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              英特爾Xe GPU架構初探

              2020-03-05MC評測室

              當英特爾在2018年宣布自己將研發高性能獨立GPU時,人們不禁紛紛猜測,在高性能獨立GPU市場上屢次折戟的英特爾,這一次是否會真的成功?除此之外,英特爾重新研發高性能獨立GPU是否還瞄準了其他的市場?在經過了一年多的等待后,英特爾在2020年的CES上公布了全新的Xe GPU,并且開始瞄準目標市場進行研究和推廣。那么英特爾的Xe GPU究竟帶來了哪些改變和新特性,又有哪些不同?


              在2018年的最后一天,英特爾宣布了自己即將在2020年回歸高性能獨立GPU市場。而在2019年年底和今年初的CES上,英特爾又先后發布了不少的消息。其中,大部分的消息來源于英特爾和美國能源部簽訂的合同,即在阿貢國家實驗室建造百億億級別超級計算機Aurora。美國能源部和阿貢國家實驗室希望開發人員能夠盡早地了解相關硬件信息,以便能夠在超級計算機搭建完成后在盡可能短的時間內開始工作,并盡可能高效率地利用算力。因此,在超級計算機尚未完成之前,英特爾就必須公開一部分研發資料和硬件信息。


              現在,英特爾公布了很多有關Xe GPU的信息,比如其研發代號,Ponte Vecchio—即維琪奧橋,這座橋梁始建于1345年,是意大利佛羅倫薩最古老的橋梁。采用這個代號的原因是英特爾Xe項目的首席架構師Raja Koduri喜歡吃這座橋附近一家冰淇淋店的冰淇淋,因此就這么簡單粗暴了。


              “老玩家”的新任務
              英特爾GPU研發歷史

              英特爾實際上是GPU業界的“老玩家”,并且是全球GPU市場占有率第一的企業。不過,英特爾這樣的業績往往來自于嵌入式和集成式圖形計算解決方案。比如目前我們所熟知的“核芯顯卡”,將GPU計算部分和CPU集成在一起并一起銷售,大幅度提高了自己產品的市場占有率。


              回顧歷史,英特爾首次開發獨立GPU的嘗試是在1998年2月12日。這一天英特爾發布了旗下首款獨立GPU產品——英特爾i740 AGP顯卡。這款產品最主要的貢獻在于推廣了AGP接口。其實際效能和功能設置則表現一般,在各項測試中都落后于市場上競爭對手的方案,比如Voodoo 2以及英偉達的RIVA TNT。1999年8月,英特爾宣布i740徹底退市。


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              ▲英特爾i740 AGP獨立顯卡


              在i740徹底下市之前,英特爾還研發了i752和i754,不過前者發布后沒多久就宣布撤回,后者甚至沒有正式發布,性能方面i752相比i740提高得很有限。隨后,英特爾宣布這兩款GPU的內核將被直接用在i810和i815的芯片組中,成為集成顯卡的核心。在2000年9月,英特爾最后一款在研的GPU架構Capitola也被宣布取消,英特爾首次GPU研發計劃徹底終止。


              英特爾第二次計劃研發高性能獨立GPU則是在2009年,這一年,英特爾宣布了新的Larrabee計劃。Larrabee的本質是基于x86架構的圖形處理器,英特爾試圖使用和英特爾CPU相同代碼路徑的寬矢量引擎來打造一款擁有高端圖形性能的GPU產品,并且這款產品還可以在標準CPU代碼中進行編程處理。在發布后不久,Larrabee就進行了一些圖形演示。


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              ▲英特爾Larrabee的早期產品圖


              不過在2010年英特爾又宣布這款產品最終不會用于民用圖形市場,而是進入了高性能計算市場。開發人員發現,英特爾Larrabee的產品可以很好地執行5組512位寬的矢量計算,這最終帶來了AVX-512指令集,這個指令集目前存在并將持續存在于英特爾的至強可擴展系列高性能處理器、部分消費級處理器中。Larrabee隨后被賦予了一個產品名,那就是“Xeon Phi”。Xeon Phi在大量的超級計算機中出現,還拿下了不少大獎。不過Xeon Phi只持續了幾代,最后一代“Knights Hill”并未實際部署就結束了整個系列的壽命。


              英特爾可能在很早之前就已經放棄了Larrabee或者類似的產品進入普通民用圖形市場。在Larrabee之后,英特爾的研發層進行了一些調整,高管們又重新拾起了對傳統類型GPU的興趣,并再次決定進入高性能獨立GPU市場。新的項目大約在三年前啟動,但是英特爾的官方消息和正式宣布日期應該是始于英特爾在2017年12月聘請AMD首席圖形設計師Raja Koduri以及著名的SoC專家Jim Keller。Raja Koduri本身的資歷極其深厚,他先后在AMD和蘋果擁有超過20年的圖形解決方案經驗,因此英特爾授予其首席架構師的職位,這也顯示了英特爾對新的高性能獨立GPU項目的重視程度。


