Каждое новое поколение микропроцессоров корпорации Intel получает различные расширения набора инструкций для архитектуры x86. Новые команды призваны увеличить производительность с помощью использования параллелизма на уровне данных (с применением SIMD-инструкций), либо за счёт специализированных аппаратных блоков. На днях Intel опубликовала новый документ для разработчиков программного обеспечения, где раскрыла подробности о новых инструкциях, поддерживаемых выходящими в ближайшие годы процессорами Sapphire Rapids, Tiger Lake, и Alder Lake. Характер новых команд может дать некоторое представление о приоритетах Intel при разработке будущих CPU.
Производительность и безопасность
Традиционно новые инструкции направлены на два основных направления: увеличение производительности при обработке крупных массивов данных и/или при шифровании/дешифровании данных, а также внедрение новых технологий в области криптографии/безопасности. Крупные массивы данных редко обрабатываются на процессорах для клиентских ПК, а требования к безопасности персональных компьютеров и серверов весьма разнятся. Как следствие, внедряемые расширения набора инструкций x86 различаются в случае ядер для потребительских и серверных CPU. Ниже мы попытались проиллюстрировать эволюцию внедрения новых инструкций для процессоров Intel Xeon Scalable и Intel Core последних и будущих поколений.
Информация сайта - «print-prime.ru»
Одним из основных двигателей прогресса Intel области производительности в последние годы стал набор инструкций AVX-512, впервые появившейся в CPU поколения Skylake-SP. Данные инструкции стали поддерживаться массовыми клиентскими процессорами лишь с появлением микроархитектуры Ice Lake, так как физическая реализация 512-разрядного файла регистров существенно увеличивает размер ядра (до 15 % в случае ядра Skylake), а сами блоки потребляют большое количество энергии (что требует снижения тактовой частоты процессора при использовании AVX2/AVX-512) и требуют высокой пропускной способности памяти.
Информация сайта - «print-prime.ru»
Основным отличием эволюции AVX-512 от предшественников является то, что Intel пошла по пути внедрения специфических команд для узкоспециализированных приложений, а не создания универсальных команд, пригодных для широкого спектра программ. Так, по заявкам крупных клиентов Intel, процессоры поколения Cascade Lake-SP получили инструкции AVX512_VNNI для многократного ускорения вычислений, связанных с глубоким обучением. Кроме того, процессоры Cooper Lake получат команды AVX512_BF16 для матричных вычислений в формате BFLOAT16. Впрочем, судя по всему, Cooper Lake не получат действительно широкого распространения.
Информация сайта - «print-prime.ru»
Таким образом, до последнего времени большинство команд AVX-512 поддерживалась исключительно ядрами Intel для серверных процессоров. При этом ряд других инструкций — главных образом из области безопасной обработки данных — для серверных и клиентских процессоров также различен.
Ice Lake-SP: максимальные изменения со времён Skylake-SP
Как неоднократно отмечалось, 10-нм процессоры поколения Ice Lake принесли максимальные изменения как в области микроархитектуры, так и в области иных возможностей со времён Skylake.
Судя по документации Intel, серверные и потребительские ядра поколения Ice Lake будут иметь очень много общего в том, что касается поддержки инструкций AVX-512. Так, Ice Lake-SP получат поддержку инструкций AVX512_VBMI2, AVX512_BITALG, AVX512+VAES, AVX512+GFNI, AVX512+VPCLMULQDQ и AVX512_VPOPCNTDQ. Помимо указанных, клиентские ядра Ice Lake приобретут ещё и AVX512_VNNI. Судя по всему, в Intel считают, что характер рабочих нагрузок в новых ПК будет таковым, что система команд AVX с вектором длиной 512 разрядов принесёт существенную пользу, несмотря на увеличенные размер ядер, требования к пропускной способности памяти и энергопотребление.
Информация сайта - «print-prime.ru»
При этом Ice Lake/Ice Lake-SP не будут поддерживать AVX512_BF16, что станет прискорбным фактом для тех, кто оперирует данными в формате BFLOAT16. Не совсем ясной остаётся судьба команд AVX512VBMI и AVX512IFMA, поддерживаемых Cannon Lake (как следствие, в иллюстрации они публикуются со знаком вопроса).
