含有的子Slice來擴大規(guī)模，使得每周期的計算次數(shù)增加。

其次是在緩存系統(tǒng)上做文章，擴大了三級緩存的容量，Intel方面公布的是EU的三級緩存有3MB，并且還有0.5MB的本地共享內(nèi)存。另外還有通過處理器的內(nèi)存控制器升級，能夠用上更高的內(nèi)存帶寬。

新接口版本和加強的硬件編碼電路

上個月讓小編最難受的一件事情就是買了一臺1440p，144Hz刷新率的顯示器，用HDMI連接筆記本的時候，在1440p下面最高只能輸出60Hz，究其原因，就是老的第9代核顯支持的HDMI版本只能到1.4，最高只能提供4K@30Hz的輸出，1080p下面最大是120Hz，而小編的筆記本并沒有提供USB-C或者DP輸出。

而Ice Lake終于解決了這個痛點，支持了HDMI 2.0b和DP 1.4HBR3，這兩個就不用多說了吧，反正就是最高分辨率和幀數(shù)提升順便還能支持一下HDR。

另外，在視頻硬件編碼部分，也就是Intel QuickSync特性使用的獨立硬件電路上，新核顯也有比較大的改進，現(xiàn)在支持兩條HEVC10-bit同時進行編碼，在YUV444的情況下最高支持兩條4K60幀視頻流，或者一條YUV422的8K30幀視頻流。

可變速率著色（VRS）

VRS全稱Variable RateShading，是一種新的允許GPU根據(jù)畫面區(qū)域的重要性調(diào)整著色精度的技術(shù)，具體效果我們之前的新聞有介紹過，可以看一下：來對比一下VRS可變速率著色技術(shù)帶來的性能提升吧3DMark將添加該技術(shù)基準(zhǔn)測試一文中的圖片對比。

VRS可以在不重要的畫面上面節(jié)約一定的GPU資源，使這部分GPU資源參與更加重要的部分畫面的渲染中，從而提高了整體的幀數(shù)，目前NVIDIA已經(jīng)在Turing核心中加入了相關(guān)的支持。而Intel也沒有落后，在第11代核顯中提供了這項特性，并且他們宣布將與Epic合作，將這項特性加入到虛幻引擎中去，目前文明六已經(jīng)支持了該技術(shù)，并且根據(jù)Intel的數(shù)據(jù)，幀數(shù)最大提高了30%。

小結(jié)

GPU部分的改進主要還是規(guī)模增加了很多，架構(gòu)上屬于小改動，主要改進了緩存系統(tǒng)，不過第11代核顯的進步還是比較明顯的。

可能以后在1080p低畫質(zhì)下面核顯也不再是雞肋了，能夠30幀打打游戲了。

Uncore部分

Uncore部分指的是處理器上除了內(nèi)核和GPU的其他部分，在頂上的結(jié)構(gòu)示意圖中就是SystemAgent的那部分，自從Intel在Nehalem把內(nèi)存控制器和PCI-E控制器移入CPU內(nèi)部之后就沒有什么大的變化，但是這次Intel在上面加入了個新東西，還升級了不少老部件。

Thunderblot 3

原來阻擋人們使用Thunderblot（以下簡稱TB）設(shè)備的一大原因就是這個接口的使用成本略高，當(dāng)TB3開始以USB Type-C接口的形式出現(xiàn)之后，使用率確實高上去不少，但是還有其他的攔路虎，其中一個就是TB需要主板搭載額外的芯片來使用，這個控制芯片并不便宜。終于在IceLake上面，Intel把TB控制器整合到了處理器里面，并且再也不會占據(jù)掉處理器提供的PCI-E總線數(shù)量或者是與PCH一起擠原本就已經(jīng)擁擠不堪的DMI3.0總線，而是在環(huán)形總線上面擁有了自己的位置。

而且Intel大方的一下子就提供了4個之多的TB3接口，每個都是PCI-E 3.0 x4的滿規(guī)格，也就是說，IceLake處理器其實一共擁有32條PCI-E 3.0通道，不過其中一半都是以TB3形式提供的，當(dāng)然這些接口是支持USB模式的，當(dāng)運行于USB2.0狀態(tài)時，會繞回到PCH上進行通信。

當(dāng)然也不是所有的廠商都會給足四個TB3接口，具體怎么配置還是得看OEM廠商，畢竟其他的配套芯片諸如USBPD所需要的獨立IC都是會增加成本的，而TB接口還需要額外的Retimer芯片，不過Intel已經(jīng)減半了所需的Retimer，兩條TB3只需要1個Retimer就可以了。

不過將TB控制器集成到CPU內(nèi)部也使得整個System Agent的IO部分更為復(fù)雜了，上面是一張詳細(xì)的原理圖，一個Type-CIO路由（圖上名為CIORouter）擁有兩條PCI-E 3.0 x4與CPU相連，而CPU內(nèi)部的顯示控制引擎（圖上的Display Engine）也要與這個Type-CIO路由相連，以控制Type-C接口所處的狀態(tài)，并決定發(fā)送的信號。同時還有USB的xHCI也要跟Type-CIO連接，還要管理整個的內(nèi)存統(tǒng)一性……

