超能課堂(278)：Intel核顯是怎樣逐步進(jìn)化成Xe的

每次看顯卡市場占有率的圖表，最大的那家不是NVIDIA也不是AMD，而是Intel，它占據(jù)了整個顯卡市場的大半壁江山，原因當(dāng)然是因為他們家的主流處理器基本上里面都會帶一個核顯，而他們家的處理器也占市場大頭，占有率當(dāng)然高。

其實早在1998年，Intel就進(jìn)入了顯卡市場，推出了Intel i740獨(dú)立顯卡，隨后它被整合進(jìn)了810/815芯片組，從此就誕生了Intel的集成顯卡家族，在那個時代核顯還是整合在北橋內(nèi)的，直到2010年的Clarkdale處理器開始這個集顯才進(jìn)入CPU內(nèi)部?，F(xiàn)在最新的Xe架構(gòu)核顯已經(jīng)是Intel的第12代顯示架構(gòu)。

曾幾何時Intel的核顯每年都會隨酷睿系列處理器一同升級一次，直到第八代的Cannon Lake卡殼，讓Gen 9.5核顯伴隨了我們很久，移動平臺直到2019年推出的Ice Lake處理器才開始恢復(fù)核顯的升級，桌面平臺是到今年的Rocket Lake直接跳到最新的Xe架構(gòu)。

早期Intel核顯的時間軸

不過呢，與CPU的性能方面被罵擠牙膏不同，核顯的性能每代提升都挺大的，下面我們就來回顧一下Intel的核顯進(jìn)化歷程。

Gen5：Clarkdale

2010年推出的Clarkdale處理器確實首款整合GPU的CPU，這款處理器由32nm制程CPU Die和45nm的GPU Die共同封裝在一塊PCB上組成，兩顆芯片使用QPI總線相連，其實當(dāng)年看Clarkdale感覺是坑爹的Intel又在玩膠水，但現(xiàn)在看慣了AMD的Zen 2/3處理器之后再看它，感覺Intel當(dāng)年的做法其實也沒啥。

Clarkdale內(nèi)核結(jié)構(gòu)圖，GPU Die上包含了PCI-E控制器和內(nèi)存控制器，其實就是一個北橋芯片

Clarkdale系列處理器只有雙核的型號，有Core i5-600和Core i3-500兩個型號，在LGA 1156時代四核處理器是沒有整合GPU的。

當(dāng)時的Intel把Clarkdale上的GPU統(tǒng)稱為“Intel HD Graphics”，這名字一直用到現(xiàn)在。而這個GPU其實就是G45上的X4500 HD的升級版，EU增加了兩個達(dá)到了12個，核心頻率最高可以到900MHz，支持Hierarchical Z（層次Z緩存算法）與Fast Z Clear（快速Z清除）技術(shù)，支持DX10、SM4.0，支持OpenGL 2.1，移動版處理器的GPU可以通過Turbo Boost動態(tài)調(diào)整頻率，而桌面版不行。

Gen6：Sandy Bridge

Sandy Bridge核心圖

正在把CPU和GPU做到同一塊芯片上的是在2011年上推出的Sandy Bridge架構(gòu)處理器，CPU、GPU、內(nèi)存控制器、PCI-E控制器全部整合到一個核心里面，它的最大改進(jìn)在于三級緩存改用了環(huán)形總線設(shè)計，并且其核心、GFX以及顯示/媒體控制器可共享L3高速緩存。

Sandy Bridge的GPU主要包含了指令流處理器、媒體處理器、多格式媒體****、執(zhí)行單元、統(tǒng)一執(zhí)行單元陣列、媒體取樣器、紋理采樣器以及指令緩沖等等，架構(gòu)與上一代相比有了較大修改。

