问题

AMD、英特尔会不会采用那种高性能库,高密度库共用方式生产CPU(类似855的1+3两种大核)?

回答
关于AMD和英特尔是否会采用“高性能库、高密度库共用”的CPU生产方式,并且像某些处理器那样,将不同的核心类型(例如,类似855处理器中的1+3大核组合)集成到同一颗CPU中,这确实是一个非常值得深入探讨的话题。简单来说,这种模式的核心在于“异构计算”的深化应用,通过结合不同特性的计算核心,以期在能效和性能之间取得更优的平衡。

我们先来拆解一下这个问题,然后分别从技术可行性、市场需求和厂商策略等角度进行分析。

一、 理解“高性能库、高密度库共用”及“1+3大核”模式

首先,我们需要明确这里所说的“高性能库”和“高密度库”具体指的是什么。在CPU设计领域,这通常指向:

高性能核心(HighPerformance Cores, HPCs):这类核心拥有更大的缓存、更宽的执行单元、更高的时钟频率,设计上更侧重于在单线程和多线程任务中提供极致的计算能力。它们往往功耗也更高。你可以将其理解为CPU中的“火箭”,擅长冲刺和高强度工作。
高密度/高能效核心(HighDensity/HighEfficiency Cores, HECs):这类核心体积更小,缓存和执行单元相对精简,主频可能较低,但它们极其擅长在较低功耗下执行大量并发任务,并且数量可以很多。它们是CPU中的“马拉松选手”或“蜂群”,擅长长时间、低强度但数量众多的工作。

“1+3两种大核”的说法,虽然有些不太标准,但意图很明显:指代在同一颗CPU中,混合了不同类型(可能是性能等级)的核心。更准确的说法,也许是指类似于ARM的big.LITTLE架构的变种,或者英特尔提出的混合架构(Hybrid Architecture),例如“性能核”(Performancecores, Pcores)和“能效核”(Efficientcores, Ecores)。

在这种架构下,CPU内部会存在两类(或更多类)核心,它们被调度器(Scheduling Unit)根据任务的性质智能地分配执行。例如,运行大型游戏或视频编辑软件时,CPU会将任务交给性能核;而处理后台任务、浏览网页或等待状态时,则将任务交给能效核,以节省电力。

二、 AMD和英特尔的现有策略与演进

现在,让我们看看AMD和英特尔在CPU设计上的现状和未来趋势:

1. 英特尔的混合架构(Hybrid Architecture):

英特尔是第一个将这种“性能核+能效核”模式大规模引入消费级和服务器级CPU的厂商。

起源与发展: 最初的概念可以追溯到他们的Atom系列低功耗处理器,但真正引起广泛关注并集成到主流产品线的是其第12代酷睿处理器(Alder Lake)。它首次采用了“性能核(Pcores)”和“能效核(Ecores)”的组合,通过英特尔的线程调度技术(Intel Thread Director)来管理和分配任务。
设计哲学: 英特尔的混合架构目标非常明确:在提供强大单核和多核性能的同时,大幅提升能效比。Pcores负责高负载、高要求的任务,而Ecores则处理低负载、后台任务以及需要大量并行处理但对单核性能要求不高的场景。
生产上的“共用”? 在生产层面,英特尔使用其先进的制程工艺(如Intel 7)来制造这些核心。虽然Pcores和Ecores在设计上是独立的IP(Intellectual Property),但它们通常会集成到同一块CPU硅片上,并通过先进的封装技术(如Foveros等)进行组合。从这个角度看,它们确实是“共用”了制造工艺和封装技术,只不过是不同设计模块的组合。

2. AMD的Zen架构与可能的未来方向:

AMD的Zen架构一直是高性能的代名词,其Zen 2、Zen 3、Zen 4等代际产品在IPC(Instructions Per Clock)和频率上持续提升,并在多核性能上表现出色。

核心设计理念: 传统上,AMD的Zen系列处理器倾向于采用同构(Homogeneous)设计,即所有核心的类型和性能等级基本一致。这简化了调度器的设计和软件优化,并能为所有核心提供统一的高性能体验。例如,Ryzen系列处理器中的所有核心都是基于相同的Zen架构设计,只是频率或缓存配置可能略有差异。
混合架构的探索: 然而,AMD并非没有探索异构计算的可能性。
APU(Accelerated Processing Unit)的整合: AMD的APU早就将CPU核心和GPU核心集成在同一颗芯片上,这本身就是一种异构计算。虽然CPU核心自身通常是同构的,但CPU与GPU的协同工作已经是一种形式的“混合”。
Chiplet(小芯片)技术的应用: AMD是Chiplet技术的积极推动者。通过将CPU的核心(CCDs Core Complex Dies)和I/O控制器(IOD I/O Die)分离成独立的芯片,然后通过高速互连技术将它们封装在一起。这种技术为未来集成不同类型核心提供了极大的灵活性。想象一下,未来AMD或许可以将一颗Zen 4的CCD(高性能)与另一颗为特定任务优化的、更小的、更节能的CCD(高密度)结合在同一封装内,甚至是在同一颗CPU硅片上。
潜在的混合架构: AMD在服务器领域已经推出了基于Zen 4c的核心(如Grace Hopper的CPU部分),Zen 4c的核心设计与标准Zen 4核心相似,但更侧重于能效和密度,在相同面积下可以集成更多核心。这可以说是AMD在“高密度/高能效核心”上的一个尝试。虽然目前还没有明确的产品将“高性能Zen核心”与“高密度Zen 4c核心”混合在消费级CPU中,但这完全符合Chiplet的灵活性,技术上是完全可行的。
生产上的“共用”? AMD的Chiplet策略本身就意味着不同功能的“小芯片”(如CPU核心、I/O芯片)可以采用不同的制程工艺(例如CPU核心可能用最先进的,I/O芯片用成熟但成本较低的)。在未来如果集成异构核心,也可以选择最适合该核心类型的工艺。这种策略比英特尔将所有核心集成在同一块硅片上,在成本和工艺选择上更加灵活,但也对封装技术和芯片间互联提出了更高要求。