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的就是整體的延遲會增加，Intel將原因歸結(jié)在電源控制上面，原本分離式的芯片很容易管理電源狀態(tài)，但是整合進來之后每一個部分都有自己的電源狀態(tài)需要管理，需要更為精細(xì)化的電源管理系統(tǒng)，而這就增加了總體的延遲。不過更為精細(xì)化的電源管理還是有好處的，那就是可以提高能耗效率，Intel方面稱滿載的一個TB3接口的芯片外加鏈路層將使用300mW的功率，四個加起來也只有1.2W。

值得一提的是，Intel已經(jīng)做好了對于USB4的兼容，不過考慮到目前USB4仍處于草案階段，不排除未來的修改使得兼容失效。不過目前只是針對IceLake的移動版本進行架構(gòu)分析，當(dāng)然也不排除Intel在桌面級的Ice Lake上面同樣保留內(nèi)部TB控制器。

題外話，TB3據(jù)說在Cannon Lake上面也是有的，但是夭折了。

內(nèi)存控制器

現(xiàn)在內(nèi)存控制器原生支持DDR4 3200/LPDDR4X 3733內(nèi)存，原來Skylake上面的內(nèi)存控制器頂多只能支持到DDR42666，還是八代的Coffee Lake以后的事情了。而隨著DDR4內(nèi)存的發(fā)展，默頻上3000的內(nèi)存條也開始出現(xiàn)了，內(nèi)存控制器直接支持到DDR43200是一件不錯的事情。而且隨著處理器內(nèi)核數(shù)量的增加，內(nèi)存帶寬也逐漸要開始成為處理器性能的一個瓶頸所在了，在我們的測試中，內(nèi)存帶寬對于游戲性能的影響還是比較明顯的。

此前Intel的移動低壓平臺只能使用LPDDR3作為內(nèi)存，而支持LPDDR4/X的一個好處就是可以在更低的功耗下面帶來更強的性能，尤其是對于此次圖形性能有比較大提升的IceLake來說，有著非常大的實際意義，因為內(nèi)存帶寬直接影響到GPU的實際表現(xiàn)。

GNA

前面在講內(nèi)核的AI加速時提到了Uncore部分加入了GNA這個針對AI的硬件加速單元，目前并不知道太多有關(guān)于它的細(xì)節(jié)，就連具體名字都有兩種說法，在Intel官方針對WindowsMachine Learning的介紹網(wǎng)頁中，它的全名為Gaussian Network Accelerator，而在很多介紹IceLake架構(gòu)的文章中，它的名字又成了Gaussian Neural Accelerator。

目前已知的是該單元的功耗非常低，甚至?xí)赟oC其余部分關(guān)閉的情況下繼續(xù)工作，旨在提供穩(wěn)定的AI加速性能，應(yīng)用場景為語音識別之類。

圖像處理單元

Ice Lake上面的圖像處理單元（Image ProcessUnit）升級到了第4代，是的，你大概沒有聽說過Intel的CPU上面還有個圖像處理單元，但它從Skylake開始就一直存在，不過只有在移動雙核型號上有，屬于DSP（數(shù)字信號處理器）范疇，為設(shè)備的相機提供影像處理功能。

IceLake上的IPU可以提供4K@30fps的視頻拍攝能力，還有更好的硬件降噪能力，支持更多的相機，還支持將兩個不同的相機比如一個抓IR信息一個抓RGB信息的兩個相機模擬成一個設(shè)備來看待。

Intel方面稱，他們正在向軟件開放更多的IPU寄存器，以向應(yīng)用提供更好的便利性，并且提供了對機器學(xué)習(xí)的支持。另外值得一提的是，Intel將之前PCH上集成的MIPI接口轉(zhuǎn)移到了CPU上，未來可以用于接駁AI加速設(shè)備。

小結(jié)

Uncore部分可謂是發(fā)生了天翻地覆的改變，可以說是IceLake相對于之前Skylake變化最大的地方了，內(nèi)建TB3控制器肯定會給未來的使用帶來非常大的方便，小編個人非常喜歡這個改進。而其他的可以歸于常規(guī)性質(zhì)的功能性更新。

PCH改進

目前的Ice Lake平臺上PCH和CPU是封裝在同一塊基板上的，PCH的提升同樣是Ice Lake整個平臺的提升。同樣的，Ice LakeCPU通過DMI 3.0 x4總線與PCH相連，提供的帶寬等同于PCI-E 3.0 x4。

重新引入FIVR

FIVR其實早在Haswell架構(gòu)中就已經(jīng)被引入了，但是從Skylake開始又把它給去掉了，因為在當(dāng)時FIVR確實表現(xiàn)不佳，導(dǎo)致了整體功耗和發(fā)熱的增大。不過在IceLake上面，它又回歸到了CPU和PCH的內(nèi)部。Intel官方表示這么做可以節(jié)約整個平臺的面積，并且簡化OEM的電源設(shè)計。新的FIVR有著更高的電源效率，與整個平臺的節(jié)能特性息息相關(guān)?？瓷先ntel也是解決了FIVR身上的一些毛病才放心將它集成進CPU和PCH內(nèi)部的。

