深入Tremont內(nèi)部英特爾全新Atom微架構(gòu)解讀

張平

英特爾Atom是面向嵌入式、超低功耗、超輕薄以及網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的處理器產(chǎn)品。自從2011年發(fā)布以來，Atom就以超低功耗和獨(dú)特的功能特性得到了市場的青睞，并已經(jīng)發(fā)展成為繼酷睿處理器產(chǎn)品后英特爾旗下又一大處理器家族。相比酷睿處理器架構(gòu)不斷更新和發(fā)展的狀況，Atom系列產(chǎn)品由于面向的市場對性能沒有那么敏感，因此架構(gòu)進(jìn)步不算太塊。隨著英特爾的工藝發(fā)展至10nm時(shí)代，Atom處理器家族終于迎來了全新的架構(gòu)和產(chǎn)品代號，那就是Lakefield產(chǎn)品和對應(yīng)的Tremont架構(gòu)。今天本文就和大家一起來了解---F這兩款全新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。

英特爾在近期的新聞發(fā)布會中更新了旗TAtom處理器的架構(gòu)路線圖。在現(xiàn)有的G0ldmont Plus之后，分別～Tremont、Gracemont和Future Mont三代產(chǎn)品。其中代號為Tremont的全新超低功耗處理器架構(gòu)將在2019年正式發(fā)布，采用10nm工藝制造。不僅如此，這款架構(gòu)還將搭配英特爾稱作“Foveros”的3D堆疊封裝技術(shù)，和Core架構(gòu)的核心一起形成大小核搭配的Lakefiled處理器。近期，英特爾又公布了更多有關(guān)Tremont架構(gòu)的信息。

Atom處理器發(fā)展回顧

英特爾的Atom處理器和相關(guān)產(chǎn)品面向諸多市場，包括嵌入式平臺、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、智能手機(jī)、平板電腦、NAs、控制中心甚至部分定制工業(yè)產(chǎn)品等。從2011年開始，Atom相關(guān)產(chǎn)品先后使用了saItwell、silvermont、Airmont、Goldmont、GoIdmont Plus;五代架構(gòu)，前兩代采用的工藝是32n m和22nm，后面三代都采用14nm，主要原因是英特爾10nm工藝的嚴(yán)重延期。

在發(fā)展過程中，Atom處理器在所有的產(chǎn)品領(lǐng)域其實(shí)存在著一定程度的重疊。一般來說，同一個(gè)系列會采用相同的內(nèi)核，并且由于Atom全部采用的soc設(shè)計(jì)方案，因此在不同的市場中規(guī)格相同的產(chǎn)品有可能會以不同的型號出現(xiàn)。另外，面向手機(jī)的Atom處理器在2016年后就不再推出了，面向平板電腦的產(chǎn)品也不再更新。未來在Tremont架構(gòu)對應(yīng)的LakefiIed產(chǎn)品發(fā)布后，Atom將可能重新回到平板電腦、上網(wǎng)本等產(chǎn)品中。

另外值得注意的變化是，隨著英特爾將酷睿微架構(gòu)的核心功耗范圍從每核心1.5W擴(kuò)展到每核心20W，Atom在將再更多的市場中展示自己的能力。Atom的面積相比Core等大核心而言小很多，并且功耗也低很多，其可量化的性能函數(shù)低于core架構(gòu)，因此能夠在更低性能需求的場合下帶來更好的性能和功耗表現(xiàn)。借助新的Tremont架構(gòu)，英特爾可以結(jié)合Atom和Core的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更寬廣的性能、功耗輸出。3 O%性能提升——Tremont的設(shè)計(jì)目標(biāo)

對于cPu的設(shè)計(jì)而言，早期的重點(diǎn)話題都是處理器的性能，對功耗的關(guān)注反而很少。發(fā)展至今天，設(shè)備的續(xù)航時(shí)間和功耗效率等有關(guān)功耗的話題已經(jīng)成為了諸如電池供電設(shè)備中最常被提到的話題。性能和電源是處理器的一體兩面，在設(shè)計(jì)中需要很好地平衡二者的關(guān)系。目前一些處理器公司嚴(yán)格控制功耗和性能的比值，他們只允許功率和性能以相同的百分比增強(qiáng)，或者性能，功率的比最多是2：1。

