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在 8 月中旬结束的英特尔 2020 架构日活动里，英特尔发布了包括 Tiger Lake SoC、Xe GPU、SuperFin 晶体管工艺、FPGA 路线图、oneAPI 框架等一系列最新的技术进展。这些技术和产品涵盖了工艺、架构、存储、互连、安全、软件六大层面，这也是英特尔首席架构师 Raja Koduri 一直在主推的英特尔全栈式软硬件架构。
Xe GPU 是英特尔近年来重点研发的下一代 GPU 架构。和英特尔之前的集成 GPU 不同，Xe 更多的是一个基础 GPU 架构，由此可以衍生出多种针对不同应用领域和场景的 GPU 产品。这次正式发布的 Xe GPU 产品系列，从主打集成显卡和入门级独立显卡的 XeLP，到针对游戏和桌面性能进行优化的 Xe HPG，再到主要应用于数据中心和 AI 的 Xe HP，然后还有面向高性能计算的 Xe HPC，一共四大系列。
特别值得注意的是，这四类 Xe GPU 将使用不同的半导体制作工艺进行流片生产，其中不仅包含英特尔自家的 10 纳米工艺，以及这次发布的下一代 10 纳米 SuperFin 工艺，还包含了来自其他代工厂的工艺。虽然在发布会上没有直接点名，但台积电以 6 纳米工艺拿下英特尔数十万片芯片订单的消息，早就是公开的“秘密”了。
在今年的 HotChips 大会上，英特尔对 Xe 架构进行了深入介绍。可以看到，Xe GPU 毫无疑问被英特尔寄予厚望。Xe 的出现，正式宣布英特尔进军高性能 GPU 领域，也完成了英特尔的 Scalar（CPU）、Vector（GPU）、Matrix（ASIC）、Spatial（FPGA）四大计算类型的芯片全覆盖。
在这篇文章中，我将从硬件架构、软件堆栈、应用场景等领域对 Xe GPU 进行深入的技术解析。我用思维导图的形式，总结了本文涉及的全部技术要点。
Xe 架构的主要特点
Xe 的主要设计思路有三点：软件先行、兼顾扩展、全新应用。这表明 Xe 并非是作为一个孤立的产品出现，而是会结合英特尔完整的硬件产品组合、以及统一的软件开发环境而协同设计。Raja 多次强调，希望使用相同的软件栈、相同的微架构设计，实现多个 Xe 产品的快速扩展，这在后面的文章中也会多次提及。
Xe 的主体架构基于 Slice 实现，最多有 6 个 subSlice，共计高达 96 个 EU（Execution Unit），能提供每周期 1536 次浮点运算。
和英特尔的前一代集显相比，XeLP 几乎重新设计了自身的微架构，特别是最基本的运算执行单元 EU。XeLP 的 EU 架构示意图如下所示。
在英特尔的第 11 代集显中，每个 EU 里包含 8 个用来进行算术运算的流水线。为了得到更高的算术运算性能，XeLP 将 EU 里的算术运算流水线扩展了一倍，达到 16 条。这些算术运算流水线可以执行定点数、单精度浮点数和双精度浮点数运算，以及复杂数学运算和可选的矩阵运算的扩展。每条流水线的宽度都比上一代得到了增加，从而将 INT16 和 INT32 的性能提升了一倍。事实上，为了简化实现过程，XeLP 将上一代集显的两个 EU 单元合并在一起，并共用一个线程管理模块。
在存储系统方面，XeLP 重新设计了 L1 Cache，并将 L3 Cache 的容量提升到了 16MB。此外还将显卡内存的带宽增加了一倍。
XeLP 的游戏性能
XeLP 主要的市场定位是集成显卡以及入门级独立显卡。即便如此，XeLP 也对游戏性能进行了针对性的优化。下面就是一些在 XeLP 上运行的游戏截图，例如，XeLP 可以支持战地 5 在 1080p、30FPS 和特效全开时的流畅运行。