CNVi 2

其實Intel在這兩年已經(jīng)在出貨的芯片組里面都加入了CNVi方案的Wi-Fi模塊，這種方案將Wi-Fi網(wǎng)卡的部分電路轉(zhuǎn)移到了芯片組的內(nèi)部，而仍在外面充當(dāng)一個射頻模塊的Wi-Fi網(wǎng)卡就可以做的非常小了，比如M.22230或者以1216規(guī)格直接焊在主板上。PCH內(nèi)部的網(wǎng)卡與在外面的RF模塊通過一條Intel專有的CNVi鏈路進行連接。

Ice Lake的PCH上面這條特別的CNVi鏈路升級到了第二個版本，即CNVi 2。

當(dāng)然，支持的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)還是由在外面的Wi-Fi網(wǎng)卡所決定的，方便OEM自定義，Intel此舉是為了打破人們升級Wi-Fi路上的屏障（你倒是推動一下AX路由器降價啊），目前Intel有兩張支持Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)卡：AX200/201。

關(guān)于Wi-Fi 6具體的提升之處，可以參考我們之前的文章：超能課堂(188) WiFi 6憑什么可以如此“六”？。

IO

這塊就簡單羅列一下數(shù)據(jù)。

6個USB 3.1（5Gbps）/10個USB 2.0

16條PCI-E 3.0，一般會有8條用于兩個NVMe接口

3個SATA 3.0

eMMC 5.1

Intel沒有提到UFS的支持。

小結(jié)

PCH的變化并不是很大，主要是常規(guī)的功能性提升。

封裝、睿頻與功耗多種功耗目標(biāo)與不同封裝方式

目前Ice Lake-U和Ice Lake-Y是兩種目標(biāo)TDP不同的系列，分別針對15~28W和7~12W來設(shè)計的，未來的移動標(biāo)壓級TDP約為45W，而桌面級目前未知。

此次率先發(fā)布的11款低壓和超低壓也采取了兩種不同的封裝，U系列沒有怎么變，還是老樣子，而超低壓就與往常不一樣了，Intel使用了更加緊湊的封裝方式，同時底部觸點也相對更加緊密。

動態(tài)調(diào)節(jié) 2.0

新的動態(tài)調(diào)節(jié)2.0技術(shù)變化點看圖就可以了，大致意思就是IceLake處理器不會像之前那樣只能睿頻18秒之后就回到基礎(chǔ)頻率，而是慢慢的降下來，整個過程比原先長了8秒。新技術(shù)還使用了機器學(xué)習(xí)來預(yù)測CPU將會吃到哪種類型的負(fù)載，然后智能調(diào)節(jié)功耗預(yù)算來盡可能地延長睿頻時間。

總結(jié)

總的來看，IceLake是一代變化非常大的架構(gòu)，無論是內(nèi)核還是外面的各種組件。人們都說Intel擠牙膏，但怎么說呢，競爭對手所給的壓力不夠也是Intel擠牙膏的一個原因，但更多的原因恐怕是來自于這幾年Intel在制程工藝上面遇到的難題，本來在Intel的Tick-Tock戰(zhàn)略中，Cannon Lake是作為Skylake的制程升級版出現(xiàn)的，然而由于10nm的難產(chǎn)，Tick-Tock戰(zhàn)略徹底失效，變成了PAO——制程-架構(gòu)-優(yōu)化戰(zhàn)略之后，計劃以10nm初代的角色推出，結(jié)果10nm比PAO戰(zhàn)略的計劃還要晚，但是競爭對手的Zen和Zen+架構(gòu)開始給Intel壓力了，沒辦法，Skylake加兩個核用14nm++再頂一頂吧。這一頂就是將近兩年過去了，CannonLake也被徹底的放棄了，上面的許多優(yōu)化被Ice Lake所繼承了下來。

從整體架構(gòu)來看，IceLake在單線程性能上面繼續(xù)沖高，而測試成績也都印證了這一點：基礎(chǔ)頻率和加速頻率都比前代更低的情況下單線程成績能夠?qū)⒋蚱剑呀?jīng)很不容易了。多核的話，Ringbus極限應(yīng)該是十核左右，如果不采用Mesh架構(gòu)，那么桌面版未來的IntelIce Lake處理器還是會不敵AMD的Zen 2/3。

而在擴展性上面，Ice Lake還是比較良心的，TB3控制器的加入使得USB和TB設(shè)備不再需要擠占原本就有些不夠的PCI-E3.0總線，并且還預(yù)留了與USB4的兼容，在未來Ice Lake的優(yōu)化版或者升級版上我們有望看到正式的USB 4支持。

IceLake也會是未來一段時間中Intel主力的架構(gòu)，只不過等它來到桌面級還需要一段時間。Intel目前的產(chǎn)品線也是非常的混亂，有機會我們會單開一篇文章來捋一捋。