Sandy Bridge按照型號劃分了標(biāo)準(zhǔn)版以及“K”系倍頻解鎖版本，標(biāo)準(zhǔn)版本GFX命名為HD Graphics 2000，而唯獨(dú)K系列所擁有的GFX為等級更高的HD Graphics 3000，兩者的區(qū)別是前者擁有6個EU，而后者則達(dá)到了12個，全面支持Turbo Boost動態(tài)調(diào)整頻率，最高頻率可達(dá)1350MHz，支持DX10.1、SM4.1，支持OpenGL 3.0，性能上HD Graphics 3000比上一代有了翻倍的增長。

此外這一代核顯還增加了Quick Sync轉(zhuǎn)碼加速技術(shù)，利用內(nèi)置的編碼器可以支持MPEG2、VC1和H.264視頻各種的硬件編碼，Sandy Bridge所整合的圖形核心已實現(xiàn)了視頻解碼和編碼兩部分的硬件加速功能，可為用戶在視頻轉(zhuǎn)碼時節(jié)省更多的時間。

Gen7：Ivy Bridge

Ivy Bridge架構(gòu)圖

在Ivy Bridge上Intel針對核顯的改進(jìn)還是兩個方向，首先是進(jìn)一步提高GPU的性能，并且讓其支持DX11，第二點則是繼續(xù)提高核顯的功能，多屏輸出、高分辨率支持等。

Ivy Bridge的GPU增強(qiáng)了幾何前端、光柵化、像素后端處理、采樣器、尋址單元的并行運(yùn)算能力，每周期可以執(zhí)行2個MAC操作，GPU可以直接讀取L3緩存中的數(shù)據(jù)，圖形單元新增兩個可編程操作以及一個固定功能單元以支持曲面細(xì)分計算，并在解碼與顯示功能上做了升級。

同樣的核顯也分為兩種，分別是有16個EU單元的HD 4000和6個EU單元的的HD 2500，“K”系列處理器用的是HD 4000而其他處理器用的是HD 2500，最高頻率與SNB時代一樣是1350MHz，支持DX11、SM5.0，支持OpenGL 3.2，性能上HD 4000比上一代的HD 3000提升是67%。

Ivy Bridge支持Quick Sync 2.0編碼加速技術(shù)，與第一代相比，2.0版不僅速度更快，而且畫質(zhì)也會更高。視頻輸出方面也從原來的雙屏上升到三屏輸出，最大分辨率從原來的2560*1600上升到4k*4k級別。

Gen7.5：Haswell

Haswell架構(gòu)圖

Haswell采用的是Gen7.5核顯，這一代開始Intel的核顯開始了模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計，Haswell的顯示核心采用兩級EU團(tuán)簇結(jié)構(gòu)設(shè)計，上級的叫Slice，下級的叫Subslice，每個Subslice擁有10個EU，2組Subslice單元組成了1組Slice單元，這一代在GT1和GT2兩個級別之上又誕生了GT3核心，從此Intel就走上了暴力堆砌核顯規(guī)格的道路。

Haswell的GT1、GT2、GT3核顯分別擁有10個、20個和40個EU單元，此外還有一個帶嵌入式eDRAM的GT3e，核顯集成了128MB eDRAM，位寬512bit，帶寬可達(dá)64GB/s，這個嵌入式eDRAM是作為L4緩存存在的，可以同時提升CPU和GPU性能。

Intel的核顯一直以來都用HD Graphics來命名，不過與NVIDIA的GeForce還有AMD的Radeon相比這個名字還是不夠霸氣，因此從Haswell處理器的核芯顯卡開始，英特爾將引入新的名字“Iris”和“Iris Pro”，中文名為“銳炬”和“銳炬Pro”，分別對應(yīng)GT3以及GT3e核顯，具體型號則是Iris Graphics 5100和Iris Pro Graphics 5200。

這一代的桌面版酷睿處理器基本上都是使用GT2核顯，型號是HD Graphics 4600/4400，后者只用在Core i3-41xx系列處理器上，只有16個EU，對非K系列處理器來核顯性能是較上一代有大幅提升的，而真正需要高性能核顯的也是Core i3那種級別的，高端處理器基本都是配個獨(dú)顯。

