Intel 去年從 AMD 挖了 RTG 負責人 Raja Koduri，任其為核心與視覺計算集團首席架構師兼高級副總裁。有人認為這個戲劇性的轉移標誌著 Intel 將進入獨立 GPU 市場。恰巧在這時，Intel 在美國舊金山的 ISSCC（IEEE 國際固態電路會議）上發表了一款獨立 GPU 的原型。
不過，這次的原型還沒達到能上市的水平，僅僅是個用來技術驗證的 GPU 罷了。它基於現有 Intel 內顯架構，搭配 IVR（Integrated Voltage Regulator）來驗證功耗和性能控制技術。
過去，Intel 也有過類似的低功耗驗證 GPU 原型：2014年在ISSCC上發布的22nm原型晶片（5.7 A Graphics Execution Core in 22nm CMOS Featuring Adaptive Clocking, Selective Boosting and State-Retentive Sleep」SB Nasir, et al ., ISSCC 2014）。儘管如此，這款原型 GPU 具有完整的功能，做成產品也不是不可能的。
這塊原型的架構為最新的 Intel Gen.9，也就是原本 Intel 的內顯。不過採用的是 Gen.9 LP，也就是 Atom 所用的低功耗內顯，與桌面版的標準單元庫不同。
製程是 Intel 14nm，10金屬層（佈線）。晶片面積為64mm2(8x8），15億晶體管。工作頻率和電壓範圍從50 MHz / 0.51 V到400 MHz / 1.2 V。晶體管這麼多的原因是配備了大量的 SRAM。
Intel推出基於現有集顯架構的新設計
Intel 的 GPU 核心由稱為“EU（執行單元）”的向量核心組成。一個EU有2個4-way向量單元。FP32單元為4-way、128-bit。EU由2個向量單元、7線程通用寄存器（GRF）、取指以及分支單元組成。
原型 GPU 中每個SS（Sub-Slice）裡放了6個EU。除了EU之外，還有取樣器（紋理單元），L1 / L2緩存，線程調度器，數據端口等。
原型 GPU 裡由3個SS構成1個Slice，Slice擁有 GPU 的完整功能，包含顯示固定功能管線、Command streamer和L3快取等。圖中可以看到編號SS0到SS2的3個EU，不過其中只有兩個- SS1和SS2是新的設計。
Intel Gen.9 GPU 架構
也就是說這顆GPU共有1個Slice，3個SS，共計18個EU。向量單元中有144個FP32 ALU。現在低端桌面CPU所用的GT1為96個，GT3e 384個，曾經的GT4e則達到576個。
144個低頻【400MHz】Gen.9 LP EU，效能也就比較低端。而且通常內顯會集成視頻之類的多媒體解碼/編碼單元，這次卻沒提到。
在 ISSCC上 發表的這顆GPU不僅包括 GPU 核心，還搭載了包含控制和I/O的System Agent（SA）。記憶體接口在主機那邊，出於這個原因，System Agent 也配有4MB的大容量頁面快取。到主機是通過 FPGA 橋接的。光看這麼個配置就知道它只是個驗證用的原型了。
利用IVR進行細微的電壓/頻率控制
Intel這次的驗證晶片主要特點是使用 IVR 進行細粒度的 V / F（電壓/頻率）控制和功率門控。傳統上，GPU 的V/F控制和省電功能都要比 CPU 弱。因為普遍認為，傳統的圖形負載不是短時間的高負載就是非常輕度的負載，GPU 廠商也就沒在功耗控制投入太多。
然而，Intel 驗證稱，通過在 GPU 內核中引入細粒度功率控制，可以在不同條件下改善能效。利用 Intel CPU 上優秀的功耗控制技術，改進後整合進 GPU 核心。如果在 GPU 上以粒細度運行各種任務，這種功耗控制應該會更有效。
其基本思想是，把 GPU 分為為一塊塊的小塊，來以細粒度控制頻率和電壓，使得必要的模塊以最佳的頻率和功耗運行。與此同時，片上集成的 IVR 實現了高速電壓切換。將空閒模塊的電壓降低至保持電壓 (Vret, 勉強足夠保存SRAM數據的臨界點 )，降低漏電電流。功耗門限（PG）則是通過可靠性更高的喚醒機制- GPU 內部各處的 PG Driver 來控制。
IVR的引入使得對每個單元的電壓控製成為可能
傳統的 Intel 內顯設計是：整個 GPU 由單個電壓（Vgpu）的 IVR 供電。相比之下新設計中，GPU 中計算單元EU以及其他單元由各自獨立的電壓和 IVR 供電。
概念圖
以前的架構裡，當遇到計算密集型任務時，EU的負載會增加，從而導致整個 GPU 電壓升高，同時時鐘用PLL re-lock切換至高頻率。當然除EU以外的其他單元也被提到和EU同樣的電壓、頻率，導致 GPU 整體功耗上升。
老架構的 V/F 控制
如果EU和其他單元的頻率和電壓控制分開，就能夠更加靈活。此時只有EU的電壓會升高，頻率提升至正常的兩倍。通過單獨配置高響應度的 IVR，可以在短時間內提高電壓。