Что, возможно, более важно, так это то, что Ice Lake-SP получит поддержку таких технологий, как MKTME (Multi-Key Total Memory Encryption, шифрование памяти), ENCLV (инструкции для работы SGX в условиях высочайшей нагрузки), SHA (аппаратное ускорение SHA-алгоритмов), Fast Short REP MOV (увеличенная производительность переноса данных) и CLWB (cache line write-back without flush, которая требуется для лучшей работы с накопителями данных). В том, что касается шифрования содержимого памяти, процессоры AMD EPYC имеют неоспоримое преимущество перед Intel Xeon Scalable, а потому внедрение аналогичной технологии увеличит конкурентоспособность последних CPU.
Sapphire Rapids: возвращение AVX512_BF16
Процессоры Intel Xeon Scalable поколения Sapphire Rapids в первую очередь будут использованы в суперкомпьютере Aurora в конце 2021 года, а потому ничего удивительного, что они также приобретут поддержку AVX512_BF16 и AVX512_VP2INTERSECT (ускорение работы с векторными операциями). Кроме того, новые CPU обещают использование новой микроархитектуры, памяти типа DDR5. Что касается суперкомпьютера Aurora, то там процессоры Sapphire Rapids будут работать в паре с графическими процессорами для центра обработки данных Ponte Vecchio.
Информация сайта - «print-prime.ru»
Кроме того, Sapphire Rapids получит целый ряд иных инструкций для увеличения производительности, таких как Architectural LBRs (Last Branch Recording), ENQCMD (часть инициативы по ускорению потокового перемещения данных Intel DSA) и HLAT (Hypervisor-managed Linear Address Translation).
Информация сайта - «print-prime.ru»
Кроме того, Sapphire Rapids имеет ряд нововведений в области безопасности. Пожалуй, главная из них — команда SERIALIZE, которая форсирует очистку всех кешей и окончания исполнения буферизированных операций записи перед началом исполнением команды. В некотором роде это отказ от параллельного исполнения операций с целью бороться с уязвимостями вроде Spectre и Meltdown. Помимо этого, процессор будет поддерживать технологию Control-flow Enforcement (CET), а также инструкцию TSXLDTRK (прекратить/возобновить TSX load tracking) для технологии Intel TSX.
Tiger Lake: новая микроархитектура и Xe графика в конце 2020 года
Процессоры для потребительских ПК поколения Tiger Lake являются прямыми потомками Ice Lake, которые будут базироваться на микроархитектуре Willow Cove, иметь увеличенный до 3 Мбайт кеш третьего уровня на каждое ядро, а использовать графическое ядро на базе архитектуры Xe, а также поддерживать интерфейс PCIe 4.0.
Информация сайта - «print-prime.ru»
Данные CPU не принесут существенных нововведений в области поддержки инструкций AVX, однако поддержат технологию Control-flow Enforcement (CET) и команду MOVDIR. Впрочем, усовершенствованная микроархитектура, увеличенные кеши, а также новый графический процессор и сами по себе являются обещают быть значимыми усовершенствованиями.
Появление Tiger Lake ожидается к концу этого года, а потому нет ничего удивительного в том, что процессоры данного поколения будут поддерживать ряд команд Sapphire Rapids.
Alder Lake: наследники Tiger Lake
Клиентские процессоры Alder Lake в первый раз упоминаются компанией Intel официально. Судя по всему, они сменят Tiger Lake в конце 2021 года и будут поддерживать инструкции Architectural LBR, HLAT (Hypervisor-managed Linear Address Translation), а также SERIALIZE. При этом не совсем понятно, будет ли Alder Lake поддерживать CET и MOVDIR.
Как видно, Intel продолжает расширять набор команд AVX-512 для процессоров Xeon Scalable, а также добавляет поддержку части этих команд в ядра для потребительских CPU. Судя по всему, в Intel предполагают, что задачи для клиентских ПК вскоре потребуют подходов к вычислениям похожих на те, что применяются в серверах и суперкомпьютерах.
Примечательно, что Intel внедряет целый ряд набор технологий, направленных на увеличение безопасности вычислений. Найденные в последние годы уязвимости микропроцессоров заставили Intel перестраховываться и внедрять дополнительные меры защиты в будущих CPU.