在英特爾的有關(guān)資料中，有趣的是，他們明確表示Tremont是在考慮性能的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，其目的是比上一代處理器架構(gòu)大幅度提高原始時(shí)鐘下處理器的吞吐能力。根據(jù)英特爾自己的指標(biāo)也就是SPEc來看，英特爾宣稱Tremont的性能相比Goldmont PIus平均提高了30%。

值得注意的是，這樣的數(shù)據(jù)來自于較為早期的Tremont設(shè)計(jì)方案，應(yīng)該代表最小的性能提升幅度。英特爾給出的性能提升示意圖顯示，三個(gè)sPEc項(xiàng)目得到了65%以上的性能提升，有關(guān)這三個(gè)項(xiàng)目，英特爾沒有給出詳細(xì)信息，也沒有告知有關(guān)編譯代碼的相關(guān)內(nèi)容，據(jù)估計(jì)有可能是libquantum、lbm等相關(guān)測試。不過，英特爾宣稱這項(xiàng)測試中Tremont和Goldmont Plus上使用了相同的編譯文件。有關(guān)最終數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式，英特爾沒有說明他們是否進(jìn)行過數(shù)據(jù)處理，比如是否根據(jù)處理器的頻率調(diào)整了性能，或者給出的是每頻率性能等。因此這份數(shù)據(jù)的參考意義有限，僅能從表面上進(jìn)行分析。

當(dāng)然，即使大量的數(shù)據(jù)和內(nèi)容沒有給出，但是僅僅從處理器代際更迭的角度來看，30%的性能提升都是相當(dāng)夸張的。但是就這么認(rèn)為Tremont是成功的還為時(shí)尚早。因?yàn)槌宋⒓軜?gòu)的進(jìn)步和10nm制程外，還有一些其他因素影響到整個(gè)處理器的設(shè)計(jì)比如功耗表現(xiàn)更為寬泛、芯片面積更大等等。為此，英特爾沒有給出詳細(xì)的功耗設(shè)計(jì)區(qū)間和其他信息，只是公布了Lakefiled處理器，它擁有1個(gè)Core大核心、4個(gè)Tremont小核心，并且將其和傳統(tǒng)Atom 7w處理器進(jìn)行了比較。

這樣一來，將14nm的GoIdmontPIus（標(biāo)準(zhǔn)的14nm工藝，并非14nm+或者14nm++）和10nm的Tremont進(jìn)行比較將變得困難。因?yàn)轵?qū)動Tremont提升性能的因素很多。當(dāng)然，從架構(gòu)角度來分析這個(gè)問題也是一個(gè)很重要的方面，接下來我們將從架構(gòu)部分對Tremont進(jìn)行分析。

更大的前端和緩存設(shè)計(jì)

對于一直關(guān)注core微體系架構(gòu)的讀者而言，應(yīng)該對英特爾core微體系架構(gòu)不斷擴(kuò)大的規(guī)模和微架構(gòu)結(jié)構(gòu)有所印象。更大的架構(gòu)規(guī)模意味著有更多的指令正在運(yùn)行，與之匹配的則是更大的緩存、更大的緩沖區(qū)、更大的TLB、更多的執(zhí)行端口和更多的指令及支持。當(dāng)然，一味地做大架構(gòu)也并不能帶來最好的結(jié)果，整個(gè)處理器架構(gòu)還必須做到智能化設(shè)計(jì)擁有可以最大限度調(diào)用內(nèi)部資源的能力。因?yàn)閮H僅擴(kuò)展架構(gòu)對一些簡單的指令集來說是毫無意義的。

在Tremont上，整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分在于擴(kuò)大架構(gòu)規(guī)模。但是英特爾采用了兩個(gè)不同的步驟和方法來精確管控處理器內(nèi)部的計(jì)算過程。