              從2017年12月開始到現在,英特爾都在努力加強自己在GPU研發上的實力。在此期間,英特爾也動用大量手段從競爭對手AMD以及其他廠商那里廣泛挖人,僅僅AMD跳轉英特爾的高級人才就包括AMD營銷總監Chris Hook、AMD顯卡技術市場總監Damien Triolet、AMD顯卡高級市場總監Darren McPhee、AMD視覺技術副總裁/多倫多地區副總裁Ari Rauch等人,尤其是Ari Rauch還幫助英特爾建立了新的營銷數據和分析師團隊。


              終于,英特爾在2018年12月的架構日上披露,全新的GPU家族即將到來。英特爾將提供一個全新的圖形解決方案,從上到下覆蓋所有市場,不論是低功耗還是高性能平臺,甚至連集成顯卡也不會遺漏。當時英特爾表示主要有2個GPU微架構,全部基于Xe體系結構建立。Xe的意思是“每個人的eXascale(百億億級)”,英特爾希望高效能和高效率的新架構能夠滿足任何市場。


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              ▲英特爾Xe產品終于發布了,不過首先是用在HPC設備上。


              現在,英特爾進一步披露了全新架構的消息,絕大部分內容來自于英特爾、美國能源部和阿貢國家實驗室,大量的產品內容和技術消息是面向HPC也就是高性能計算的。雖然迄今為止還是不清楚英特爾在民用級別的GPU上打算如何做,但是我們可以根據現有的消息管中窺豹,對英特爾新的Xe架構和未來的GPU計劃進行一個預覽。


              Xe系列產品概述

              在HPC DevCon公開Xe相關信息之前,英特爾曾表示,旗下Xe產品即Xe架構,將從集成顯卡一直延伸至中端圖形市場、企業級圖形市場以及數據中心、AI加速、虛擬化等現在所有的主流應用場景和功能。在入門級市場也就是Xe-LP,其用戶期望性能大約能夠達到TeraFLOPS,在企業級市場也就是Xe-HP,這個性能會提升至PetaFLOPS,所有的用戶所對應的產品都會分布在這個性能差距為1000倍的區間之內。


              之前英特爾宣稱在整個范圍內會有兩個版本的Xe產品,不過新的消息顯示,Xe將有第三款產品出現,并且其名稱似乎指出了相關的定位和差異性。


              在入門級產品中,英特爾將使用Xe-LP核心,LP表示Low Power也就是低功耗。這個核心將覆蓋所有的集成圖形解決方案。英特爾宣稱Xe-LP產品的功耗定位為20W,但是這個設計是可擴展的,最多可以擴展至50W,不過在這個功耗下能耗效率會有所降低,目前暫時沒有推出50W Xe-LP產品的計劃。通過這種方式,英特爾有可能在傳統45W的高性能移動處理器中使用Xe-LP架構,并且可能出現在SoC形式的臺式機處理器中。這樣一來,Xe-LP的主要設計目標就是移動和集成核芯顯卡,并且不太可能以獨立顯卡的方式提供。


              對于中端用戶、發燒友或者數據中心,英特爾拿出的是Xe-HP核心,HP是High  Performance的意思。這個版本的核心將是英特爾獨立顯卡的基礎,能夠支持50W~250W或者更高功率的產品??紤]到獨立顯卡的重要性,英特爾不得不為這類產品提供全面的軟硬件支持,包括Day-0驅動等產品。目前英特爾尚未公布有關Xe-HP核心的消息,但是據估計英特爾應該在2020年某個時候宣布這個產品線的具體信息。


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              ▲現在英特爾為HPC市場專門定義了一個全新的Xe-HPC版本


              第三個也就是之前未公開的一個全新的產品系列:Xe-HPC,HPC是高性能計算的意思。Xe-HPC將作為Xe-LP和Xe-HP的變體,將重點放在提高原始吞吐量上,這也是高性能計算最關注的點。Xe-HPC可以從Xe-LP的最高層一直擴展至整個Xe-HP,甚至超越Xe-HP。由于使用Xe-HPC的超級計算機部署會比普通的PC或者服務器擁有更好的適配,能容納高功耗產品,因此Xe-HPC的相關功耗設定可能會高達400W甚至更高,實際上現在已經有TDP高達500W的PCIe產品出現了,因此這一點是完全可行的。


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              ▲HPC市場的Xe-HPC定位和之前的Xe-LP以及Xe-HP并不沖突


              那么英特爾Xe顯卡的具體性能到底如何?其內部設計架構與AMD、NVIDIA的顯卡有何不同呢?歡迎大家購買《微型計算機》2020年2月下刊,刊中的《重回顯卡市場,還是另有所圖?英特爾Xe GPU架構初探》將為您揭開所有答案。


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