英特尔Xe GPU架构初探

在2018年的最后一天，英特尔宣布了自己即将在2020年回归高性能独立GPU市场。而在2019年年底和今年初的CES上，英特尔又先后发布了不少的消息。其中，大部分的消息来源于英特尔和美国能源部签订的合同，即在阿贡国家实验室建造百亿亿级别超级计算机Aurora。美国能源部和阿贡国家实验室希望开发人员能够尽早地了解相关硬件信息，以便能够在超级计算机搭建完成后在尽可能短的时间内开始工作，并尽可能高效率地利用算力。因此，在超级计算机尚未完成之前，英特尔就必须公开一部分研发资料和硬件信息。

现在，英特尔公布了很多有关Xe GPU的信息，比如其研发代号，Ponte Vecchio—即维琪奥桥，这座桥梁始建于1345年，是意大利佛罗伦萨最古老的桥梁。采用这个代号的原因是英特尔Xe项目的首席架构师Raja Koduri喜欢吃这座桥附近一家冰淇淋店的冰淇淋，因此就这么简单粗暴了。

英特尔实际上是GPU业界的“老玩家”，并且是全球GPU市场占有率第一的企业。不过，英特尔这样的业绩往往来自于嵌入式和集成式图形计算解决方案。比如目前我们所熟知的“核芯显卡”，将GPU计算部分和CPU集成在一起并一起销售，大幅度提高了自己产品的市场占有率。

回顾历史，英特尔首次开发独立GPU的尝试是在1998年2月12日。这一天英特尔发布了旗下首款独立GPU产品——英特尔i740 AGP显卡。这款产品最主要的贡献在于推广了AGP接口。其实际效能和功能设置则表现一般，在各项测试中都落后于市场上竞争对手的方案，比如Voodoo 2以及英伟达的RIVA TNT。1999年8月，英特尔宣布i740彻底退市。

▲英特尔i740 AGP独立显卡

在i740彻底下市之前，英特尔还研发了i752和i754，不过前者发布后没多久就宣布撤回，后者甚至没有正式发布，性能方面i752相比i740提高得很有限。随后，英特尔宣布这两款GPU的内核将被直接用在i810和i815的芯片组中，成为集成显卡的核心。在2000年9月，英特尔最后一款在研的GPU架构Capitola也被宣布取消，英特尔首次GPU研发计划彻底终止。

英特尔第二次计划研发高性能独立GPU则是在2009年，这一年，英特尔宣布了新的Larrabee计划。Larrabee的本质是基于x86架构的图形处理器，英特尔试图使用和英特尔CPU相同代码路径的宽矢量引擎来打造一款拥有高端图形性能的GPU产品，并且这款产品还可以在标准CPU代码中进行编程处理。在发布后不久，Larrabee就进行了一些图形演示。

▲英特尔Larrabee的早期产品图

不过在2010年英特尔又宣布这款产品最终不会用于民用图形市场，而是进入了高性能计算市场。开发人员发现，英特尔Larrabee的产品可以很好地执行5组512位宽的矢量计算，这最终带来了AVX-512指令集，这个指令集目前存在并将持续存在于英特尔的至强可扩展系列高性能处理器、部分消费级处理器中。Larrabee随后被赋予了一个产品名，那就是“Xeon Phi”。Xeon Phi在大量的超级计算机中出现，还拿下了不少大奖。不过Xeon Phi只持续了几代，最后一代“Knights Hill”并未实际部署就结束了整个系列的寿命。

英特尔可能在很早之前就已经放弃了Larrabee或者类似的产品进入普通民用图形市场。在Larrabee之后，英特尔的研发层进行了一些调整，高管们又重新拾起了对传统类型GPU的兴趣，并再次决定进入高性能独立GPU市场。新的项目大约在三年前启动，但是英特尔的官方消息和正式宣布日期应该是始于英特尔在2017年12月聘请AMD首席图形设计师Raja Koduri以及著名的SoC专家Jim Keller。Raja Koduri本身的资历极其深厚，他先后在AMD和苹果拥有超过20年的图形解决方案经验，因此英特尔授予其首席架构师的职位，这也显示了英特尔对新的高性能独立GPU项目的重视程度。

