CPU處理器性能到底過剩了沒有?這個問題爭論了很多年了。

曾經,不少人覺得日常上上網、看看視頻、打打游戲,CPU性能早就夠用了,四核甚至雙核OK——現在回頭來看,這種想法是錯誤的,需求一直在變,CPU性能也需要一直跟著提升,遠遠沒有到盡頭。

CPU性能遠沒有過剩:頻率、IPC雙管齊下

做為PC電腦的性能基礎,CPU幾乎影響所有應用的性能表現。現在需要PC的場景越來越多,哪怕是辦公上網,大家也要開很多網頁,掛著微信、QQ,編輯著Word、Excel或者PPT,如果是玩游戲,那在加上光追特效、直播、音視頻聊天,一般CPU早就撐不住了。

如果是內容創作等生產力應用,比如PS、視頻編輯、動畫渲染之類的,那CPU性能要求就更高了。

所以說,CPU性能過剩論可以停了,現在大家希望的是CPU不斷提升性能,這又得從兩方面來看——大家都知道CPU性能=IPCx頻率,所以要從頻率及IPC兩方面著手。

CPU頻率上,Intel這兩年進步很多,最新的10代、11代酷睿處理器已經將頻率推向了5．3GHz,但是壞消息就是CPU頻率提升越來越難,而且還會帶來功耗、發熱增加的負面影響,預計會在5GHz左右徘徊一段時間了。

CPU頻率不能大幅提升,那就要看IPC性能了,它指的是Instruction per Clock(每周期指令數)——在同樣的時間內完成的指令計算越多,IPC就越強,CPU性能也會越高。

頻率與IPC的關系就像是汽車拉貨——速度快的汽車相當于頻率高,單位時間內可以多跑幾趟,而IPC相當于拉貨能力,有的小車只能裝載一兩噸貨,換個大點的車(IPC強)就可以一次拉上三五噸,CPU整體性能就這么提升了。

解決CPU性能,頻率與IPC最好的方式是雙管齊下,而IPC又跟CPU架構息息相關,提高IPC得看新架構升級。

2年升級三代架構 Intel處理器IPC三級跳

為了提升CPU性能,Intel這兩年開掛一般升級,除了將CPU頻率提升到5．3GHz之外,IPC方面也靠著2年升級三代架構實現了越級,今年下半年還會有12代酷睿Alder Lake問世,性能再上一個臺階。

Intel此前使用多年的內核架構Skylake在10代酷睿開始放棄,Intel推出了新一代的CPU路線圖,其中酷睿系列的主要是Sunny Cove、Willow Cove、Golden Cove,每一代內核架構的升級重點都不同。

全新架構打頭陣的是Sunny Cove,也是針對10nm工藝重點優化的CPU架構,首發于IceLake10代酷睿處理器上,其主要設計目標是通過改進架構來提升大量應用的性能及能效,幾乎所有應用中都有明顯的性能提升,重點就是ST單線程性能。

為了提高IPC性能,Sunny Cove內核的內部設計相比Skylake有很大不同,各部分的配置“更寬,更深,更多“,比如L1數據緩存提升50%、L2緩存翻倍,執行端口從8個增加到10個等等。

在通用性能上,Sunny Cove能夠減少延遲、提高吞吐量、提升并行計算能力,改善游戲、多媒體、數據等相關應用體驗。

除此之外,Sunny Cove還針對特殊應用做了強化,涉及人工智能/機器學習、加解密、壓縮/解壓、通信/網絡、通用SIMD(單指令多數據流)/矢量處理、特殊SIMD/矢量處理、多線程與多代理處理等等。

其中的代表就是AES加密解密性能,在Sunny Cove架構的10代酷睿處理器上,7-Zip的性能可提升75%,效果非常明顯。

10nm Sunny Cove架構是近年來Intel架構改進最大的一次,所以它在性能上的提升非常明顯,在同樣的15W功耗下,IceLake處理器的ST單線程性能相比Skylake提升了30-40%以上。

綜合大量應用來算,Sunny Cove架構的IPC性能少則提升10%左右,多則提升40%,平均下來提升18%,這可是Intel酷睿處理器最近10年來提升最明顯的一次。

IceLake處理器之后,Intel又在11代酷睿、代號Tiger Lake的處理器上升級了Willow Cove微架構,工藝也升級到了10nm SuperFin,優化版的10nm工藝提升了能效,將CPU頻率提升20%,移動處理器也能輕松達到4．8GHz。

在IPC性能上,Willow Cove架構在Sunny Cove上繼續改進,重點緩存系統,L2緩存從512KB提升到1．25MB,L3緩存從8MB提升到12MB,同時還增加了一些新指令集,比如CET、AMX、AVX512矢量指令等等。

值得一提的是,此前的Sunny Cove、Wollow Cove核心都是首發在移動處理器上的,今年3月份Intel推出了11代酷睿桌面版Rocket Lake-S系列,它使用的是Cypress Cove架構,這個內核不在路線圖上,應該是基于Suuny Cove或者Willow Cove的,移植到桌面處理器上。

Cypress Cove架構的IPC提升了19%,幅度比Sunny Cove的18%略高。

在Intel的CPU路線圖中,最值得期待的還有Golden Cove,它會用于下半年的12代酷睿Alder Lake處理器,目前還沒發布,所以具體信息欠奉。

但從之前的消息來看,Golden Cove架構又是一次重點改進,它會再次提升ST單線程性能及AI性能,改進網絡及5G性能,同時提升安全性。

Golden Cove還會使用大小核架構,與高效能核心Gracemont搭配,桌面版可以輕松做到16核24線程——大核Golden Cove支持HT超線程,小核不支持,所以是24線程。

其他方面,Golden Cove的IO系統也會全面升級,支持DDR5內存,頻率可達DDR5-6400,還有PCIe 5．0首發,這也會提升Golden Cove的性能。

綜合來看,相比Sunny Cove架構提升了18%的IPC性能,Golden Cove這一代有望提升更多,50%的IPC性能提升是可以期待的。

總的來說,從2019年到2021年,Intel加快了處理器的升級換代,2年時間就要推出三代架構,IPC性能也猶如做了火箭一樣躥升,今年下半年的Golden Cove非常值得期待。