掀起圖形和企業(yè)級(jí)計(jì)算市場(chǎng)的新一輪革命　再談?dòng)⑻貭?021年架構(gòu)日

徐昌宇

在上一期文章中，我們介紹了有關(guān)英特爾2021年架構(gòu)日發(fā)布的產(chǎn)品中兩款全新的處理器微架構(gòu)、Alder Lake以及有關(guān)線程調(diào)度器的內(nèi)容。除此之外，英特爾還帶來了新的GPU產(chǎn)品、AMX以及Sapphire Rapids等產(chǎn)品和技術(shù)。接下來，我們就針對(duì)這部分內(nèi)容繼續(xù)進(jìn)行深度解讀。

搶占圖形市場(chǎng)至高地位英特爾Xe-HPG架構(gòu)預(yù)覽

在英特爾Xe架構(gòu)中，面向中高端GPU市場(chǎng)的產(chǎn)品一直猶抱琵琶半遮面。本次架構(gòu)日發(fā)布會(huì)上，英特爾終于給出面向消費(fèi)者市場(chǎng)的Xe-HPG架構(gòu)的部分信息。

從第9代核芯顯卡到第11代核芯顯卡，再到新的Xe-LP核芯顯卡，在保持功耗不變的情況下，英特爾使得這三代產(chǎn)品的性能逐代翻倍。接下來，英特爾將進(jìn)一步把Xe架構(gòu)使用在更高端的產(chǎn)品上，比如今天的主角：Xe-HPG。

英特爾在2021年8月17日就已經(jīng)宣布其GPU產(chǎn)品的英文名、中文名以及架構(gòu)代號(hào)。英特爾的GPU產(chǎn)品正式名稱是英特爾銳炫，英文名稱是Intel ARC。第一代GPU的架構(gòu)代號(hào)為Alchemist也就是“煉金術(shù)師”，后三代產(chǎn)品的架構(gòu)代號(hào)分別是“Battlemage”（戰(zhàn)斗法師）“Celestial”（天人）和“Druid”（德魯伊），全部采用魔幻故事中存在的人物或者職業(yè)名稱。

英特爾認(rèn)為目前GPU的研發(fā)工作需要“軟件優(yōu)先”，要面對(duì)幾十億、上百億晶體管的協(xié)同工作并能夠適應(yīng)各種場(chǎng)合、應(yīng)用的需求，軟件成為整個(gè)開發(fā)的核心，軟件對(duì)應(yīng)的就是需求，這是硬件需要滿足的內(nèi)容。在這種情況下，英特爾進(jìn)行了重大的代碼重構(gòu)，全面優(yōu)化了獨(dú)立顯卡產(chǎn)品的本地內(nèi)存使用率，針對(duì)圖形編譯器、內(nèi)存管理、DDI線程、命令解碼、提交以及GPU配置文件等都進(jìn)行了優(yōu)化和更新。其變化包括將游戲加載時(shí)間縮短最多25%，將CPU密集型游戲的吞吐量提高多達(dá)18%等，這些改善意味著英特爾在編譯器操作上更為聰明，比如消除冗余編譯以及線程調(diào)度方面進(jìn)行優(yōu)化等。在API方面，新GPU支持包括DirectX 12、Vulkan這類最先進(jìn)的API（沒有提到OpenGL），另外還支持包括UE系列、Unity系列在內(nèi)的主流游戲引擎。用戶體驗(yàn)方面，英特爾希望帶給用戶的體驗(yàn)包括平滑流暢的游戲、實(shí)時(shí)的游戲串流、更為現(xiàn)代化的用戶界面以及可調(diào)節(jié)的|生能（超頻體驗(yàn)）等。

XeSS：英特GPU產(chǎn)品的性能倍增器

在GPU產(chǎn)品發(fā)布之前，英特爾首先宣布了一個(gè)重大創(chuàng)新，那就是全新的XeSS，全稱是Xe Super Sampling，也就是Xe超級(jí)采樣。英特爾將其看作一種在較少的性能損耗下就能實(shí)現(xiàn)4K級(jí)別乃至更高分辨率高質(zhì)量畫質(zhì)輸出的重要技術(shù)。英特爾在發(fā)布會(huì)上演示了多個(gè)DEMO，并且宣布在8月底就可以提交初版的XeSS給游戲開發(fā)商進(jìn)行游戲植入和優(yōu)化。

英特爾用了一張圖來描述XeSS的工作過程。一般來說，類似的技術(shù)比如英偉達(dá)的DLSS或者AMD FSR都是根據(jù)較低分辨率渲染的畫面（比如1080p）的信息，進(jìn)行放大、優(yōu)化后，將其擴(kuò)大為較高的分辨率然后進(jìn)行輸出。這個(gè)過程中，各廠商在具體如何放大和優(yōu)化畫面的技術(shù)上存在一些差異。比如英偉達(dá)的第一代DLSS在放大畫面后可以主動(dòng)尋找邊緣并進(jìn)行一定程度的銳化，而第二代DLSS采用像素對(duì)比或者前后幀對(duì)比進(jìn)行更精細(xì)、準(zhǔn)確的優(yōu)化。