新架構的 V/F 控制
另外把頻率切換到原來的2倍就不需要PLL re-lock了。Intel 稱之為“EU Turbo” - 加速時為預設的兩倍頻率，一般情況下則為加速的一半頻率。可以根據負載快速改變電壓/頻率。
相反，當EU短時間閒置時，會將EU的電壓降至保持電壓Vret，進入切斷時脈的睡眠狀態。以前的話是沒法在時脈門限（Clock Gate）的同時降電壓的，這次改成了獨立IVR就可以盡可能的降低電壓。
此外，通過為每個EU單獨設置 IVR，還可以調整運行最低電壓Vmin的穩定程度。不僅是製程自身的穩定性，還有溫度帶來的波動，有了 IVR 就可以動態調整每個單元的Vmin，設置為各自的最低電壓。
GPU 內集成兩種 IVR
這次原型晶片所集成 IVR 的設計特點：混合了兩種不同類型的 VR。除了以前的“Switched Capacitor VR（SCVR）”以外，還配合了“Digitally Controlled Low Dropout（DLDO）”。兩種類型的 IVR 在更大的電壓範圍內實現高電壓轉換效率。
通常運行時，當輸入和輸出之間的電位差很小時，使用DLDO。比如1.15V的輸入電壓（Vin），輸出電壓（Vout）約為0.785V至1.11V。細粒度控制也基於DLDO。當輸出電壓低至0.3V至0.7V時，使用內置MIM電容器的SCVR。此時輸出相對於輸入的電位變為3:2,2:1,3:1的比率。
在EU內部，SCVR被配置在6個tile中。IVR控制器則位於EU中央，DLDO PG Driver的排列類似於骨髓，延伸出EU各處的DLDO PG。據說DLDO PG有1400個以上。
對於新設計的12個EU而言，在EU負載54％的情況下，EU Turbo的性能將提升最多40％，平均37％。當EU使用率達到100％時，EU Turbo的功耗比基準降低最多32%, 平均29%。而且，通過EU Turbo提升EU的運行頻率，在功耗門控部分EU，可以同時實現提性能和降功耗。
雖然這次的原型 GPU 還沒達到成品等級，不過可以看到省電控制設計的大體方向。Intel 自從 Haswell 引入 IVR，現在不光 CPU，GPU 核心也要引進 IVR。省電控制正是 Intel 不為人所知的強項。
看來和此前預測的一樣，Intel 對於 GPU 的研究在 Raja 跳槽前就進行了很久。進度可能會比預想的要快。
來源：
http://www.moepc.net/?post=4381
https://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/kaigai/1107078.html
不過，這次的原型還沒達到能上市的水平，僅僅是個用來技術驗證的 GPU 罷了。它基於現有 Intel 內顯架構，搭配 IVR（Integrated Voltage Regulator）來驗證功耗和性能控制技術。
過去，Intel 也有過類似的低功耗驗證 GPU 原型：2014年在ISSCC上發布的22nm原型晶片（5.7 A Graphics Execution Core in 22nm CMOS Featuring Adaptive Clocking, Selective Boosting and State-Retentive Sleep」SB Nasir, et al ., ISSCC 2014）。儘管如此，這款原型 GPU 具有完整的功能，做成產品也不是不可能的。
這塊原型的架構為最新的 Intel Gen.9，也就是原本 Intel 的內顯。不過採用的是 Gen.9 LP，也就是 Atom 所用的低功耗內顯，與桌面版的標準單元庫不同。
製程是 Intel 14nm，10金屬層（佈線）。晶片面積為64mm2(8x8），15億晶體管。工作頻率和電壓範圍從50 MHz / 0.51 V到400 MHz / 1.2 V。晶體管這麼多的原因是配備了大量的 SRAM。
Intel推出基於現有集顯架構的新設計
Intel 的 GPU 核心由稱為“EU（執行單元）”的向量核心組成。一個EU有2個4-way向量單元。FP32單元為4-way、128-bit。EU由2個向量單元、7線程通用寄存器（GRF）、取指以及分支單元組成。
原型 GPU 中每個SS（Sub-Slice）裡放了6個EU。除了EU之外，還有取樣器（紋理單元），L1 / L2緩存，線程調度器，數據端口等。
原型 GPU 裡由3個SS構成1個Slice，Slice擁有 GPU 的完整功能，包含顯示固定功能管線、Command streamer和L3快取等。圖中可以看到編號SS0到SS2的3個EU，不過其中只有兩個- SS1和SS2是新的設計。
Intel Gen.9 GPU 架構
也就是說這顆GPU共有1個Slice，3個SS，共計18個EU。向量單元中有144個FP32 ALU。現在低端桌面CPU所用的GT1為96個，GT3e 384個，曾經的GT4e則達到576個。
