TechWeb 文 / 新喀鴉
隨着科技的不斷進步，英特爾推出了“大小核”CPU以試圖在性能和功耗之間找到平衡。然而，這一創新是否只是應對當前市場挑戰的一種過渡方案？本文將深入探討其背後的設計理念，分析在實際應用中面臨的任務調度挑戰，並展望其未來發展趨勢，爲讀者帶來全新的思考視角。
“大小核”之緣起
2021年10月，英特爾發佈了第12代酷睿處理器，正式引入了“大小核”設計，也就是官方口中的“異構多核”。
當時，英特爾的競爭對手（蘋果、AMD）大概率能用上臺積電5nm工藝，而英特爾大概只能使用Intel 7工藝。要知道，台積電5nm工藝幾乎可以算是領先了Intel 7工藝一個大版本，採用5nm工藝製造的CPU性能更強且更加省電。在工藝短期內無法突破瓶頸的情況下，英特爾決定在芯片設計方面“整個活”，“大小核”方案應運而生。
對於一款CPU來說，我們可以採用PPA進行評估，即：Performance（性能）、Power（功耗）、Area（尺寸）。換句話來說，芯片的設計目標是實現更高的性能、更低的功耗和更小的面積。
英特爾的“大核”：最大限度地提高單線程性能和響應速度。從PPA的角度來看，就是優先堆性能，功耗和尺寸不是很在意。不過這樣的結果就是性能上限很高，但能效（每瓦可提供的性能）很差。
英特爾的“小核”：爲現代多任務處理提供可擴展的多線程性能和高效的後臺任務卸載。從PPA的角度來看就是用不是很大的功耗和尺寸實現不錯的性能。這樣做的結果就是能效很高，但性能上限會差一些。
理想情況下，將高性能的大核與高效能的小核融合，能夠靈活地應對各類任務挑戰。在這種模式下，輕量負載任務可以分配小核去處理，功耗大大降低；大核則可以專注於重負載任務，無需操勞其它輕量任務。對於筆記本電腦等移動設備來說，這種模式還可以降低發熱量，增強續航能力。
然而現實並不理想。
任務調度的困難
“大小核”在電腦上的最終表現取決於很多方面的因素。由於電腦上的應用往往是直接跟操作系統“打交道”，因此操作系統的任務調度機制成爲了最關鍵的一環。由於採用了“大小核”方案設計的CPU內部集成了兩種不同性能的核心，這就造成了在調度層面上會比單一核心架構更爲複雜。調度這兩種核心時，需要考慮到它們各自的特點和性能差異，從而增加了調度的複雜性。
我們在這裏簡單分析一下世界上兩大系統廠商——蘋果和微軟分別是如何解決這個問題的。
首先從系統調度策略上看：蘋果搞QoS比微軟早，而且還比微軟細。
根據蘋果官網上的文檔顯示，蘋果的開發者可以設置進程的QoS等級，然後系統可以根據QoS優先級來調度。
另外根據文檔日誌顯示，該文檔最初更新於2014年7月，最後更新於2016年9月。也就是說蘋果這套“解決方案”已經搞了大概10年。在這10年間，應用和系統之間的磨合已經達成了默契，每個程序應該跑大核或者小核已成定數。
而微軟方面則是在Windows 10 1709版本才加入基本的QoS策略。而且這個QoS策略做得比較粗糙，比如對於不同窗口狀態下的服務質量僅分成了高、中、低三擋。
因此從系統調度策略上看，蘋果勝。
之後我們從軟件生態和應用方面看：蘋果的軟件供應商更聽話，更加願意配合蘋果去優化適配“大小核”。
由於很多蘋果用戶習慣於從“蘋果商店”下載應用程序。而應用程序想要上架“蘋果商店”需要服從蘋果的相關規範。所以對於蘋果來說，讓整個生態適配大小核設計是比較容易的。而對於微軟來說，微軟長期的策略是保持強大的兼容性。比如一些很老舊的軟件放在新系統上仍然能夠運行。不過這些老舊軟件肯定是沒有QoS策略的，而對於微軟來說並沒有辦法強制讓老舊軟件的原始開發者回來更新軟件。所以老舊軟件對於“大小核”方案的適配工作其實很難推進。而對於新軟件來說，它也並不一定要寫QoS策略。畢竟“微軟應用商店”的存在感非常低，微軟沒有太好的辦法強制軟件商去適配“大小核”方案。