奔騰和賽揚(yáng)處理器配的是GT1核顯，而這一代最強(qiáng)的GT3e核顯只出現(xiàn)在兩款桌面級處理器上，就是Core i7-4770R和Core i5-4670R，然而這兩個都不零售，是針對OEM市場的產(chǎn)品。

Gen8：Broadwell

Broadwell-H內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Broadwell主要都是面向移動市場，在桌面零售市場上其實就只有兩個CPU，Core i7-5775C和Core i5-5675C，配備Intel目前最強(qiáng)的Iris Pro 6200核顯，擁有128MB的eDRAM緩存，另外倍頻無鎖，可進(jìn)行超頻。

Broadwell上的Gen8 GPU架構(gòu)示意圖

Broadwell上使用的是Gen8圖形核心，Intel重新設(shè)計了Subslice單元，每組的EU單元從之前的10個下降到了8個，在同樣的采樣器及調(diào)度器下這意味著每個EU單元的效率提升了，而彌補(bǔ)EU數(shù)量可以通過提升Subslice單元 總數(shù)來完成，所以Broadwell的1組Slice單元有3組Subslice單元，EU單元總數(shù)是24個，Broadwell的GT1、GT2、GT3核顯分別擁有12個、24個和48個EU單元。

桌面零售版那兩個配備的Iris Pro 6200屬于帶eDRAM的GT3e核心，得益于核心規(guī)模的大幅提升，Core i7-5775C的核顯性能較上一代Core i7-4790K提升了將近80%，性能甚至吊打之后桌面的各種Skylake衍生物，不知道它和Rocket Lake的Xe核顯比起來有多大差距。

Gen9：Skylake

Skylake處理器核心

Skylake使用的Gen9代GPU其實與Gen8有很多地方都是相似的，每組Subslice單元依舊是24個EU，但是最多可以擴(kuò)展到3組Slice單元，也就是說最多會配備72個EU單元，因此Skylake也多出GT4這個級別的核顯。

GT4核顯可以支持3組Slice單元，72個EU單元

Skylake的Gen9架構(gòu)支持DX12、OpenCL 2.x、OpenGL 5.x、Vulkan等圖形規(guī)范，支持新的編譯器堆棧，功耗范圍從4W-65W+不等。此外，Gen9還支持HEVC/H.265、AVC、SVC、VP8、MJPG硬件加速，支持?jǐn)z像頭RAW架構(gòu)。

多媒體方面，Gen9架構(gòu)支持單一固定功能單元以降低功耗，Quick Sync轉(zhuǎn)碼單元也設(shè)計了固定功能的編碼器以降低功耗、延遲。此外，Gen9的視頻解碼、轉(zhuǎn)碼加速還支持了HEVC（H.265）、VP8、MJPEG等標(biāo)準(zhǔn)。

Skylake處理器上啟用全新的核顯命名

然而GT3/GT3e/GT4e這樣的高性能核顯只使用在移動版處理器上，桌面版的Skylake處理器基本上都是使用只有24EU的GT2，雖然較桌面版Haswell來說性能還是有所提升，但是幅度只有20%。另外還有兩個“P”后續(xù)的處理器用的是GT1核顯。

Gen9.5：Kaby Lake/Coffee Lake/Comet Lake

提到Gen9.5核顯就不得不說陪伴大家多年的HD/UHD Graphics 630了，它用了Kaby Lake、Coffee Lake、Comet Lake三代架構(gòu)，從桌面的第7代酷睿一直用到第10代酷睿，至今依然是Intel的現(xiàn)役產(chǎn)品。

Gen9.5增強(qiáng)了視頻硬解碼能力，使用了更強(qiáng)大的MFX多格式媒體編****硬件模塊，支持10bit HEVC、8/10bit VP9視頻格式的硬件解碼，10bit HEVC、8bit VP9視頻格式的硬件編碼；增加了Intel無線高清顯示技術(shù)支持，提高了AVC編碼效率。