144個低頻【400MHz】Gen.9 LP EU，效能也就比較低端。而且通常內顯會集成視頻之類的多媒體解碼/編碼單元，這次卻沒提到。
在 ISSCC上 發表的這顆GPU不僅包括 GPU 核心，還搭載了包含控制和I/O的System Agent（SA）。記憶體接口在主機那邊，出於這個原因，System Agent 也配有4MB的大容量頁面快取。到主機是通過 FPGA 橋接的。光看這麼個配置就知道它只是個驗證用的原型了。
利用IVR進行細微的電壓/頻率控制
Intel這次的驗證晶片主要特點是使用 IVR 進行細粒度的 V / F（電壓/頻率）控制和功率門控。傳統上，GPU 的V/F控制和省電功能都要比 CPU 弱。因為普遍認為，傳統的圖形負載不是短時間的高負載就是非常輕度的負載，GPU 廠商也就沒在功耗控制投入太多。
然而，Intel 驗證稱，通過在 GPU 內核中引入細粒度功率控制，可以在不同條件下改善能效。利用 Intel CPU 上優秀的功耗控制技術，改進後整合進 GPU 核心。如果在 GPU 上以粒細度運行各種任務，這種功耗控制應該會更有效。
其基本思想是，把 GPU 分為為一塊塊的小塊，來以細粒度控制頻率和電壓，使得必要的模塊以最佳的頻率和功耗運行。與此同時，片上集成的 IVR 實現了高速電壓切換。將空閒模塊的電壓降低至保持電壓 (Vret, 勉強足夠保存SRAM數據的臨界點 )，降低漏電電流。功耗門限（PG）則是通過可靠性更高的喚醒機制- GPU 內部各處的 PG Driver 來控制。
IVR的引入使得對每個單元的電壓控製成為可能
傳統的 Intel 內顯設計是：整個 GPU 由單個電壓（Vgpu）的 IVR 供電。相比之下新設計中，GPU 中計算單元EU以及其他單元由各自獨立的電壓和 IVR 供電。
概念圖
以前的架構裡，當遇到計算密集型任務時，EU的負載會增加，從而導致整個 GPU 電壓升高，同時時鐘用PLL re-lock切換至高頻率。當然除EU以外的其他單元也被提到和EU同樣的電壓、頻率，導致 GPU 整體功耗上升。
老架構的 V/F 控制
如果EU和其他單元的頻率和電壓控制分開，就能夠更加靈活。此時只有EU的電壓會升高，頻率提升至正常的兩倍。通過單獨配置高響應度的 IVR，可以在短時間內提高電壓。
新架構的 V/F 控制
另外把頻率切換到原來的2倍就不需要PLL re-lock了。Intel 稱之為“EU Turbo” - 加速時為預設的兩倍頻率，一般情況下則為加速的一半頻率。可以根據負載快速改變電壓/頻率。
相反，當EU短時間閒置時，會將EU的電壓降至保持電壓Vret，進入切斷時脈的睡眠狀態。以前的話是沒法在時脈門限（Clock Gate）的同時降電壓的，這次改成了獨立IVR就可以盡可能的降低電壓。
此外，通過為每個EU單獨設置 IVR，還可以調整運行最低電壓Vmin的穩定程度。不僅是製程自身的穩定性，還有溫度帶來的波動，有了 IVR 就可以動態調整每個單元的Vmin，設置為各自的最低電壓。
GPU 內集成兩種 IVR
這次原型晶片所集成 IVR 的設計特點：混合了兩種不同類型的 VR。除了以前的“Switched Capacitor VR（SCVR）”以外，還配合了“Digitally Controlled Low Dropout（DLDO）”。兩種類型的 IVR 在更大的電壓範圍內實現高電壓轉換效率。
通常運行時，當輸入和輸出之間的電位差很小時，使用DLDO。比如1.15V的輸入電壓（Vin），輸出電壓（Vout）約為0.785V至1.11V。細粒度控制也基於DLDO。當輸出電壓低至0.3V至0.7V時，使用內置MIM電容器的SCVR。此時輸出相對於輸入的電位變為3:2,2:1,3:1的比率。
在EU內部，SCVR被配置在6個tile中。IVR控制器則位於EU中央，DLDO PG Driver的排列類似於骨髓，延伸出EU各處的DLDO PG。據說DLDO PG有1400個以上。
對於新設計的12個EU而言，在EU負載54％的情況下，EU Turbo的性能將提升最多40％，平均37％。當EU使用率達到100％時，EU Turbo的功耗比基準降低最多32%, 平均29%。而且，通過EU Turbo提升EU的運行頻率，在功耗門控部分EU，可以同時實現提性能和降功耗。
雖然這次的原型 GPU 還沒達到成品等級，不過可以看到省電控制設計的大體方向。Intel 自從 Haswell 引入 IVR，現在不光 CPU，GPU 核心也要引進 IVR。省電控制正是 Intel 不為人所知的強項。
看來和此前預測的一樣，Intel 對於 GPU 的研究在 Raja 跳槽前就進行了很久。進度可能會比預想的要快。
來源：
http://www.moepc.net/?post=4381
https://pc.watch.impress.co.jp/docs/column/kaigai/1107078.html