關(guān)鍵提升之一：指令預(yù)取和分支預(yù)測

Atom處理器在微架構(gòu)上的一個(gè)主要飛躍就是預(yù)取器和分支預(yù)測器。不過在Tremont上，英特爾放棄了之前Atom處理器微架構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)，而是將最新的大核心sunny Cove架構(gòu)上的預(yù)取器和分支預(yù)測器移植到了Tremont上。當(dāng)然，英特爾也表示，出于芯片面積和功耗方面的考慮，兩者在設(shè)計(jì)上還是存在一定差異的，但是其原理相似，并且分支預(yù)測歷史記錄表等元素和核心設(shè)計(jì)處于同一順序。另外，英特爾聲稱u預(yù)測沒有帶來性能懲罰，而L2預(yù)測的懲罰比之前幾代要小。

關(guān)鍵提升之二：解碼引擎大變革

從表面上看，Tremont包合了一個(gè)6寬度也就是6-wide的解碼引擎和一個(gè)4寬度的分配和調(diào)度引擎。這種設(shè)計(jì)其實(shí)很奇怪，因?yàn)橐话銇砜?，我們希望解碼引擎和調(diào)度引擎的寬度基本相等，或者調(diào)度引擎寬度比解碼引擎大，以確保重排序緩沖區(qū)由于等待過久而溢出。在sunny Cove的微架構(gòu)中，英特爾設(shè)計(jì)了4至06寬度的解碼引擎，支持微操作緩存，指令會隨后進(jìn)入大型的重排序緩沖區(qū)，并且向后端的10寬度調(diào)度部分進(jìn)行分發(fā)。在這里，Tremont和Sunny Cove的比例完全相反。

那么實(shí)施情況是怎樣的呢？實(shí)際ATremont中的6-wide解碼引擎并不是一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，它采用了2個(gè)3-wide的解碼引擎并發(fā)而來。這意味著，每個(gè)解碼引擎在處理不同的分支預(yù)測時(shí)，都可以采用單獨(dú)的指令流，在這種情況下，與單獨(dú)的6-wide解碼引擎相比，2個(gè)3-wide的解碼引擎的平均利用率更高。當(dāng)不存在分支預(yù)測時(shí)，可以對其中一個(gè)（一組）解碼引擎進(jìn)行時(shí)鐘門控操作以節(jié)省功耗。對于單個(gè)指令流而言，Tremont實(shí)際上只是3-wide解碼，4-wide的調(diào)度。

英特爾隨后也說明，在技術(shù)上，他們可以通過更新微碼將解碼引擎更改為一個(gè)6-wide整體，而不再是2個(gè)3-wide的設(shè)計(jì)。這種更改將不會出現(xiàn)在OEM自選的功能中，但是根據(jù)英特爾的具體要求，這種設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的用戶的需求進(jìn)行更改。

另一個(gè)需要特別指出的是，Tremont沒有微操作緩存。英特爾對此的解釋是，微操作緩存可以更好地利用寬解碼的設(shè)計(jì)方案，但是在Tremont上，每個(gè)解碼引擎的寬度都不大，通過使用這種雙引擎的設(shè)計(jì)，實(shí)際上帶來了性能的提升并節(jié)省了芯片面積。英特爾沒有明確指出哪一個(gè)方案的最終實(shí)現(xiàn)效果更出色，但是考慮到Atorrl產(chǎn)品的功耗范圍和Atom內(nèi)核的典型指令流程，現(xiàn)有的方案應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)性能、功耗和面積的最優(yōu)組合。

在解碼引擎之后，英特爾在Tremont上做出的另一個(gè)改進(jìn)是重新排序緩沖區(qū)。Tremont的緩沖區(qū)被設(shè)計(jì)為支持208條指令而之前的Goldmont只有78條，加強(qiáng)版Goldmont PIuS則提升至了95條。相比而言，Tremont帶來了一個(gè)巨大的提升。另外，英特爾沒有說明Tremont是否有能力將指令融合至ROB的微操作中（Goldmont沒有這個(gè)設(shè)計(jì)）。在實(shí)際的微操作處理中，指令采用的是1：1奇偶校驗(yàn)。緩存設(shè)計(jì)：更大、更寬