Каждое новое поколение микропроцессоров корпорации Intel получает различные расширения набора инструкций для архитектуры x86. Новые команды призваны увеличить производительность с помощью использования параллелизма на уровне данных (с применением SIMD-инструкций), либо за счёт специализированных аппаратных блоков. На днях Intel опубликовала новый документ для разработчиков программного обеспечения, где раскрыла подробности о новых инструкциях, поддерживаемых выходящими в ближайшие годы процессорами Sapphire Rapids, Tiger Lake, и Alder Lake. Характер новых команд может дать некоторое представление о приоритетах Intel при разработке будущих CPU. Производительность и безопасность Традиционно новые инструкции направлены на два основных направления: увеличение производительности при обработке крупных массивов данных и/или при шифровании/дешифровании данных, а также внедрение новых технологий в области криптографии/безопасности. Крупные массивы данных редко обрабатываются на процессорах для клиентских ПК, а требования к безопасности персональных компьютеров и серверов весьма разнятся. Как следствие, внедряемые расширения набора инструкций x86 различаются в случае ядер для потребительских и серверных CPU. Ниже мы попытались проиллюстрировать эволюцию внедрения новых инструкций для процессоров Intel Xeon Scalable и Intel Core последних и будущих поколений. Информация сайта - «print-prime.ru» Одним из основных двигателей прогресса Intel области производительности в последние годы стал набор инструкций AVX-512, впервые появившейся в CPU поколения Skylake-SP. Данные инструкции стали поддерживаться массовыми клиентскими процессорами лишь с появлением микроархитектуры Ice Lake, так как физическая реализация 512-разрядного файла регистров существенно увеличивает размер ядра (до 15 % в случае ядра Skylake), а сами блоки потребляют большое количество энергии (что требует снижения тактовой частоты процессора при использовании AVX2/AVX-512) и требуют высокой пропускной способности памяти. Информация сайта - «print-prime.ru» Основным отличием эволюции AVX-512 от предшественников является то, что Intel пошла по пути внедрения специфических команд для узкоспециализированных приложений, а не создания универсальных команд, пригодных для широкого спектра программ. Так, по заявкам крупных клиентов Intel, процессоры поколения Cascade Lake-SP получили инструкции AVX512_VNNI для многократного ускорения вычислений, связанных с глубоким обучением. Кроме того, процессоры Cooper Lake получат команды AVX512_BF16 для матричных вычислений в формате BFLOAT16. Впрочем, судя по всему, Cooper Lake не получат действительно широкого распространения. Информация сайта - «print-prime.ru» Таким образом, до последнего времени большинство команд AVX-512 поддерживалась исключительно ядрами Intel для серверных процессоров. При этом ряд других инструкций — главных образом из области безопасной обработки данных — для серверных и клиентских процессоров также различен. Ice Lake-SP: максимальные изменения со времён Skylake-SP Как неоднократно отмечалось, 10-нм процессоры поколения Ice Lake принесли максимальные изменения как в области микроархитектуры, так и в области иных возможностей со времён Skylake. Судя по документации Intel, серверные и потребительские ядра поколения Ice Lake будут иметь очень много общего в том, что касается поддержки инструкций AVX-512. Так, Ice Lake-SP получат поддержку инструкций AVX512_VBMI2, AVX512_BITALG, AVX512 VAES, AVX512 GFNI, AVX512 VPCLMULQDQ и AVX512_VPOPCNTDQ. Помимо указанных, клиентские ядра Ice Lake приобретут ещё и AVX512_VNNI. Судя по всему, в Intel считают, что характер рабочих нагрузок в новых ПК будет таковым, что система команд AVX с вектором длиной 512 разрядов принесёт существенную пользу, несмотря на увеличенные размер ядер, требования к пропускной способности памяти и энергопотребление. Информация сайта - «print-prime.ru» При этом Ice Lake/Ice Lake-SP не будут поддерживать AVX512_BF16, что станет прискорбным фактом для тех, кто оперирует данными в формате BFLOAT16. Не совсем ясной остаётся судьба команд AVX512VBMI и AVX512IFMA, поддерживаемых