在具体的优化方面，首先就是在保持相同性能的前提下，大幅降低了功耗。例如，下图展示了在运行战地 1 的时候，英特尔前一代 GPU 和 XeLP 的画面和功耗对比。可以看到，在画质相似的情况下，前一代 GPU 的功耗为 25 瓦，而 XeLP 仅为 15 瓦。此外，XeLP 还对帧率进行了提升，这也能很大程度上避免掉帧，使得画质表现更为细腻，在下图中坦克的履带部分也能较为明显的看出来。
正因如此，在相同功耗条件下，XeLP 可以在保证稳定帧数的同时，带来更高质量的画面效果。下图就对比了前一代 GPU 和 XeLP 的画面渲染能力和画质。可以看到，XeLP 的细节表现能力要远超于前一代 GPU，比如对阴影部分和车体细节的刻画等等。
在跑分方面，和同级别的英伟达 GeForce MX350、以及 AMD 的 Vega8 相比，XeLP GPU 跑出了更高的评分，见下表：
值得注意的是，这里参与跑分的是集成在 Tiger Lake 里的集成 Xe GPU，但它的跑分竟稍微超过了英伟达的独立显卡 MX350。要知道，后者不仅有更高的频率，还有 2GB 的 GDDR5 显存。这也从另外一个角度印证了 Xe 的性能潜力。
对 AI 运算的优化
在英特尔最新的 Tiger Lake 架构中，包含了名为 Willow Core 的全新 CPU 内核单元，以及 XeLP 的集显版本。关于 Tiger Lake 和 Willow Core 的详细技术解读，将会在下篇文章里进行深入介绍。这里想提到的是，Tiger Lake 里的 XeLP 还对 AI 运算进行了一定的架构优化。当结合 OpenVINO 工具包和英特尔的 DL Boost 技术时，就可以大幅提升 AI 推断的算力。如下图所示，当运行 Gigapixel AI 进行图像增强时，XeLP 和前两代 GPU 相比取得了指数级的算力提升。
对多媒体和显示的优化
XeLP 对于多媒体和显示方面的优化，主要的受众就是广大的视频和图像内容创作者。这方面的优化主要有三个主要方向，即提供更多的像素、更多色彩、以及更低的功耗。
具体来说，XeLP 里集成了多媒体引擎（Media Engine），它支持 4K/8K60 帧视频、Dolby 视界 HDR 等一系列超高清视频标准，在编解码吞吐量上达到了最高 2 倍的性能提升。
在 XeLP 的显示引擎（Display Engine）里，集成了 4 条像素处理流水线，使得 XeLP 支持包括 DisplayPort1.4、HDMI2.0、USB4 Type-C 等多种视频接口，以及 8K UHD、HDR10 和杜比视界等多种超高清视频的播放。
关于多媒体引擎和显示引擎的具体架构细节，可以参见 Xe 在 HotChips2020 上的幻灯片，已上传至知识星球。
Xe GPU 的软件堆栈
Xe 作为一个全新的 GPU 产品系列，它的一个主要优化重点就在于软件系统的设计。它的设计重心，就是为现在和未来的 Xe 架构使用统一的驱动协议栈，这与英特尔 oneAPI 的核心思想是一致的。oneAPI 是英特尔在软件层面最大的雄心，关于 oneAPI 的更多内容，可以看一下老石之前的文章《oneAPI：天下大同》。
相比之前的集成显卡系列，Xe GPU 对软件驱动的架构做了很多大刀阔斧的改变。其中最主要的有三点：更高效的编译器、全新的 DirectX11 驱动，以及 GPU Profile（见下图）。此外，Xe 还支持对特定游戏的针对性优化，名为 Instant Game Tuning。这种优化方式会自动进行，不需要进行额外的驱动更新。
Xe GPU 的产品系列和制造工艺
前面介绍的 XeLP，主要将作为 TigerLake SoC 里的集成 GPU 面向市场。但除此之外，XeLP 还有其他两种产品形式，一个称为 DG1，另一个称为 SG1。其中，DG1 是英特尔的首个独立显卡产品，它主要面向的是基于移动平台的视频和图像内容创作者。SG1 是另一个基于 XeLP 架构的独立显卡产品，它主要面向的则是数据中心里的多媒体内容处理和相关应用。
