說起現代處理器的設計，主要有兩種常見模式，一種是優先采用多核心設計，通過多核心的方法來提高并行計算的能力，另一種就是優先高頻率，通過高頻率來直接的提高計算能力。然而我們知道，處理器頻率的提升是越往后越困難的，這個困難并不是提升頻率本身的技術方面有困難，而是提升之后產生的持續的高發熱難以解決，同時在功耗方面，在頻率超過一定的值以后，功耗會急劇的增加（這也是高發熱量的根本原因），盡管這個功耗我們可以提供，但是顯然并不值得。

當然，“優先高頻率”的模式也有曲線救國的方法，比如通過改進架構設計、采用更先進的制程技術等等，這樣就是可以在同樣時鐘頻率的情況下實現更高的計算性能，但是無論如何這些方法都比“優先采用多核心設計”的模式要復雜和困難很多，于是“優先采用多核心設計”的模式不可避免的成為簡單、取巧的解決方案。

異構設計實現全應用場景下的體驗提升

然而，對于中央處理器CPU來說，“優先采用多核心設計”的模式在根本上是有問題的，與進行圖像渲染的圖形處理器GPU不同，CPU并不是用來做特定用途的一種處理器，拿筆者很喜歡的一個例子來說就是，如果說GPU是一個很擅長做粵菜的一個粵式餐飲店，那么CPU就是一棟大酒樓，八大菜系全都要會，或許它出品的粵菜方面并不及一個專精粵菜的粵式餐飲店，但是它保證了你走進它的時候，無論提出什么要求，起碼它是能做出來這道菜的。

也就是說，CPU是用來處理復雜問題的，它涉及到的要處理的問題各種各樣，所以很多時候它并不像GPU那樣能把特定的問題分解成可以同時進行的小問題來解決。比如GPU要渲染一幅大圖像，它可以將一幅大圖像切成很多個小塊，每個計算單元負責渲染一個小塊，最終它們都渲染出來拼接好就是解決了最初的那個問題。

但是CPU要解決的問題，可能并不能分解成可以同時進行的，因為這個問題的每一步進行都需要上一步的結果，那么這種情況下，就只能通過提高頻率，或者說提高單線程計算能力來加快計算時間了，“優先采用多核心設計”的模式在這里就行不通，這也是為什么對于很多游戲應用來說，多核心性能強的處理器并不能帶來更好的體驗的原因。

那么總結一下就是，CPU作為是用來解決復雜問題的中央處理器來說，它是需要采用“優先高頻率”的設計模式才能提升它在所有應用場景下的體驗提升的，然而，“優先高頻率”的設計模式又相較于“優先采用多核心設計”的模式而言困難很多，并且在可以并行計算的應用場景（比如圖像渲染）下，“優先采用多核心設計”的模式（比如GPU）就是能實現更快的計算。

正式由于這樣的矛盾，Intel第12代酷睿處理器推出了異構設計，既沒有放棄“優先高頻率”的設計模式，用性能核（P-Core）繼續增強了單線程的計算能力，同時又加入了能效核（E-Core）的設計，讓其在可以并行計算的應用場景下，可以用多核心設計來實現更快的計算，這樣，就可以說在全應用場景下，它的使用體驗都得到了提升。

異構設計并不同于ARM架構的大小核

今天要說的另外一個重要的點是，由于此前ARM架構的大小核設計太深入人心，很多人以為Intel第12代酷睿處理器的異構設計就是把ARM架構的大小核設計搬入到X86體系中而已。

其實并不是這樣。

要說明這個問題，我們還是得再深入了解一點性能核（P-Core）和能效核（E-Core）。

性能核：相比11代IPC性能提升19%

Intel第12代酷睿處理器性能核的曾用代號是Golden Cove，是Sunny Cove與Willow Cove這條核心線路下的直系后代。

性能核旨在提高速度，突破低時延和單線程應用程序性能的限制。全新性能核微架構帶來了顯著增速同時更好地支持代碼體積較大的應用程序，與現有CPU架構相比，性能核的改動可以歸納為更寬、更深、更智能。

Golden Cove這次直接拓寬了前端，解碼長度從16字節翻倍到32字節，****由4個增至6個，每時鐘周期執行微指令從6增至8。微指令隊列每個線程從70條目增加到72條目，單線程則從70增加到144。微指令緩存從2.25K擴大到4K，增加了命中率與前端帶寬。

增強了編碼預取能力，4K指令TLB從128條目增加到256條目，2M/4M指令TLB從16條目增加到32條目，分支目標從5K增至12K，同時改進了分支預測精度，具備更智能的編碼預取機制。整數執行引擎增加了第五個通用執行端口，五個端口都有ALU和LEA單元，增加ALU數量很重要，因為ALU操作非常普遍，很多軟件都對其加以利用。

矢量執行引擎在端口1和端口5下方各加了一個FADD快速加法器，此前Intel的處理器浮點加發都是交由FMA單元處理的，在端口0和1上需要4個時鐘周期，而端口5上則要6個時鐘周期，現在交由FADD做的話只需要3個時鐘周期，效率更高而且延遲更低。FMA單元現在支持FP16浮點數據類型，它屬于AVX-512指令集的一部分，這在加速網絡應用方面非常有效。