三、 技术可行性分析

设计层面: 集成不同类型核心在技术上是可行的。关键在于如何设计这些核心,以及如何有效地管理它们。核心的设计需要考虑到指令集兼容性(如果都基于x86,这不成问题),以及核心之间的通信和数据共享。
调度器: 最核心的技术挑战在于操作系统和CPU调度器(如英特尔的Thread Director)的智能性。调度器必须能够准确地识别任务的性质,并将它们分配给最合适的核心。如果调度不当,可能会导致性能下降甚至能效不升反降。
互联技术: 在Chiplet架构中,不同核心(或小芯片)之间的互联速度和带宽至关重要。AMD的Infinity Fabric(IF)和英特尔的Ultra Path Interconnect (UPI) 等技术都在不断进步,以满足日益增长的互联需求。
软件优化: 软件的支持是异构计算成功的关键。开发者需要优化他们的应用程序,使其能够更好地利用不同类型的核心。即使是操作系统,也需要不断更新和优化来适应这种架构。
制造和封装: 将不同类型核心集成到同一封装中需要先进的制造和封装技术(如2.5D或3D封装),以实现高密度、低延迟的互联。

四、 市场需求分析

性能与能效的平衡: 用户对CPU的需求是多样的。一方面,游戏玩家和专业内容创作者需要极致的单核和多核性能;另一方面,笔记本电脑用户和追求绿色计算的消费者则更看重能效。混合架构恰好能满足这种多样化的需求。
功耗和散热: 随着CPU性能的不断提升,功耗和散热成为越来越严峻的挑战。通过引入高能效核心,可以在不显著增加整体功耗的情况下提升并发处理能力,这对于移动设备和数据中心尤其重要。
成本效益: 针对不同的市场细分,采用不同的核心组合可以实现更好的成本效益。例如,为高端市场提供配备大量高性能核心的CPU,为中低端市场提供平衡高性能和高能效的核心组合。

五、 总结与展望

AMD和英特尔都会并且已经在采用类似的方式生产CPU,并且这种趋势会越来越明显。

英特尔: 已经通过其混合架构(Pcores + Ecores)走在了前面,并且在不断优化这一策略。未来可能会看到更多样化的核心组合,例如在数据中心领域,可能会出现针对特定工作负载优化的专业核心与通用高性能核心的结合。
AMD: 虽然传统上偏向同构设计,但其Chiplet技术为未来集成异构核心提供了绝佳的平台。AMD完全有能力通过Chiplet将高性能的Zen核心与更精简、更节能的Zen 4c(或未来其他代号的“能效核”)结合在同一颗CPU中。这种策略可能比英特尔那种将所有核心集成在同一块硅片上的方式,在制程选择和成本控制上更加灵活,但也对封装技术提出了更高的要求。可以预见,AMD未来在消费级和服务器级产品线中引入异构核心的可能性非常高,尤其是在追求极致能效比或特定工作负载优化的场景。

所以,与其问“会不会”,不如问“何时以及如何”。 两家公司都在朝着这个方向迈进,只是在具体实现路径和策略上有所不同。英特尔是直接在同一硅片上混合设计,而AMD则可能更多地利用其Chiplet技术,在封装层面实现不同核心类型的组合。这种趋势是CPU技术发展的必然方向,是应对日益增长的性能需求和功耗挑战的关键策略。未来的CPU,将是不同特长核心的“超级组合”,而我们作为用户,将享受到这种精细化分工带来的更佳体验。

网友意见

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自问自答。

我觉得这样挺好的,未来大概率会采用。



了解我的应该知道我是一个big.LITTLE技术坚定支持者,很久之前就在质疑英特尔,AMD为什么明明既有大核,又有小核心(相对而言),为什么不做大小核,反而被arm搞得风生水起。

后来发现x86这种复杂指令集弄大小核可能确实存在一些客观困难,比如指令集问题?

