英特尔架构日2021：游戏独显Xe-HPG浅析

聊完Alder Lake架构之后，自然要聊聊英特尔架构日上的重头戏Xe-HPG GPU。在过去几年中，英特尔一直在进入独显市场的门口反复徘徊，希望推出一款具备战斗力GPU产品，而这个时间点放在了2022年。

虽然还没有正式涉足消费GPU领域，但英特尔已经准备了一套完整的GPU设计和架构，高性能GPU包含了Xe-HP、Xe-HPC和Xe-HPG三款产品，其中Xe-HPG被唯一进军游戏市场的重任，也就是之前经常被提到的DG2。

在2021英特尔架构日上，英特尔放出了更多关于Xe-HPG的信息。

新基本单位：Xe-Core

如此前报道一样，Xe-HPG衍生出来出来的Alchemist炼金术士GPU正是为了与AMD、NVIDIA展开正面竞争而存在。按照规划Intel ARC品牌在未来将包含Alchemist炼金术士，Battlemage战斗法师、Celestial天人和Druid德鲁伊数个架构，打出一套关于GPU的组合皮埃。

由此可见Xe-HPG在一开始就开始承担重任，它并非Xe-LP的扩充版本。相反，英特尔引入了一个全新的基本模块，即Xe-Core。换而言之，以往的EU或者执行单元无法再确切表达英特尔GPU相关描述。

Xe-Core可以理解为向量与张量ALU的集合，配备L0和L1缓存单元。在逻辑层面上与Xe-LP子切片、NVIDIA SM（流式多处理器）接近。如果稍微了解一点GPU的同学可能会清楚，单元层级之间并非一成不变，例如NVIDIA在更新架构的时候就曾经对SM层级进行修改。

从公布的内容来看每个Xe-Core中会包含有16个矢量引擎（Vector Engines，VE）和16个矩阵引擎（Xe Matrix eXtensions，XMX）。

先说矢量引擎。每个矢量引擎在每个周期内可以处理256bit。如果再向下拆解，每个矢量引擎包含8个FP32 ALU，与Xe-LP EU大致相同。由于16个矢量引擎每个时钟能够处理128次FP32操作，即FMA吞吐量为256 FLOPS，那么在每时钟吞吐量上也与NVIDIA Ampere GPU的SM相同。

在Xe-Core中，每16个矢量引擎与16个矩阵引擎配对，用于矩阵和张量计算，这里英特尔使用了一个专有名词来命名，即Xe Matrix eXtensions，缩写XMX，可见其重要性。XMX主要用于AI加速、矩阵/张量计算，每个XMX引擎使用一个8深度脉动阵列制。XMX每个时钟周期执行8套512位宽的矩阵计算运算。这些矢量和矩阵引擎由一个可以每个时钟周期取回512B数据的宽加载/存储单元支持。每个Xe-Core有512KB L1的数据缓存。

虽然SM、Xe-Core在矢量吞吐上相匹配，但是英特尔拥有2倍于NVIDIA的矩阵运算吞吐，能够执行的数量是ALU数量的两倍，这意味着英特尔GPU仍然倾向于在矩阵运算、人工智能计算上投入更多资源。但需要注意的是，目前为止大多数图形着色器是用不上XMX的。

渲染切片：构成完成GPU

在Xe-Core的基础上，Xe-HPG再向上一层的逻辑是渲染切片（Render Slice），与Xe-LP一样，切片给英特尔GPU提供了大部分的功能。

对于即将发布的炼金术士Alchemist而言，一个切片包含4个Xe-Core，4个光线追踪单元，4个纹理采样器、几何/光栅化前端，2个像素后端。这样4:4:4的布局意味着炼金术士GPU内，每个Xe-Core都拥有自己的纹理采样器和光线追踪单元。