對VQE視頻質(zhì)量引擎增加支持HDR和SDR，支持Rec.2020更寬廣的色域，使得輸出視頻畫面色彩具可塑性。從第八代酷睿處理器開始核顯名字從HD Graphics變成UHD Graphics，其實就是視頻輸出接口增加支持HDMI 2.0/HDCP 2.2標(biāo)準(zhǔn)，并沒有什么大變化。

而在Gen9.5核顯之后，因為Intel自己的10nm工藝難產(chǎn)，導(dǎo)致Gen10核顯伴隨Cannon Lake處理器一同胎死腹中，使得Gen9.5核顯從2017年開始一直服役至今。

Gen11：Ice Lake

沉寂多年那之后 Intel的10nm工藝終于熟了，Ice Lake架構(gòu)攜同Gen11核顯一同出現(xiàn)，得益于10nm工藝的高晶體管密度，Gen11的EU數(shù)量大幅提升，最大可以達(dá)到64組EU， 核顯首次達(dá)到了1TFlops的計算性能。

不過Ice Lake處理器只有用在第10代酷睿低功耗處理器上，桌面與移動標(biāo)壓處理器都是Comet Lake，所以用Gen11核顯的處理器并不多，Intel一共提供了G1、G4和G7三種配置的核顯，分別有32/48/64組EU，低端的G1命名仍為“UHD”，而G4和G7都以“銳炬Plus”的品牌出現(xiàn)。

在架構(gòu)上，Gen11核顯通過增加單個Slice中含有的子Slice來擴(kuò)大規(guī)模，使得每周期的計算次數(shù)增加。其次是在緩存系統(tǒng)上做文章，擴(kuò)大了三級緩存的容量，Intel方面公布的是EU的三級緩存有3MB，并且還有0.5MB的本地共享內(nèi)存。另外還有通過處理器的內(nèi)存控制器升級，能夠用上更高的內(nèi)存帶寬。

相比8代酷睿處理器上搭載的Gen9核顯，官方宣稱可以提供平均約1.8倍的幀率。

此外Gen11核顯支持VRS可變速率著色，它可以在不重要的畫面上面節(jié)約一定的GPU資源，使這部分GPU資源參與更加重要的部分畫面的渲染中，從而提高了整體的幀數(shù)，并且根據(jù)Intel的數(shù)據(jù)， 在支持VRS的游戲中可以讓幀數(shù)最大提高了30%。

在視頻接口方面，Gen11核顯新增支持HDMI 2.0b和DisplayPort 1.4 HBR3，輸出的最高分辨率和幀數(shù)有所提升，并且支持HDR。

在視頻硬件編碼部分，也就是Intel QuickSync特性使用的獨(dú)立硬件電路上，Gen11核顯也有比較大的改進(jìn)，現(xiàn)在支持兩條HEVC 10-bit同時進(jìn)行編碼，在YUV444的情況下最高支持兩條4K60幀視頻流，或者一條YUV422的8K30幀視頻流。

Gen12：Xe

Intel的第12代顯示架構(gòu)名為Xe，它可以說是Intel這些年來最有野心的產(chǎn)品，Intel將Xe GPU的架構(gòu)描述為可擴(kuò)展的向量-矩陣架構(gòu)，它的高度可擴(kuò)展性讓它能夠針對不同市場推出不同分支的架構(gòu)和產(chǎn)品，從面向高性能計算市場Xe-HPC，面向數(shù)據(jù)中心、AI計算的Xe-HP，再到面向游戲玩家的Xe-HPG和面向移動端的Xe-LP，多種多樣。

Tiger Lake與Rocket Lake處理器上所用的Xe-LP架構(gòu)是Xe架構(gòu)中面向于 低功耗產(chǎn)品的變種，架構(gòu)的主要關(guān)注點是能效比，也就是要在盡量低的能耗下提供盡量強(qiáng)的性能。

Tiger Lake-U集成的Xe-LP GPU擁有6組Slice共96組EU，在規(guī)模方面較Gen11核顯大了50%。而Tiger Lake-H與Rocket Lake上的核顯則只有2組Slice共32組EU，但與Comet Lake處理器相比圖形性能依然提升了50%。

