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Intel第六代处理器Skylake完全解析:GPU篇

52RD.com 2015年9月15日 科技新报            参与:4人 我来说两句
  

  

  在上一篇当中,我们提到了Intel新处理器 Skylake 的 4 大特点,包括制程提升、支持 DDR3 与 DDR4、取消 FIVR、BCLK 独立等功能。当然这仅止于处理器层面的变化,Skylake 平台还有绘图核心的改变,以及主机板芯片组的改进。这次让我们来看看,Skylake 在绘图核心有哪些改变。

  Intel 这几年处理器的效能增长如挤牙膏般一滴滴被压榨出来,而且绝大多数的增长都是显示核心层面,而非处理器本身的运算效能提升。从 HD Graphics 时代开始,Intel 显示核心的地位逐渐提升,近几年甚至能达到中低端 NVIDIA 与 AMD 独立显卡的效能表现。

  试想,当每颗处理器都有内建不亚于低端独立显卡的显示效能,何必选择独立显卡呢?一方面可减少耗电量,再者也能释放电脑的可用空间。这次 Skylake 绘图核心主要在架构规模上提升,并且给了它个新的命名原则。

  

▲Skylake 的处理器分配如上图,最左侧即为绘图核心。

  GPU 特色 1:EU 规模暴增

  EU 是什么?EU(Eexecution Uunit) 是 Intel 绘图核心基本的运算单位,地位等同于 NVIDIA 的 CUDA Core,以及 AMD 的 ALU(Arithmetic Logic Unit)。过去在 Haswell 上使用的架构为 Gen 7.5,是将 10 个 EU、Thread Dispatch(执行绪调度器)、Sampler(采样器) 等元件,共同组成 1 组 Subslice。

  若将 2 组 Subslice、Fixed function units,加上 L3 Data Cache,就成了完整的运算单元 Slice。因此 Slice 内有 20 个 EU,这也是为什么在 Haswell 上,完整的绘图核心规格都是 20 或 40 个 EU,例如 Core i7-4770K 的 GT2 有 20 个 EU,Core i7-4770R 的 GT3e 是 40 个 EU。至于低端产品,核心架构肯定是会删减,因此只有 1 组 Subslice 构成 Slice,像是低端的绘图核心 GT1 就只有 10 个 EU。

  

▲ EU 是基本的运算单位,即便如此,内部还是有许多次层级的元件。

  Gen 9 架构换汤不换药

  Broadwell 时代进化到了 Gen 8 架构,此时 Slice 内的架构设计略有变化,每组 Subslice 内仅存 8 个 EU。你可能会问,这样效能不就更差了吗?的确,若 Slice 内仅有 2 组 Subslice 的话确实会让效能降低,但 Intel 让 Slice 内增为 3 组 Subslice,让整体的运作效率提升。

  

▲ Gen 7.5 架构内 Subslice 有 10 个 EU,后来到了 Gen 8 时期为了效率,删减为 8 个 EU。

  为何 Broadwell 重新排列组合后效率会增加?从架构图中我们可以看到,每组 Subslice 内只有 8 个 EU,也就是说每个 Thread Dispatch(执行绪调度器)、Sampler(采样器) 可以更有效率分配。而运算效能的部分,可以藉由堆叠更多的 Subslice 来达成(也就是更多的 EU),让 Broadwell 运算效能更高。因而在 Broadwell 上,看到的 EU 数量大多是 24 或 48 等等 8 的倍数。

  

▲ Gen 8 与 Gen 9 皆采用 8 个 EU 的配置,并且由增加 Subslice 的总数,来达到提升整体效能的目的。简单来说,就是靠一堆运算单位来堆出效能。

  到了 Skylake 时期,绘图核心架构被称为 Gen 8.5 或 Gen 9,从已知的架构来看,设计与 Broadwell 的 Gen 8 相同,差别仅在于显示核心内 Slice 数量最多增加到 3 组,EU 从原本的 24、48 个,增加到最多 72 个。

  

▲ Skylake 时期 Slice 内有 3 组 Subslice,每个绘图核心内又有 3 组 Slice,因此EU总计有 8x3x3=72 个。

  GPU 特色 2:型号新命名原则

  刚刚说过,EU 从原本的 24 增加到最多 72 个,因此绘图核心的型号增加最高的 GT4 等级,再往下依序是 GT3、GT2、GT1。当然这是给厂商以及内部使用的型号,对消费者 Intel 仍保留了 Iris Pro、Iris、HD Graphics 等品牌行销代号。

  且为了精简型号代码,型号从原本的 4 码变更为3码,像是 Iris 540、HD Graphics 515 等型号。你可以从型号中得知绘图效能高低,Iris Pro 优于 Iris 优于 HD Graphics。内建 72 个 EU 最高级的 GT4e 就是 Iris Pro,48 个 EU 的 GT3 与 GT3e 就是 Iris,再往下就是 HD Graphics。