从2017年12月开始到现在，英特尔都在努力加强自己在GPU研发上的实力。在此期间，英特尔也动用大量手段从竞争对手AMD以及其他厂商那里广泛挖人，仅仅AMD跳转英特尔的高级人才就包括AMD营销总监Chris Hook、AMD显卡技术市场总监Damien Triolet、AMD显卡高级市场总监Darren McPhee、AMD视觉技术副总裁/多伦多地区副总裁Ari Rauch等人，尤其是Ari Rauch还帮助英特尔建立了新的营销数据和分析师团队。

终于，英特尔在2018年12月的架构日上披露，全新的GPU家族即将到来。英特尔将提供一个全新的图形解决方案，从上到下覆盖所有市场，不论是低功耗还是高性能平台，甚至连集成显卡也不会遗漏。当时英特尔表示主要有2个GPU微架构，全部基于Xe体系结构建立。Xe的意思是“每个人的eXascale（百亿亿级）”，英特尔希望高效能和高效率的新架构能够满足任何市场。

▲英特尔Xe产品终于发布了，不过首先是用在HPC设备上。

现在，英特尔进一步披露了全新架构的消息，绝大部分内容来自于英特尔、美国能源部和阿贡国家实验室，大量的产品内容和技术消息是面向HPC也就是高性能计算的。虽然迄今为止还是不清楚英特尔在民用级别的GPU上打算如何做，但是我们可以根据现有的消息管中窥豹，对英特尔新的Xe架构和未来的GPU计划进行一个预览。

在HPC DevCon公开Xe相关信息之前，英特尔曾表示，旗下Xe产品即Xe架构，将从集成显卡一直延伸至中端图形市场、企业级图形市场以及数据中心、AI加速、虚拟化等现在所有的主流应用场景和功能。在入门级市场也就是Xe-LP，其用户期望性能大约能够达到TeraFLOPS，在企业级市场也就是Xe-HP，这个性能会提升至PetaFLOPS，所有的用户所对应的产品都会分布在这个性能差距为1000倍的区间之内。

之前英特尔宣称在整个范围内会有两个版本的Xe产品，不过新的消息显示，Xe将有第三款产品出现，并且其名称似乎指出了相关的定位和差异性。

在入门级产品中，英特尔将使用Xe-LP核心，LP表示Low Power也就是低功耗。这个核心将覆盖所有的集成图形解决方案。英特尔宣称Xe-LP产品的功耗定位为20W，但是这个设计是可扩展的，最多可以扩展至50W，不过在这个功耗下能耗效率会有所降低，目前暂时没有推出50W Xe-LP产品的计划。通过这种方式，英特尔有可能在传统45W的高性能移动处理器中使用Xe-LP架构，并且可能出现在SoC形式的台式机处理器中。这样一来，Xe-LP的主要设计目标就是移动和集成核芯显卡，并且不太可能以独立显卡的方式提供。

对于中端用户、发烧友或者数据中心，英特尔拿出的是Xe-HP核心，HP是High  Performance的意思。这个版本的核心将是英特尔独立显卡的基础，能够支持50W~250W或者更高功率的产品。考虑到独立显卡的重要性，英特尔不得不为这类产品提供全面的软硬件支持，包括Day-0驱动等产品。目前英特尔尚未公布有关Xe-HP核心的消息，但是据估计英特尔应该在2020年某个时候宣布这个产品线的具体信息。

▲现在英特尔为HPC市场专门定义了一个全新的Xe-HPC版本

第三个也就是之前未公开的一个全新的产品系列：Xe-HPC，HPC是高性能计算的意思。Xe-HPC将作为Xe-LP和Xe-HP的变体，将重点放在提高原始吞吐量上，这也是高性能计算最关注的点。Xe-HPC可以从Xe-LP的最高层一直扩展至整个Xe-HP，甚至超越Xe-HP。由于使用Xe-HPC的超级计算机部署会比普通的PC或者服务器拥有更好的适配，能容纳高功耗产品，因此Xe-HPC的相关功耗设定可能会高达400W甚至更高，实际上现在已经有TDP高达500W的PCIe产品出现了，因此这一点是完全可行的。

▲HPC市场的Xe-HPC定位和之前的Xe-LP以及Xe-HP并不冲突