在近日舉辦的架構日活動上，英特爾罕見地公布了未來多年的CPU、GPU架構路線圖，以及一系列相關技術、戰略規劃，讓人大飽眼福，其中新的CPU架構是很多人非常關心的亮點。本文收集了一些資料，為大家盡量通俗地做一些簡單解讀。

2019-2021年三年間，英特爾將每年推出一代高性能酷睿（Core）架構（當然也會用于至強），同時在2019-2023年間，將推出三代低功耗凌動（Atom）架構，重點當然是前者啦。

2019年的高性能新架構是“Sunny Cove”（陽光海灣），CPU大幅升級的同時集成第11代核芯顯卡，采用10nm工藝制造，桌面端處理器代號“Ice Lake”，這也將是英特爾第一個規模量產的10nm產品。

2020年是“Willow Cove”（柳樹海灣），幾乎肯定還是10nm工藝，但應該會像14nm+、14nm++那樣優化改進，2021年則是“Golden Cove”（金色海灣），不知道能不能用上7nm。

對于Willow Cove、Golden Cove，英特爾只是簡單提及了一些主要特性，而對于近在眼前的Sunny Cove，英特爾則是毫不吝嗇地公布了不少架構技術細節。

首先說，這應該是英特爾歷史上第一次在新品發布之前N個月，就大方地公布路線圖和技術細節，再加上將會第一次大規模應用10nm新工藝，因此10nm Sunny Cove一經宣布，就吸引行業乃至普通用戶的廣泛關注。

而每當一代新的CPU架構公布時，了解它的原理、它的變革都讓人很興奮，英特爾這一次提前公布一系列猛料也值得鼓掌，值得細細品味。

但略有遺憾的是，英特爾目前給出的信息還不完整，主要只是介紹了Sunny Cove架構的后端設計細節，不涉及指令分派、指令隊列等前端部分。

Sunny Cove的架構更新可以分為兩部分，一是通用目的性能提升，二是特定目的性能提升。

通用目的性能的提升，就是通過架構增強，改進大量應用的性能和能效，幾乎所有人在日常使用中都能體驗到，其本質上就是原始IPC（每時鐘周期指令數）吞吐量的變化，或者運行頻率的提高。

無論什么工藝節點，只要這兩點有一個提升，整體性能就會隨之上升，至少在涉及計算的方面會有直接體現。

頻率通常取決于工藝和優化，IPC則可以來自更寬、更深、更智能的內核，或者專業點說分別就是每個時鐘周期執行更多指令、每時鐘周期更多并行、通過前端更好地傳輸數據。

而特定目的性能的提升，是針對特定使用場景、算法進行架構上的擴展，包括新的指令集、新的軟件編譯器/庫等。

這種變化只有在專門的場合才能體會到，比如說英特爾宣傳Sunny Cove架構通過新加入的指令集，可以讓7-Zip軟件的壓縮解壓性能提升多達75％，就是一個典型例子，只有用這款軟件或者針對其他針對相應指令優化的軟件，才能獲得如此明顯的提升。

特殊目的性能提升雖然應用范圍有限，但是只要給它發揮的空間，效果就是極為顯著的，幅度遠超通用性能提升。

Sunny Cove也在這方面做了大量的改進，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。

如果你有這些方面的應用，Sunny Cove帶來的變化會非常可觀。

上邊說的都是一些大的應用范圍，具體到每個領域還有更確切的應用場景，新指令的引入可以大大加速特定計算任務的執行。隨著AVX-512指令單元的加入，Sunny Cove為大數運算增加了IFMA（帶符號熔加算法），也可用于加解密。

同時還有矢量AES加密（支持更多AES指令并行執行）、矢量乘（Vector Carryless Multiply）、伽羅瓦域（Galois Field）、SHA/SHA-NI安全算法等，其中不少都是密碼學的一些基本元素。

在緩存方面，Sunny Cove后端擁有48KB一級數據緩存，比現在的32KB增加了50％。一般來說，緩存的非命中率和容量增加幅度的平方根成反比，也就是說Sunny Cove的一級數據緩存命中錯誤率將會降低22％。