因此從軟件生態和應用方面看，蘋果再次獲勝。
所以從這個局面上看，英特爾要想搞“大小核”CPU，去抱蘋果大腿才是最優選擇。
但是，英特爾已經沒有這個選項了。英特爾在搞“大小核”的時候，蘋果那邊已經開始要使用自己的CPU了，也就是M1系列。所以英特爾“大小核”CPU+蘋果系統的組合基本上是不太可能了。這種情況下消費級市場上也就主要是Windows+英特爾“大小核”方案了。
雖然微軟在“大小核”適配方面不太給力，但英特爾方面其實也沒有完全躺平。英特爾推出了硬件線程調度器（Thread Director），英特爾硬件線程調度器通過識別每個工作負載的級別並使用其能源和性能內核評分機制，幫助操作系統將線程調度到性能和效率最佳的內核上。但是官網上關於硬件線程調度器有這樣一段描述需要注意：“向操作系統提供運行時反饋，以便針對任何工作負載做出最佳決策。”
也就是說“硬件線程調度器”可以向操作系統提出任務調度的相關建議，但操作系統聽不聽它的就是另一個問題了。
所以“硬件線程調度器”並不是一個可以獨立解決問題的方案，很大程度上還是需要依靠微軟的配合。而且英特爾這邊也需要相當長的時間打磨自己的調度算法，才能讓這種調度方式良好運行。
Intel 3工藝與至強6
“大小核”起源於工藝落後，最終也許會因爲工藝進步而結束。
從英特爾前不久發佈的至強6系列處理器中，就可以看出一些端倪。
至強6處理器分成了兩大產品系列——能效核處理器以及性能核處理器。其中能效核處理器專門針對高核心密度和規模擴展任務所需的高效能優化，而性能核處理器則面向計算密集型和AI工作負載所需的高性能進行優化，兩者架構兼容，共享軟件棧和開放的軟、硬件供應商生態。
簡言之，至強6系列處理器回到了之前的“傳統”設計思路。
而這背後的原因，是因爲至強6能效核處理器用上了Intel 3製程工藝。與上一個製程節點Intel 4相比，Intel 3實現了約0.9倍的邏輯微縮和17%的每瓦性能提升，高於業界一般標準。此外，英特爾對EUV（極紫外光刻）技術的運用更加嫺熟，在Intel 3的更多生產工序中增加了對EUV的應用。Intel 3還引入了更高密度的設計庫，提升了晶體管驅動電流，並通過減少通孔電阻優化了互連技術堆棧。英特爾現在所使用的Intel 3工藝已經不再明顯落後於同行。
這樣一來，英特爾如果回歸到“每個處理器中只有一種核心”的“傳統”模式，那麼操作系統的調度就會相對更容易。用戶的選擇也會變得更容易，可以根據使用場景來選擇自己需要的產品線。
全面回歸“傳統”設計 非一朝一夕
至強6處理器的問世爲消費級“大小核”CPU帶來了一種全新的發展思路。在當前工藝不斷進步的背景下，堅持大小核設計似乎沒有那麼必要。回歸至"傳統"的設計理念可以簡化複雜的任務調度問題，確實成爲了一種可行的策略。然而，即便有這樣的想法，實際推行起來卻並非易事。
現在英特爾雖然有了Intel 3工藝，但由於新工藝成本高、產能有限，全面普及應該還需要很長的時間。就比如英特爾於2023年10月發佈的最新的第14代酷睿處理器仍然使用Intel 7工藝，連Intel 4工藝都沒有用上。
而且“大小核”方案在低功耗設備上的優勢確實存在。所以英特爾要放棄“大小核”方案應該會從功耗不敏感的臺式機處理器入手，之後循序漸進再到筆記本平台。舉例來說，即將在今年第三季度面世的針對筆記本平台的Lunar Lake處理器，依然沿用了大小核設計。這一選擇無疑表明，在未來幾代的筆記本平台CPU中，大小核設計仍將佔據主導地位。（新喀鴉）