Tremont的緩存設(shè)計(jì)變化比較大。英特爾增加了Tremont的u緩存容量，目前的u指令緩存設(shè)計(jì)了32KB容量、8路關(guān)聯(lián)。u數(shù)據(jù)緩存方面，Atom之前的幾個(gè)版本都采用的是24KB容量、6路關(guān)聯(lián)的方案，在Tremont上，它被提升至32KB容量和8路關(guān)聯(lián)，這使～Tremont的u數(shù)據(jù)緩存和LI指令緩存的容量、關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)完全一樣，延遲方面，Tremont的L1數(shù)據(jù)緩存延遲為3個(gè)周期。相比之下，大核心的core微架構(gòu)體系中Skylake的數(shù)據(jù)緩存為32KB、延遲為4個(gè)周期，sunny Cove的數(shù)據(jù)緩存為48KB，延遲為5個(gè)周期。

L2緩存方面，對于之前的Atom處理器而言，這實(shí)際上是系統(tǒng)模塊中為所有內(nèi)核劃分的最后一級緩存，其容量和設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)模塊的要求。在之前的22nm silvermont中，每核心采用了512KB的方案，在Goldmont中，每核心增加至1MB。對于Tremont，英特爾稱L2緩存容量會因產(chǎn)品而異，從每個(gè)模塊1.5MB到4.5MB均可。Tremont的一個(gè)模塊最多可以包含4個(gè)內(nèi)核，因此有可能出現(xiàn)4.5MB每核心的L2緩存方案，或者1.5MB 4個(gè)核心的L2緩存方案。在一個(gè)模塊中，所有內(nèi)核都可以訪問緩存，但是不可以訪問其他模塊的L2緩存。英特爾能夠通過微碼將L2重置為包合式或者非包含式緩存。

英特爾表示，Tremont的L2緩存平均具有17個(gè)周期的延遲。關(guān)聯(lián)性方面則取決于容量，1.5MB的L2緩存將擁有12路關(guān)聯(lián)，4.5MB則擁有18路關(guān)聯(lián)，相應(yīng)的，可以推測出3MB L2設(shè)計(jì)可能擁有15路關(guān)聯(lián)。

Tremont還增加了對跨模塊的全局L3緩存的支持，L2和L3緩存都能支持Qos，從而允許為特定線程或者虛擬機(jī)確定數(shù)據(jù)優(yōu)先級，并增加執(zhí)行內(nèi)存帶寬。值得一提的是，英特爾在Broadwell Xeon上引入的這項(xiàng)技術(shù)可以避免數(shù)據(jù)中心的多核心處理器的某個(gè)核心受到其他核心帶來的數(shù)據(jù)訪問和優(yōu)先級排序干擾等問題。

更寬的后端設(shè)計(jì)

Tremont在后端設(shè)計(jì)上頗為激進(jìn)，擁有8個(gè)執(zhí)行端口和7個(gè)數(shù)據(jù)保留單元（reservation station）。Tremont的地址生成單元也就是2個(gè)AGu占用了組合數(shù)據(jù)保留單元，同時(shí)也為處于排隊(duì)中的微碼操作提供額外的存儲空間。這樣做的原因是由于2個(gè)AG u提供了2x16字節(jié)的存儲空間，或者2x16的負(fù)載空間，或者每次使用其中的一個(gè)。英特爾顯然希望Tremont的AGu單元更為活躍一些。相比之下，在sunny Cove這類大核心設(shè)計(jì)中，所有的整數(shù)和浮點(diǎn)都使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)保留單元，AGu則獨(dú)占3個(gè)。