Sunny Cove的二級緩存也更大了，但具體容量暫未披露。目前酷睿是每核心256KB二級緩存，至強則是1MB。

另外，微操作（uOp）緩存也比現在的2048-entry設計要更大，只不過具體數字暫時也沒有公開。

二級TLB同樣增大到未知數，這有助于機器歷史地址轉換。通常情況下，需要保持和存儲更多輪詢的時候才會這么做，這意味著英特爾已經發現，在部分應用環境中，最近的機器地址還沒有用上就被收回了。

這張圖顯示了更多變化，包括執行端口從8個增至10個，可以讓調度器一次釋放更多指令，其中端口4、端口9連接著循環數據存儲，帶寬加倍，AGU（地址生成單元）存儲能力加倍，更大的一級指令緩存也在其中起到了一定作用。

之前的Skylake架構上存在一個瓶頸，當全部三個AGU嘗試存儲的時候，帶寬就會明顯不足，每個時鐘周期只能執行一個。

載入性能不變，而寬度調度從4個增至5個，這意味著記錄緩沖區的分派每時鐘周期可以命中5個指令，但是實際效果如何仍有待觀察。

Sunny Cove、Skylake架構的執行端口發生了根本性的變化。

可以看到，英特爾為核心的整數部分配備了更多LEA（有效地址載入）單元，用來進行內存尋址計算，可能在需要頻繁內存計算的情況下，通過安全更新來緩解性能損失，或者通過恒定的偏移，有助于高性能陣列代碼。

MUL（乘法）單元從Skylake的端口5轉移到了端口1，可能是出于平衡設計的目的，同時還增加了一個iDIV整數除法單元。

這個變化并不大，10nm Cannon Lake也有一個64位的IDIV，可以將64位證書出發從97個時鐘周期（混合指令）降低到18個，Sunny Cove可能也與之類似。

INT整數運算方面，Skylake端口5的乘法單元變成了MulHi單元，但在新架構中的具體作用尚不明晰。

FP浮點運算方面，Sunny Cove增加了重排資源，因為英特爾收到客戶反饋，希望能消除代碼中的瓶頸。

英特爾沒有具體說明核心浮點部分FMA（熔加運算）單元的功能，但我們知道，核心內有一個AVX-512指令單元，所以至少會有一個FMA單元會與之交互。

Cannon Lake架構只有一個512位FMA單元，很可能延續到了這里，在至強上可能會有兩個。

為了更明晰地對比Skylake、Sunny Cove的后端執行資源變化，外媒AnandTech還做了個對比表格如下：

英特爾列出的其他內核改進還有：分支預測器改進、有效載入延遲降低（得益于TLB/L1D）等等，但是英特爾也承認，這些改進不會讓每個人獲益，需要新的算法在特定代碼中使用。

另外，Sunny Cove還支持更大的內存，主內存分頁表現在是5層設計（之前是4層），支持的線性尋址空間達到57位，物理尋址空間則是52位。

這意味著，至強服務器平臺理論上每顆處理器可以搭配最多4TB內存，而現在Skylake-SP架構的可擴展至強只有1.5TB，AMD霄龍也不過2TB。

事實上，Sunny Cove是自從AMD 2003年引入x86-64 64位架構以來，第一個對x64虛擬內存尋址做出重大變革的架構。

這十幾年來，雖然虛擬內存尋址都支持64位，但實際上只有前48位有用，后邊的16位只是前邊簡單的拷貝而已，這就將虛擬尋址空間限制在256TB。

這些虛擬內存通過分頁表映射到物理內存，使得物理內存內存尋址也被限制在48位，導致整個系統的最大物理內存不能超過256TB。

現在，Sunny Cove將有效的虛擬內存尋址擴展到了57位，物理尋址則是最多52位，結果就是虛擬內存、物理內存最多分別可以支持到128PB、4PB。

根據英特爾之前給出的路線圖，Ice Lake-SP家族的新一代至強將在2020年上市，屆時內存擴展能力將得到前所未有的提升。

順帶說，在安全方面，Sunny Cove支持多密鑰全內存加密、用戶模式指令預防。

至于Sunny Cove前端部分的變化，我們期待英特爾公布更多信息。

陽光海灣充滿意境：雖然此圖中的天空不算很Sunny，但的確Cove很美