  重生的 GPU 效能

  过往 Intel 的绘图效能都只有被嘲笑的份,但从 HD Graphics 时代开始已经有明显的进步,到了近几年,Iris 系列更是能与中低端独立显示卡抗衡。内建就能有不错的效能,何必多花钱买独立显卡。但仍有许多消费者认为独立显示芯片还是比较好,这造成了部分笔电上,搭配的独立显示芯片,竟然比内建的 Intel 显示效能还要差的怪现象。目前最高级的 Iris Pro,也就是 GT4e 等级,约莫等同 GTX 740、HD 7750。

  

▲ Skylake 基本的 Gen 9 架构配置如上,可视情况再增加 Slice 以提升效能。

  GPU 特色 3:eDRAM 运作改变

  eDRAM 是 Haswell 开始搭载的硬件设计,简单来说它的作用为 L4 Cache。会增加这功能,主要是因为 IGP(整合型绘图芯片) 经常面临内存频宽不足的问题,Intel 提供的解决方式就是在处理器内,有个独立的内存区块也就是 eDRAM,时脉最高 1.6GHz。

  之所以位于独立区块,原因是这区块制程不同于其他区域,且独立的好处是能随市场增加或减少内存容量,操作弹性较高。有意思的是,这 eDRAM 并非完全隶属于 GPU,而是可随状况动态调整支持 CPU(处理核心) 或 GPU(绘图核心)。这意味着,当安装独显的时候,eDRAM 就会完全替 CPU 工作,因为此时 GPU 是关闭的。

  在Skylake时期,绘图核心可与处理核心共用 LLC(L3快取),但跟 Haswell 时期相比,差异在于 eDRAM 运作方式改变。现在 eDRAM 控制器位于 System Agent,此时 LLC 能空出 512KB 的空间,让 eDRAM 被视为 LLC 与系统主内存之间的快取机制。

  然而,并非所有 Skylake 处理器都有 eDRAM 设计,像是 Core i7-6700K 就没有 eDRAM。一般而言 eDRAM 容量约 64 至 128MB 不等,最高时脉 1.6GHz,读写的汇流排采分离设计,各有 32byte 的传输量。

  

▲eDRAM 可动态服务 CPU 或 GPU,但并非所有产品都有配制 eDARM。

  GPU 特色 4:设计小改效率提升

  虽说 Gen 9 跟 Gen 8 的架构设计大同小异,但深层仍有些变动,在此一并解说差异。基本的运算单位 EU,现在可将当下执行的执行绪中断,改执行其他执行绪,也就是 EU 可支持多工的运作。此外,支持列表还有 round-robin,以及执行途中不中断的 32bit 浮点数原子式操作。

  先前说过 LLC 空出多余的空间,这让 Shared Virtual Memory 的写入效能提升。材质样本现在可支持 NV12 YUV 格式。

  此外,单一 Slice 内 L3 Cache 容量从先前的 384 至 576KB,增加到 768KB。并有共享内存,用以存放各 EU 间互通的资料。Skylake 的绘图核心靠的是 Graphics Technology Interface 与其他硬件沟通,它位于架构图最底下的位置,即为绘图核心的沟通界面,意义上与 LLC 连接。

  Gen 9 架构的规格、效能,大多与 Gen 8 相同,但靠着比较多的 EU 总数,效能面还是可以胜过自家前代产品。且靠着已经成熟的 Slice 架构配置,可增减需要的 Subslice 数量,藉此作出产品区隔与效能差异。

  

▲ 中央橘黄色即为 Intel 这几年很重视的 Ring,用以连接处理器内各原件的资讯,简单来看可视为资料的交换、传输管道。

  靠堆量取胜的小改款

  整体而言,Skylake 的绘图核心设计与 Haswell 相比变化不大,这让我们看到了当年 AMD 与 NVIDIA 的影子。靠着堆叠与切割运算单位,藉此达到效能增减的效果。以 Intel 目前的架构规模来说,这方式仍可运作一段时间,但仍有几点值得关注。

  第一,绘图核心规模增加后,是否会影响到处理核心原本的表现,像是 TDP 的问题。其二,处理器内,能够容纳的绘图核心有多大的区块,虽然制程精进电晶体密度更高,但总会有物理极限的问题,以及 Die 可用面积有限。

  Skylake 的 Gen 9 架构,没带给我们太多的惊喜,但效能差距摆在眼前,对于消费者来说,关心的永远不会是架构上的改变。而是效能增加的多少,价格又便宜了多少。以这点来说,Skylake 应该还算相当成功的产品。

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