在整數(shù)性能方面，除了兩個(gè)AGu外，Tremont還擁有3個(gè)ALU，一個(gè)跳轉(zhuǎn)端口和一個(gè)存儲數(shù)據(jù)端口。每個(gè)ALu支持不同的功能，其中一個(gè)啟用位移功能，另一個(gè)則支持乘法和除法。與Core微架構(gòu)的執(zhí)行單元相比，Tremont的ALu相對更為輕巧一些，不過英特爾在此處沒有更多說明。

在浮點(diǎn)端，Tremon伎持三個(gè)不同的端口，其中2個(gè)ALU，1個(gè)存儲端口。2個(gè)ALu鐘的一個(gè)支持FADD也就是融合加法，另一個(gè)支持FMuL也就是融合乘法和除法。兩種ALu都支持具有4個(gè)周期延遲的128位SIMD和128位AES，以及4個(gè)周期的單個(gè)指令sHA 256。但是并不支持256位向量計(jì)算。另外，Tremont還支持GFNI指令這可以幫助一些特殊的計(jì)算。

在TLB方面，Tremont支持一個(gè)更大的1024條目的L2 TLB緩存，支持1024x4K條目、32x2M條目或者8xlG條目。相比之前的Goldmont，Tremont在這方面做出了很大的提升。

其他方面

英特爾本次公開的內(nèi)容主要是關(guān)于Tremont的微體系架構(gòu)，其他一些信息包括SoC以及Lakefiled等都沒有給出太多具體的內(nèi)容。此外，英特爾也沒有提到有關(guān)lTremont的GPU支持。不過英特爾還是提到Tremont將是第一個(gè)完全支持Speed shift/ACPI的Atom微架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更決的高頻率操作。

在加密和安全性能方面，Tremont支持全面內(nèi)存加密，能夠有效地防止物理攻擊。另外還能夠支持Rooted Secure Boot和Boot Guard等功能。對之前英特爾爆出的“幽靈”漏洞等問題，英特爾宣稱Tremont和CascadeLake具有相同的保護(hù)級別。

功耗方面，目前消息不多。不過有消息稱在具有4個(gè)Tremon骸心的模塊中，所有的核心都可以共享相同的頻率，不過每個(gè)核可以進(jìn)入獨(dú)立的C狀態(tài)以減少不使用時(shí)的功耗。

寫在最后

隨著英特爾將core微架構(gòu)的實(shí)際功耗降低至1.5W，Tremont架構(gòu)的Atom處理器將如何在傳統(tǒng)的2mw到2w范圍內(nèi)發(fā)揮自己的作用將變得很有趣。目前，也有一些聲音在討論Tremont將如何和ARM Cortex-A76或者高通的Kryo核心競爭。當(dāng)然，Tremont所擁有的x86優(yōu)勢是無可動搖的。

另一個(gè)問題則是目前英特爾的產(chǎn)能問題。目前英特爾的產(chǎn)品需求主要集中在14nm工藝上，在10nm階段只有部分移動處理器上市，隨后的10nm+階段Tremont、Lakefield以及SnowRidge都將現(xiàn)身。不過目前沒有消息給出10nm和10nm+之間的差異，以及英特爾是否會再次遭工藝問題。英特爾首發(fā)支持10nm+的處理器是Ice Lake，這款產(chǎn)品將在今年用在高端筆記本電腦中，搭載了Tremont的Lakefield已經(jīng)宣布將用于surface Neo?，F(xiàn)在還不清楚Surface Neo的銷量。另外，之前英特爾將Atom架構(gòu)的產(chǎn)品規(guī)劃進(jìn)入了Pentium和Celeron處理器陣列，但實(shí)際表現(xiàn)并不出色。綜合這些因素，我們有可能很難在下一代除了Atom之外的消費(fèi)級處理器上看到Tremont架構(gòu)的使用70

未來，我們還將進(jìn)一步跟蹤Tremont的相關(guān)情況，包括產(chǎn)品型號、規(guī)格和性能等，對此有興趣的讀者不妨留意。