Cannon Lake (как следствие, в иллюстрации они публикуются со знаком вопроса). Что, возможно, более важно, так это то, что Ice Lake-SP получит поддержку таких технологий, как MKTME (Multi-Key Total Memory Encryption, шифрование памяти), ENCLV (инструкции для работы SGX в условиях высочайшей нагрузки), SHA (аппаратное ускорение SHA-алгоритмов), Fast Short REP MOV (увеличенная производительность переноса данных) и CLWB (cache line write-back without flush, которая требуется для лучшей работы с накопителями данных). В том, что касается шифрования содержимого памяти, процессоры AMD EPYC имеют неоспоримое преимущество перед Intel Xeon Scalable, а потому внедрение аналогичной технологии увеличит конкурентоспособность последних CPU. Sapphire Rapids: возвращение AVX512_BF16 Процессоры Intel Xeon Scalable поколения Sapphire Rapids в первую очередь будут использованы в суперкомпьютере Aurora в конце 2021 года, а потому ничего удивительного, что они также приобретут поддержку AVX512_BF16 и AVX512_VP2INTERSECT (ускорение работы с векторными операциями). Кроме того, новые CPU обещают использование новой микроархитектуры, памяти типа DDR5. Что касается суперкомпьютера Aurora, то там процессоры Sapphire Rapids будут работать в паре с графическими процессорами для центра обработки данных Ponte Vecchio. Информация сайта - «print-prime.ru» Кроме того, Sapphire Rapids получит целый ряд иных инструкций для увеличения производительности, таких как Architectural LBRs (Last Branch Recording), ENQCMD (часть инициативы по ускорению потокового перемещения данных Intel DSA) и HLAT (Hypervisor-managed Linear Address Translation). Информация сайта - «print-prime.ru» Кроме того, Sapphire Rapids имеет ряд нововведений в области безопасности. Пожалуй, главная из них — команда SERIALIZE, которая форсирует очистку всех кешей и окончания исполнения буферизированных операций записи перед началом исполнением команды. В некотором роде это отказ от параллельного исполнения операций с целью бороться с уязвимостями вроде Spectre и Meltdown. Помимо этого, процессор будет поддерживать технологию Control-flow Enforcement (CET), а также инструкцию TSXLDTRK (прекратить/возобновить TSX load tracking) для технологии Intel TSX. Tiger Lake: новая микроархитектура и Xe графика в конце 2020 года Процессоры для потребительских ПК поколения Tiger Lake являются прямыми потомками Ice Lake, которые будут базироваться на микроархитектуре Willow Cove, иметь увеличенный до 3 Мбайт кеш третьего уровня на каждое ядро, а использовать графическое ядро на базе архитектуры Xe, а также поддерживать интерфейс PCIe 4.0. Информация сайта - «print-prime.ru» Данные CPU не принесут существенных нововведений в области поддержки инструкций AVX, однако поддержат технологию Control-flow Enforcement (CET) и команду MOVDIR. Впрочем, усовершенствованная микроархитектура, увеличенные кеши, а также новый графический процессор и сами по себе являются обещают быть значимыми усовершенствованиями. Появление Tiger Lake ожидается к концу этого года, а потому нет ничего удивительного в том, что процессоры данного поколения будут поддерживать ряд команд Sapphire Rapids. Alder Lake: наследники Tiger Lake Клиентские процессоры Alder Lake в первый раз упоминаются компанией Intel официально. Судя по всему, они сменят Tiger Lake в конце 2021 года и будут поддерживать инструкции Architectural LBR, HLAT (Hypervisor-managed Linear Address Translation), а также SERIALIZE. При этом не совсем понятно, будет ли Alder Lake поддерживать CET и MOVDIR. Как видно, Intel продолжает расширять набор команд AVX-512 для процессоров Xeon Scalable, а также добавляет поддержку части этих команд в ядра для потребительских CPU. Судя по всему, в Intel предполагают, что задачи для клиентских ПК вскоре потребуют подходов к вычислениям похожих на те, что применяются в серверах и суперкомпьютерах. Примечательно, что Intel внедряет целый ряд набор технологий, направленных на увеличение безопасности вычислений. Найденные в последние годы уязвимости микропроцессоров заставили Intel перестраховываться и внедрять дополнительные меры защиты в будущих CPU.