XeSS和第二代DLSS接近，也是利用空間數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù)來進(jìn)行組合并形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從而提升游戲分辨率?？臻g數(shù)據(jù)就是相鄰像素之間的差異，時(shí)間數(shù)據(jù)則是指前一幀畫面和后一幀畫面之間的差異。通過這些差異，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以確定放大后的畫面哪些地方需要進(jìn)一步加強(qiáng)，最終合成一個(gè)比較合理的放大畫面。英特爾展示了XeSS的部分運(yùn)行畫面，實(shí)際效果還是不錯(cuò)的。當(dāng)然，這只是一些演示DEMO，在真正的游戲環(huán)境中，面對(duì)干差萬別的游戲場(chǎng)景，XeSS可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，比如模糊、閃爍、重疊或者錯(cuò)誤的加強(qiáng)等，這還需要英特爾花費(fèi)更多的精力進(jìn)行優(yōu)化。

由于XeSS的計(jì)算涉及到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所以會(huì)調(diào)用XMX矩陣數(shù)學(xué)單元進(jìn)行處理。這個(gè)單元也是本次發(fā)布會(huì)中首次出現(xiàn)的Xe-HPG中存在的重要模塊。顯然，英特爾正在將更多矩陣數(shù)學(xué)的相關(guān)硬件單元加入CPU或者GPU中，尤其是后者能夠使得XeSS這類技術(shù)迅速完成處理，從而帶來極小的幀時(shí)間開銷。不僅如此，英特爾還在進(jìn)一步努力，希望開發(fā)一種不需要矩陣數(shù)學(xué)硬件的XeSS版本，也就是XeSS DP4a。XeSS DP4a使用4元素矢量點(diǎn)積進(jìn)行處理，其計(jì)算規(guī)模和難度都小了很多，幾乎所有的GPU都支持DP4a類型的計(jì)算，包括英偉達(dá)和AMD的產(chǎn)品，但計(jì)算精度或者計(jì)算速度相比專門的矩陣數(shù)學(xué)存在一定差距。

英特爾在XeSS上的策略類似AMD和英偉達(dá)的結(jié)合，比如AMD的開放策略可能類似XeSS DP4a的部分，也就是所有產(chǎn)品包括競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品都可以使用。而更好效果（或者更少性能損失）的部分則屬于XMX專屬（類似于英偉達(dá)的DLSS），也就是英特爾Xe-HPG GPU專屬的。在理想的狀態(tài)下，英特爾在XeSS上的“DP4a+XMX”策略具備更好的兼容性，大幅節(jié)約了游戲人員的開發(fā)工作，可以更廣泛地吸引游戲人員選擇。英特爾還宣布，未來將對(duì)XeSS徹底開源，如果英特爾最終提供了一個(gè)效果和性能兼具的XeSS完成版本并將其開源的話，這對(duì)英偉達(dá)和AMD來說是一個(gè)非常不好的消息。

從現(xiàn)場(chǎng)展示的DEMO來看，XeSS具備了將畫面從1080p分辨率升級(jí)至4K的能力，4K畫面和真4K畫面非常接近，1080p分辨率下模糊的一些紋理細(xì)節(jié)都得以呈現(xiàn)。一種可能是，英特爾XeSS并非只是簡(jiǎn)單放大畫面，而是采用了類似LOD技術(shù)之類的手段來處理一些敏感的紋理部位以獲取更好的圖像質(zhì)量，這顯示XeSS已經(jīng)相當(dāng)成熟了。然而，英特爾在這里沒有給出任何幀數(shù)方面的對(duì)比以及更多復(fù)雜場(chǎng)景的對(duì)比，比如樹林、斜面紋理、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景、復(fù)雜陰影等。

實(shí)際上英特爾這么著急開發(fā)XeSS這樣的技術(shù)有2個(gè)重要的原因：一方面是類似DLSS、FSR、XeSS這樣的技術(shù)的確是性能倍增器，可以在畫質(zhì)損失很?。ɑ蛘邲]有損失）的前提下提供大幅度的性能提升，尤其是在4K顯示器顯著增長(zhǎng)的今天，這項(xiàng)技術(shù)能夠帶給用戶最實(shí)際也是真正可用的4K游戲體驗(yàn)，這將極大提高對(duì)應(yīng)GPU產(chǎn)品的市場(chǎng)號(hào)召力。另一方面則是目前GPU的性能嚴(yán)重不足，尤其是在光線追蹤時(shí)代來臨后，幾乎無限的計(jì)算需求面臨有限的計(jì)算資源，使得人們不得不采用這種手段來繞開性能瓶頸。所以，之前一段時(shí)間有部分玩家甚至媒體人員宣稱的所謂GPU性能過剩論是完全錯(cuò)誤的，包括所謂CPU性能過剩論，其實(shí)在現(xiàn)代計(jì)算尤其是人們需要的更高精度、更智能的計(jì)算面前都非常荒謬。所謂過剩，只是當(dāng)前設(shè)備無法達(dá)到下一個(gè)階段的計(jì)算需求從而表現(xiàn)出來的無力感。