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為什麽電腦 CPU 不像手機 SoC 那樣設計成大小核?

2018-10-09數碼

對於許多手機玩家來說,「大小核」這個詞顯然不會感到陌生。作為智能電話處理器多核時代可能是最為重要的技術突破之一,「大小核(Big-Little)」設計透過將多個高效能、高成本、高發熱的大核心,與多個低功耗、低成本、低發熱的小核心相互組合,按需排程的方式,成功的兼顧了現代智能電話所需的峰值效能以及日常省電表現。但是大家有想過,如果「大小核」設計來到PC上,會是一幅怎樣的景象嗎?

2019年10月,微軟一口氣公布了多款具有劃時代意義的全新Surface產品線,其中一台名為「Surface Neo」的平板電腦產品可以說是成為了全場的焦點。這不僅僅因為它是史上第一款采用雙屏設計的Surface器材,也不僅僅因為它執行的是全新的Windows 10X系統,更因為它所使用的硬件方案,是業界首款采用「大小核」CPU設計的PC處理器——采用1大4小5核心5執行緒設計的Intel Core i5-L16G7。

是的,PC CPU的「大小核」時代快要來了

根據Intel官方產品庫(Intel ARK)公布的資訊顯示,Core i5-L16G7屬於全新的「Lakefield」家族。它的CPU部份采用了一顆Sunny Cove大核心(和IceLake近似)和四顆Tremont小核心(此前用在伺服器級別的Atom P5000系列上),主頻為1.40GHz至3GHz。

而在GPU部份,Core i5-L16G7搭配的則是和IceLake同款的Gen11 64EU核顯,只不過為了省電,將GPU執行頻率大幅降低,整個處理器的SDP(場景設計功耗,Scenario Design Power)也由此控制在了僅有7W的水準。

看到這可能有的朋友會覺得,Lakefield處理器固然CPU架構特別,但它畢竟是一款為極低功耗作特化設計的型號,並不具備代表性。

從短期來看此話不假,因為我們熟悉的Core i9-10900K與Ryzen9 3950X等本世代PC高效能處理器,采用的還是多個架構、頻率都相同的大核心設計。但是如果我們將目光稍微放長遠一點點,就會發現事情已經發生了一些變化。

2020年8月初,一份關於Intel第12代酷睿處理器家族AlderLake詳細規格的文件遭到披露,其中清楚的顯示,AlderLake系列中除了極少數型號之外,絕大多數SKU的CPU部份均由「Golden Cove」新架構大核心與「Gracemont」新架構小核心共同組成「big·SAMLL」的大小核設計。其中既有8大核8小核的旗艦型號,也會有2大核8小核的入門款「十核」。

AMD的大小核專利圖

不僅如此,就在幾天後,AMD的一份專利資訊也被曝光,顯示它們同樣也在研究「大小核」CPU設計方案。而且在這份專利中還明確提到了大小核之間轉移任務時,需要判斷當前行程是否分別相容大核與小核的指令集。而這則基本上明示了AMD的「大小核」設計理念會與Intel一樣,采用架構、指令集、效能都差異較大的兩種CPU核心設計高低搭配。

控制成本、簡化編程,是「大小核」背後的需求

為什麽PC行業突然也開始流行「大小核CPU」了?要弄明白這個問題,我們首先需要知道,當前主流的PC處理器設計到底出了什麽問題。

眾所周知,自從PC處理器步入多核心時代之後,很長一段時間裏,「更多核心、更高頻率」都被認為是提高處理器效能表現的金科玉律。但隨著主流價位段上的CPU從雙核來到四核,又從四核來到六核;隨著「家用高端」的標準從過去的四核、八核,現在逐漸變成十核(i9-10900K)和十六核(Ryzen9 3950X),多核心處理器的成本、發熱和功耗如今已經變成了不容忽視的嚴峻問題。

比如說,曾經常年保持在2000元左右的家用旗艦CPU(四核八執行緒)的價格,如今已經來到了4200元以上;曾經大家隨便用一個四熱管或六熱管散熱器就能壓制住的CPU發熱,現在很多時候就連240水冷或者近千元價位的頂級雙塔風冷都已經Hold不住了。更不要說,當年100W左右功耗的奔騰雙核都能被整個行業罵個狗血淋頭,如今面對I、A兩家旗艦CPU動輒200W+的峰值功耗,很多人甚至都已經沒了吐槽的力氣。

能用好超過八個CPU核心的遊戲,時至今日也沒幾個(圖中為【戰地V】)

