如果你關(guān)注過英特爾Atom家族演進(jìn)歷史的話，你就會發(fā)現(xiàn)英特爾對其微架構(gòu)不斷創(chuàng)新，從45nm推進(jìn)到32nm制程工藝。但其內(nèi)核代碼 為Saltwell、制程為32nm架構(gòu)平臺沿用了此前的Bonnell設(shè)計——仍然采用順序執(zhí)行，也就是采用犧牲性能來獲得低功耗的優(yōu)勢。

英特爾Atom產(chǎn)品路線圖

而如今，Silvermont微架構(gòu)摒棄了過去的做法，采用亂序執(zhí)行體系，在不犧牲性能的基礎(chǔ)上同時確保低功耗。英特爾對此新架構(gòu)信心滿滿，“能夠做任何事”，并承諾每年對其進(jìn)行更新(通過英特爾制造工藝優(yōu)勢，在22nm基礎(chǔ)上提升至14nm Airmont并不斷推進(jìn)。)

Silvermont微架構(gòu)新特性

其實我們可以將英特爾此次微架構(gòu)升級看做是對Atom在以下三大領(lǐng)域的創(chuàng)新：性能提升;大幅降低能耗;處理器技術(shù)的優(yōu)化。相比傳統(tǒng)的性能提高能耗降低，此次架構(gòu)升級并不具有排斥性通過犧牲某些功能或者性能來滿足其他需求。接下來，我們將全方面為大家介紹Silvermont微架構(gòu)以及其能耗管理、發(fā)展展望等。

剛才我們提到，Silvermont采用了亂序執(zhí)行引擎，能夠在Saltwell的基礎(chǔ)上獲得更大的性能提升(Saltwell目前的設(shè)計在其他SoC市場上仍具有強(qiáng)大競爭力)。此外，英特爾將繼續(xù)采用宏操作以更有效地處理某些x86指令集。

Saltwell流水線示意圖

32nm的Saltwell流水線分為16個周期，由于它采用的是順序執(zhí)行，即使某些宏操作不需要訪問緩存也需要逐一經(jīng)歷這些周期。因此，分支流水線就會浪費13個周期。而在Silvermont架構(gòu)下，宏操作可以繞過這些不必要的訪問和執(zhí)行階段，因此分支流水線只需要經(jīng)歷10個周期。

Silvermont流水線示意圖

在Silvermont架構(gòu)中其每個內(nèi)核都得到改進(jìn)，包括更大的分支預(yù)測、改進(jìn)的執(zhí)行單元和更大的緩存支持。Silvermont進(jìn)一步減少時延、提高吞吐量。采用了革命性的3-D三柵極晶體管的英特爾22納米系統(tǒng)芯片制程進(jìn)行了設(shè)計與共同優(yōu)化。全新的IA指令和技術(shù)提高了性能、虛擬化和安全管理能力，能夠為更加廣泛的產(chǎn)品提供支持。

Silvermont Atom架構(gòu)圖

對于Atom來說其首批產(chǎn)品采用的是單核心設(shè)計。但沒多久英特爾發(fā)布45nm的Atom就采用了雙核心設(shè)計。而此次發(fā)布的Silvermont可擴(kuò)展最多至八個內(nèi)核。

L2高速緩存對于內(nèi)核性能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，低延遲、高帶寬。英特爾沒有采用在多個內(nèi)核上共享L2緩存的做法，而是改為使用模塊的設(shè)計理念。也就是每個模塊都包括一對內(nèi)核和1MB的L2緩存(前一代產(chǎn)品為每核心512KB的L2緩存)。每個核心、L2緩存和內(nèi)核緩存之間的接口都由電源接口控制。這樣設(shè)計可以實現(xiàn)每個模塊中不同內(nèi)核分別以不同頻率運行。

Silvermont模塊化設(shè)計示意圖

模塊之間的通信采取點對點獨立的讀寫通道，完全取代了前端總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而在Nehalem和Westmere英特爾將IDI視作其模塊化通信的關(guān)鍵，這也是此次新架構(gòu)與以往不同的地方。

Silvermont架構(gòu)新特點

與此同時，英特爾也優(yōu)化了單線程性能，從原來的基礎(chǔ)上新增了兼容ISA的指令集架構(gòu)。SSE4.1, SSE4.2和POPCNT(整數(shù)寄存器)。另外，AES-NI加速和安全密鑰(包括RDRAND指令和數(shù)字隨機(jī)數(shù)發(fā)生器)也被添加進(jìn)來。

Nehalem處理器上采用的VT-X以支持虛擬化加速的第二代技術(shù)，也被引入Silvermont架構(gòu)，同時也支持虛擬處理器ID以及不受限制的訪問(允許KVM客戶端訪問分頁和未分頁模式代碼)。

為了最大化提高32nm制程設(shè)計的Saltwell的時鐘頻率，英特爾在可用熱功耗設(shè)計范圍內(nèi)采用了P狀態(tài)智能調(diào)節(jié)的技術(shù)。也就是類似于根據(jù)熱、功率和電能等測量值進(jìn)行睿頻加速。相比提升性能更為重要的是，還可以應(yīng)對突發(fā)情況。

在移動設(shè)備領(lǐng)域，由于采用的架構(gòu)和工藝不同，移動端的芯片往往都是“開足馬力”、“油門踩到底”的全速運行，直到設(shè)備死機(jī)、重啟，然后周而復(fù)始。對此，英特爾此次推出的Silvermont架構(gòu)將從根本上改變這種現(xiàn)狀，在設(shè)備出現(xiàn)這些問題之前就通過智能調(diào)節(jié)主頻來避免問題的發(fā)生。

不同能耗管理對比

SoC片上系統(tǒng)的電能可以在內(nèi)核和晶圓上的其他IP(Intellectual Property)之間共享，當(dāng)然也包括第三方的IP。下面的圖片展示了內(nèi)核可共用電源，內(nèi)核也可以從GPU臨時調(diào)用，也就說內(nèi)核可以動態(tài)隨需擴(kuò)展性能。這種設(shè)計理念來自睿頻加速，但采取的算法和執(zhí)行機(jī)制并不相同。

不同電能狀態(tài)下的內(nèi)核、IP模塊工作機(jī)制示意圖

從上面介紹的我們不難看出，英特爾已經(jīng)實現(xiàn)了很多在企業(yè)級平臺才有的根據(jù)電能狀態(tài)調(diào)整模塊運行的功能。Silvermont基于模塊化設(shè)計，子狀態(tài)能夠支持基于策略的軟件控制(L2緩存)。

能耗與性能

基于每個內(nèi)核和模塊化設(shè)計對于Atom來說又邁出了一大步。由于Atom是SoC(并不是單個處理器)，英特爾可以充分利用多個版本的22nm新品來最大化提升性能、提高計算密度。因此，英特爾芯片優(yōu)勢、架構(gòu)優(yōu)勢和系統(tǒng)優(yōu)化會帶來功耗的控制問題。也就是英特爾提出的“寬動態(tài)”運行。

采用Silvermont平臺與其他平臺平板電腦功耗性能對比

長期以來，英特爾在移動端的表現(xiàn)往往受制于高能耗而失去大片江山。但此次新推出的Silvermont微架構(gòu)，增進(jìn)了在更廣范圍動態(tài)內(nèi)對性能和能效進(jìn)行無縫升降的支持，可以更好地滿足從智能手機(jī)到數(shù)據(jù)中心等細(xì)分市場對于低功耗的要求。

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