在Xe-LP上，Intel大刀闊斧的對EU內(nèi)部進(jìn)行了調(diào)整，首先Gen 11的一對一的線程控制單元現(xiàn)在變成一對二了，也就是一個線程控制單元實際要負(fù)責(zé)兩個EU的任務(wù)。再往下，到具體的ALU上面，現(xiàn)在每個EU中含有8個用于處理浮點或整數(shù)指令的ALU，另外還有兩個只針對擴(kuò)展數(shù)學(xué)指令的ALU，從原本的4+4結(jié)構(gòu)變成了8+2，而且兩種類型的指令可以并行處理了。

在Xe-LP上，Intel大刀闊斧的對EU內(nèi)部進(jìn)行了調(diào)整，首先Gen 11的一對一的線程控制單元現(xiàn)在變成一對二了，也就是一個線程控制單元實際要負(fù)責(zé)兩個EU的任務(wù)。再往下，到具體的ALU上面，現(xiàn)在每個EU中含有8個用于處理浮點或整數(shù)指令的ALU，另外還有兩個只針對擴(kuò)展數(shù)學(xué)指令的ALU，從原本的4+4結(jié)構(gòu)變成了8+2，而且兩種類型的指令可以并行處理了。

顯示引擎方面，有四條4K分辨率級別的處理管線，支持兩條eDP，外部輸出接口則是支持DisplayPort 1.4和HDMI 2.0，當(dāng)然，具體的輸出接口可以是DP和HDMI，也可以是USB-C。其他像是8K輸出、HDR10、Dolby Vision、12-bit BT2020色域和自適應(yīng)同步都有支持，對顯示器的刷新率，最高可以支持到360Hz。這里很可惜的是，我們沒能見到原生的HDMI 2.1支持，廠商可能會通過轉(zhuǎn)接芯片去做支持。

媒體引擎方面，整個處理管線的編解碼性能提升了一倍，色深的支持升級到了12-bit，并且能夠支持HDR/Dolby Vision的回放。這里還有一個亮點是對AV1做了硬件解碼支持，這是一個面向于未來的特性。

目前大家見到的Xe核顯以及那個DG1獨(dú)顯只是Intel的Xe計劃的第一部，如無意外的話今明兩年內(nèi)我們會見到面向游戲玩家的Xe-HPG進(jìn)入市場，屆時我們將會在獨(dú)顯市場見到三足鼎立的情景。

其實Intel在早期CPU與核顯的搭配是有些問題的，越強(qiáng)的CPU配越強(qiáng)的核顯，但實際需求明顯是反過來的，還好這個問題早就改過來了，現(xiàn)在的11代酷睿處理器就很明顯，只有四核的Tiger Lake-U配的是擁有96組EU的GT2核顯，而Rocket Lake-S與Tiger Lake-H這些八核處理器則只配32組EU的GT1核顯，因為Tiger Lake-U是用在輕薄本的，多數(shù)沒有獨(dú)顯，得靠自己的核顯，而Rocket Lake-S與Tiger Lake-H則多數(shù)會配獨(dú)顯，核顯的性能就顯得不那么重要了，稍微精簡一點也沒所謂。

下一代的Alder Lake會繼續(xù)使用Xe架構(gòu)，同樣的核心數(shù)量更少的Alder Lake-P會配更強(qiáng)勁的GT2級別核顯，核心數(shù)量更多的Alder Lake-S則配GT1級別核顯，再下一代的Raptor Lake估計會用改良的版本。至于Xe架構(gòu)以后會如何進(jìn)化，由于Intel從AMD的圖形部門挖了不少人，所以大家其實可以參考AMD的GCN，預(yù)計會一步步慢慢優(yōu)化挖掘Xe架構(gòu)的潛能，當(dāng)然以Intel的家底，一邊優(yōu)化Xe的同時并行開發(fā)另一種架構(gòu)的GPU不是不可能的。