更糟糕的是,當過去入門級CPU普遍采用雙核設計,而旗艦則維持在四核或六核的時候。對於各大主流程式的開發者來說,「多核最佳化」其實是一件相對簡單的工作,因為大家只需要確保普通套用能夠利用好一顆或者兩顆CPU核心,大型套用能夠充分「用滿」四核八執行緒的資源,即可保證主流級別的PC日常不卡,旗艦器材在大型遊戲或創意套用中充分展現效能優勢。

而當頂級的家用CPU來到十核、十六核,普遍的家用電腦很多還維持在四核、六核的水準上,甚至還有許多老電腦還在使用雙核CPU的時候,「多核最佳化」問題就變得非常難做了。一方面來說,即便是對於特別華麗的單機遊戲大作來說,要實作對十六核/十核的超執行緒處理器充分最佳化,基本上也是不可能的(那得把一個遊戲做出32/20個行程來);另一方面來說,如今的開發者也不可能只考慮頂級的多核旗艦處理器,他們事實上很多時候還是以六核或者八核作為基準來編寫大型程式的。

這一點,在Anandtech近日公布的一份最新遊戲CPU評測中便可清楚得見。可以看到,只要不是太老的處理器架構,基本上核心數量只要大於或等於六個,遊戲幀率就已經沒有太大的差異了。一些更新的處理器之所以幀率更高那麽一點點,純粹是因為它們的主頻有所提升而已,與多出來的幾個核心壓根就沒什麽關系(典型的就是10900K之於9900K)。甚至有的時候,公認「整體效能更強」的多核心旗艦,在單一大型套用中的表現還不如價格更便宜、但主頻更高的八核心中端型號(比如表格裏的3900X和3950X,遊戲表現均不如3700X)。

普通消費者喜歡的超輕薄電腦,CPU核心數量最多也沒超過8個

當然,我們不是說更多的大核心就是完全無用的。在一些特定的套用多開使用環境下,或者在一些針對工作站級別的硬件做了最佳化的專業軟件中,擁有超多高效能大核心的CPU確實還是能夠體現它們的效能優勢。但問題就在於,這樣的使用場景、這樣的硬件的成本,已經脫離了主流使用者群體的範疇,不能代表大多數消費者的需求了。

「大小核」CPU風潮,或將給PC產業帶來新的機遇

明白了以上這些原因,讓我們再來看「大小核」設計在常規PC使用場景下的優勢,其實就可以說是一目了然了。

Intel官方公布的Lakefield樣機主機板

首先,「大小核」CPU設計中,大部份型號將CPU高效能大核心的數量設定為了6個或者8個,這正符合當今主流大型遊戲和套用的多核最佳化策略,既可以保證CPU的大核心效能得到充分利用,又不會給開發者增加額外的負擔。

與此同時,當前台的遊戲或者影片編輯軟件「吃滿」六個或者八個核心時,對於「大小核」CPU來說,此時它們還剩下的小核心就可以承擔起基本的系統行程,讓系統本身的操作體驗不會因為正在執行大型套用而發生卡頓。甚至這些小核心還能夠被用於一些特定的功能,例如即時加速SSD傳輸以及即時音訊定位運算等。

XBOX Series X那使用一顆CPU核心加速SSD讀寫的「絕招」,以後的PC可能都要有了

講到這,可能有些熟悉遊戲主機技術的朋友已經「回過味兒」了。沒錯,這種將前台多執行緒套用與後台作業系統或其他外圍功能分配到不同CPU核心中,盡可能保證每一個核心效能得到充分利用的做法,其實在遊戲主機領域已經發展了幾十年。只不過隨著近年來PC上的對稱多處理CPU成本越來越高,加之遊戲主機和PC在CPU、圖形處理器,甚至作業系統等方面的共性越來越強,因此CPU廠商可能才總算是找到了機會,讓這種「異構多核心」降臨PC平台而已。

這意味著什麽?一方面來說,它有望給當前的那種一味堆核心數量的硬件研發思路「降降溫」,及時地避免主流PC處理器成本和售價的進一步上漲。另一方面來說,異構多處理式CPU也能敦促軟件開發者減少對CPU「框框(多核並列效能)」的揮霍,讓主流消費級軟件的最佳化思路變得更為嚴謹而高效。

除此之外,雖然目前的初代「大小核」PC處理器說實在的效能或許還有些不濟,但大家要看到,它們的功耗實際上已經只比當下功耗最高的手機SoC高不到1W了。隨著未來PC CPU廠商繼續技術深耕,保不齊哪天x86架構的「大小核」處理器在能效比上就真有可能壓倒如今越來越臃腫的ARM移動芯片,甚至有可能重回智能電話市場,上演一出驚天大逆襲。