此外端口5上還多了個AMX單元，它的全稱是Advanced Matrix Extensions高級矩形擴展，它可執行矩陣乘法運算，現在支持AVX512_VNNI的處理器每個內核每時鐘周期可執行256次int8運算，而現在借助AMX可讓這性能提升至8倍，達到每時鐘周期執行2048次int8運算，這可用于AI學習推理和訓練，讓處理器的AI性能大幅加速。

緩存系統方面，增加了一個AGU Load的端口，載入端口從2個增加到3個，吞吐量提高了50%，可同時載入3組256bit的數據或2組512bit的數據，這有效的降低了L1緩存延遲， 同時加深了載入與存儲緩存區，使其具備更強的內存并行性，對大型數據和代碼體積較大的應用程序提供更好的支持。

L1數據TLB從64條目增加到96條目，L1數據緩存可并行多獲取25%以上的未命中，數據預取器得到了增強，可面對更強的亂序執行架構，可同時服務4個page-table walks，較上代架構翻了一倍，這對現代大型、不規則數據集的工作負載更為有利。

L2緩存桌面與移動端每核心還是和Tiger Lake一樣是1.25MB，但與現在11代桌面處理器相比則是增加了150%，服務器的Sapphire Rapids則是每核心2MB，優化了全寫入預測帶寬，減少內存讀取。

Golden Cove相比目前第11代酷睿桌面處理器的Cypress Cove，在通用性能的ISO頻率下，針對大范圍的工作負載實現了平均約19%的性能提升，可以理解成IPC提升了這么多。

能效核：同頻比10代還強1%

Gracemont是Intel第12代酷睿處理器能效核的曾用代號，它是Atom處理器所用的Mont系列的第七代架構，它更追求能效，會在多線程以及線程吞吐上有所加強。此高能效x86微架構在有限的體積內實現多核任務負載，并具備寬泛的頻率范圍。它能夠通過低電壓能效核降低整體功率消耗，為更高頻率運行提供功率熱空間。這也讓能效核提升性能，以滿足更多動態任務負載。

能效核可以利用各種技術進步，在不額外增加處理器功率的情況下對工作負載進行優先級排序，并改進處理器的IPC性能。

Gracemont大幅擴大了分支預測器，現在擁有5000個條目的分支目標緩存區，實現更準確的分支預測。一級指令緩存增大到64KB，在不耗費內存子系統功率的情況下保存可用指令，它還擁有Intel的首款按需指令長度****，可生成預解碼信息，加速具有大量代碼的現代工作負載。采用兩組三寬度的簇亂序執行****，可在保持能效的同時，每時鐘周期解碼多達6條指令。

后端執行單元拓寬了，具備5組寬度分配、8組寬度引退、256個亂序窗口入口和17個執行端口，共計擁有4個整數ALU、2個載入AGU、2個存儲AGU、2個跳轉端口、2個整數存儲數據、2個浮點/矢量存儲、2個浮點/矢量堆棧、以及第3矢量ALU。

存儲系統采用了雙載入雙存儲的配置，每4個核心共享4MB二級緩存，緩存帶寬高達64 Bytes/cycle，延遲則是17時鐘周期，并支持深度緩沖、高級預取器和Intel資源調配技術。

指令集方面，支持控制流強制技術和虛擬化技術重定向保護等功能；同時它也是首款支持AVX2指令集的“Mont”核心，以及支持整數人工智能操作的新擴展。

與Skylake核心相比，能效核能夠在相同功耗下實現40%的單線程性能提升，或者只有不到40%的功耗提供相同的性能。與雙核四線程Skylake相比，四個能效核能夠在功耗更低的情況下同時帶來80%的性能提升，或者在提供相同性能的同時功耗減少80%。

P-Core性能核的目的是提升處理器的單線程性能，而E-Core效能核的目的設計目的則是用更低的功耗來提升多線程性能，根據Intel的示意圖，四個效能核加起來才等于一個性能核那么大。

在相同頻率下，P-Core的性能比10代酷睿（也就是Skylake）提升了28%，比11代酷睿提升了14%，而E-Core的性能也是要比經典的10代酷睿高1%的。可以看到，E-Core效能核的的性能并不低，這與ARM處理器的小核為了省電而幾乎放棄性能的做法是不同的，E-Core存在的首要目的并不是省電，而是為了多線程性能，在同樣的芯片面積下，將一個性能核P-Core換成四個效能核E-Core，可以極大的提升在執行并行計算時候的多線程性能。

總結

如同一個集大成者，12代酷睿的異構設計融合了“優先高頻率”和“優先采用多核心設計”這兩種現代處理器的設計模式，通過性能核（P-Core）和能效核（E-Core）的異構設計即增強了單線程的計算能力，同時又讓其在可以并行計算的應用場景下，可以用多核心設計來實現更快的計算，實現全應用場景下的體驗提升。

12代酷睿的異構設計盡管看起來有些像是ARM架構的大小核設計，實為全新的一種設計理念，能效核（E-Core）并不是如同ARM處理器中的小核那樣為了省電的目的而去設計的，而是為了增加處理器的多線程計算能力而設計的，這樣設計出來的能效核具有很小的核心面積，可以在同樣尺寸的芯片面積下實現最大化的多線程計算性能，由于最終是為了計算性能，所以每個能效核的計算能力并不差，同頻下相比10代的酷睿還有1%的性能水準提升。