对于数据中心更广阔的应用场景，Xe 有一款名为 XeHP 的 GPU 产品专门负责。和 XeLP 相比，XeHP 在微架构上专门为数据中心做了优化，以提升 GPU 的整体性能。例如，XeHP 的 EU 数量，从 XeLP 的几十个，直接增加到上千个；运行频率比 XeLP 上升两倍；显存带宽和 IPC 也比集成显卡提升 10 倍，等等。此外，XeHP 还特别设计了数学运算单元，比如增强了对双精度浮点数和 AI 相关的数学运算的硬件支持。
更有意思的是，XeHP 还能通过直接增加 Tile 的数量，实现性能的线性增长。例如，XeHP 目前有三种封装形式，分别包含了 1 个、2 个和 4 个 Tile，其中每个 Tile 就是一个完整的 Xe GPU 子芯片。
从下面的实验室测试实例可以看到，当增加 Tile 的数量时，芯片的 FP32 峰值算力从 10TFLOPS，线性上升到 21TFLOPS 和 42TFLOPS。
这种线性扩展的最大优势在于，在一次性完成单个 Tile 的软硬件设计之后，直接通过增加 Tile 的数量就可以成倍提升性能，而无需对软硬件做出改变或重新设计。事实上，这样的线性扩展并没有看起来这么直接，这其中涉及了诸如芯片封装、互连、软硬件架构的扩展性设计等很多方面的内容。这和英特尔 FPGA 里使用的，通过 EMIB 和 AIB 技术将 FPGA 的可编程逻辑阵列与不同收发器模块进行互连，有着异曲同工之妙。
Xe 的第三个产品大类，名为 XeHPG，它专门针对游戏和高性能桌面应用进行了优化，比如增加了光线追踪（Ray-Tracing）的硬件支持等等。XeHPG 预计 2021 年正式出货。
Xe 的最后一个产品系列，就是代号为 Ponte Vecchio 的 XeHPC，它主要面向高性能计算、超级计算机等领域进行优化和设计。
前不久英特尔宣布，自家的 7 纳米工艺遇到问题，并将投产时间推迟到 2022 年，这也造成了英特尔股价暴跌近 20%。随后英特尔宣布，会考虑和其他芯片代工厂合作，并外包部分芯片产品。正如本文开头提到的，台积电随后获得了英特尔的 18 万片 6 纳米芯片订单。
这些订单中的很大一部分，就来自 Xe GPU 系列。在本次发布会上，英特尔表示将会把 XeHPG 和 HeHPC 的一部分芯片使用“外部”工艺进行生产，如下图所示。相信这势必会加速 Xe GPU 的面世时间。
相比之下，XeLP 会使用英特尔 10 纳米 SuperFin 工艺生产，XeHP 会使用增强的 SuperFin 工艺生产。值得注意的是，最高端的 XeHPC 将使用英特尔的 Foveros 3D 封装技术，以及 CO-EMIB 互连技术，并采用四种不同的生产工艺，以针对不同的细分领域进行优化。
结语
从 Xe 最初的传言至今，Xe 的发展和动态一直是业界关心的重点。Xe GPU 的出现，从多个维度补充了英特尔当前缺失的多个产品拼图。首先，它正式宣告英特尔进军高性能 GPU 领域，并将触角一次性伸向移动端、桌面端、游戏、数据中心、高性能计算等多个领域。此外，Xe GPU 将作为英特尔“向量计算”的代表性产品，进一步补全了英特尔的 AI 产品组合，如下图所示。
从架构和技术的角度，Xe 采用了一种通用的微架构，并在此基础上实现了多个系列的演变和快速扩展。这非常符合当前领域细分的芯片设计大趋势，根据现有的跑分和演示来看，Xe 和其他竞争对手相比，也有着很强的竞争优势。那么究竟 Xe 能否帮助英特尔冲出重围，打下一片新的江山，我们拭目以待。
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