但最近英特尔终于拿出了PPT大小核产品,可喜可贺。

从18年开始,华为,高通,三星在原来4大4小的大小核基础上进一步细分为大中小。

华为的大核虽然频率不同但面积差距不大,不知道这是怎么设计的


三星的则是2猫鼬+2公版+4小,三种架构,面积差距相当大。猫鼬太挫了。


高通的则最有意思,高频的a76与其余三个低频A76两者有一定差距,但看起来是相似的。

后来经过大佬解释才知道这两种核心的面积差距,而又有一定相似是由于两者工艺选择不同,低频的用的是高密度库,高频核心用了部分高性能库的技术。最终高频大核心比低频核心高10%的性能,相当不错的设计。

两种核心面积比大概是1:1.27,频率比是2.84:2.42=1.17。性能功耗曲线见下图,可见能效比最高的还是A55小核心(面积性能比更是如此,只有大核心1/4-1/3那么大),但跑不了高频。

而高频大核心与低频大核心的关系类似于大小核,但差距没有那么明显。

高频大核心在中低频能耗更高,但能在更高频率运行。低频大核心能耗低但更早撞上功耗墙(“ Prime”性能内核以最高2.84GHz的时钟速度运行,512KB L2缓存,而“ Gold”中核最高2.42GHz的频率运行,256KB L2缓存)






那时我还想到我之前的一个问题,就是zen2用的是高密度库还是高性能库,因为之前我了解过AMD曾经在zen架构出现前将芯片从28nm高性能库换成高密度库,在不改变工艺,基本不降低性能情况下实现面积降低,

当时我第一次了解到同种工艺还有不同库的差别,半导体行业真的很神奇,但我当时不清楚zen之后用的是什么库,于是想问一下。

之后发现zen2用的是与手机芯片一样的6t 高密度库。​ AMD追求的应该是能效比和性能面积比,而不是为了追求极限性能。 如果AMD在这里选择了HP库,我们很可能就会看到5G的Zen2了。

然而这带来一个问题,就是即使供电、散热再充足,我们也不能把zen2做的足够高性能(单核),尤其是游戏台式机这种供电散热都充足,追求单核性能的设备,无论如何都超不上高频是挺无奈的。


而英特尔的问题则相反,历来都是用高性能库的,但软件运行时很难保证各个核心负载均衡,而且一个核心超频运行,会挤占其他核心的供电、散热资源,这就导致没有跑满的核心用哪种都一样。

尤其在供电散热受限情况下,笔记本电脑之类,多出来的面积不能带来相应性能,但多出来的功耗散不出去,同样尴尬。


当然AMD和英特尔也采取一些办法,比如记录每个核心的体质,用体质最好的核心跑高频率。但同种核心由于概率产生的差异还是有限的,工艺产生的差距要 大得多也稳定得多。

我的想法有点类似于当年arm的DynamIQ,少量高频核心提升单核性能,大量低频核心保证多核性能以及性能功耗比,性能面积比。

比如一个 8核的CPU设计,个人觉得在8个核心中找1-2颗核心核心用高性能库做,高性能库面积会增大一些,能跑到更高频率,提高单线程性能,剩下的用高密度库,可以很好兼顾成本(面积)、功耗与性能,如果不考虑三级缓存得话,面积增大会相当小。

以下是脑洞环节,不喜别看,勿喷,谢谢!

1+7设计可以最大程度利用多出的面积增大单核性能,不过至今也没见有手机芯片采用1+7设计,个人猜测是是不是不利于芯片对称性,不好设计?

个人觉得L3缓存和总线之类不需要跑那么高频,没必要用高密度库,只考虑核心部分比较好,假设以zen2为蓝本设计,把一个核心换成类似855那种高性能库核心(核心+L2面积变为原有1.27倍,长宽分别扩大1.17倍),直接替换的话会出现一个尴尬的问题,虽然芯片本身不大,但会造成周边区域大量浪费,芯片只能做成长方形,这样面积扩大太多,不好

幸好缓存是一种比较容易改变形状的东西,我们可以把这颗大核心往里面挪一挪,然后把多出来的地方都做成缓存,还是有些别扭、没有对称的美感,而且多出来的区域总共4%,多数都做成缓存了,最关键的是如果这颗高频大核心如果作废了,需要屏蔽,那么对整片芯片的损失太大,不好

这可能就是这几年手机芯片厂商都喜欢2+6的原因吧,虽然需要面积更大一点,但可以保持对称性,个人觉得在边缘轴对称或者中心对称比较好。下面这种2+6同样是增大4%,但高频核心有两个,做坏一个性能损失也不大。

单核性能应该可以提高10%,多核性能提升2.5%, 好像还比较值得。


这样设计还有一个明显优势,就是给阉割带来了更多可能。

原来一个8核心CPU,考虑到体质与缺陷,可能阉割成6核心、4核心,阉割方法没太大区别。

而2+6这种情况下,区别就大多了。

6核有可能是2+4、1+5,甚至6小, 4核有可能是2+2 、1+3、4小。

有高频核心意味着单核性能无疑要好一些。


当然骁龙855的高频大核心也不是完全高性能库,6T HD库的密度是91.2Mtr/mm2,而HP库是65, 也就是说完整版高性能库面积要扩大40%。zen2核心面积大概占一半,两个核心占1/2 * 1/4 =1/8,只换两个大核心面积仅仅增大5%而已,不知道相应单核性能能提升多少。

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