同时，英特尔还确认光线追踪单元使用的是加速光线遍历、求交测试、交汇点着色计算过程，与NVIDIA RT Core相类似。

从目前来看，完整的Alchemist GPU最多拥有8个渲染切片，连接这些切片后端的是传统的内存结构，也就是图片中的L2缓存。不过从架构图中还暂时看不到PCIe接口、媒体引擎、显示控制器等周边部分。而从此前Linux驱动程序显示的情况来看，Alchemist GPU将支持DisplayPort 2.0，英特尔成为首个支持DP新标准的厂商。

如果按照8个渲染切片来推算，明年发布的Alchemist GPU将包含32个Xe-Core，4096个FP32 ALU，支持DirectX 12 Ultimate，具备XMX矩阵引擎，以及对最新标准的支持。事实上，光是前面提到的纸面参数，就已经是DG1 Xe-LP GPU矢量引擎ALU数量的5倍。

XeSS：对抗DLSS的杀手锏

在推出架构的同时，用来优化游戏图像的Xe Super Sampling，也就是XeSS技术也推到了众人面前，类似于当下火热的NVIDIA DLSS，AMD FSR，通过一系列AI优化算法，以更低的运算资源作为代价，换取更高的性能和图像质量。

因此XeSS技术在一种结合空间和时间在AI图像上进行提升的技术，在宣布ARC品牌之前，英特尔已经进行了很长时间的研发，并且SDK将在本月交付给游戏开发商。

在优化表现上，XeSS技术主要竞争对手应该是NVIDIA DLSS 2.X。特别是针对当下的4K显示屏愈发便宜，8K显示内容蓄势待发，依靠Alchemist GPU内置的XMX的庞大数量，英特尔显然希望一开始就能将XeSS做到最好。

在方法上，是英特尔让使用了空间数据（相邻像素）和时间数据（前一帧运动物体向量）组合交于神经网络进行学习，但如何处理重影、混叠和在其他产品中可能会产生的Bug尚不得而知。

除了需要XMX硬件支持的版本，XeSS也在考虑纯软件版本，即可以在Xe-LP上付诸实践，让XeSS技术支持拥有更广阔的范围。甚至类似AMD FSR兼容N卡一样，让XeSS成为一项更普遍的技术，也因为如此，英特尔最终计划在某个时间点开源XeSS SDK和对应工具，以获得更广泛的第三方支持。

在架构日上，英特尔展示了一些XeSS在虚幻引擎中的实际操作视频，可以看到XeSS已经能够做到将1080p分辨率的内容做到与4K渲染画面基本相同的级别。

值得注意的是，目前英特尔已经完成了针对GPU内存管理器、着色编译器的改造，游戏加载时间缩短了25%，密集型游戏吞吐量提18%。XeSS作为一项能够横跨软件和硬件的技术，势必成为未来一段时间英特尔GPU的主要卖点之一，因此能够看到XeSS会在短时间内快速发展，最终对NVIDIA DLSS技术构成威胁。

台积电N6制造

当然，对于英特尔而言，能够尽快将Alchemist GPU造出来投入市场赚钱才是正经事，这里英特尔将制造交给了更具竞争力的台积电7nm工艺，同时台积电7nm工艺也用于制造AMD GPU，NVIDIA则使用相对落后的三星8nm。

英特尔宣布Alchemist GPU将成为首批使用台积电N6工艺的产品，本质上N6即是台积电7nm工艺的改进版本，虽然N5工艺猛，但经济实惠。N6工艺在台积电7nm的基础上，用EUV层替代了部分DUV层，密度提高了约18%。

如果GPU真的能在2022年第一季度发布，那么英特尔Alchemist GPU无疑会成为市面上工艺最先进的GPU，进而帮助英特尔ARC品牌打开市场局面。

同时，英特尔工程师也在研究效能更高的Alchemist GPU，通过优化逻辑电路设计，达到节能和提升时钟频率的设计。从公布的数据来看，相比Xe-LP，英特尔的电源效率和时钟频率提升了50%，其中时钟频率大约会在2.4GHz左右，介于NVIDIA和AMD之间，FP32单精度着色器计算吞吐量估计为18.5 TFLOPS，将达到Xe-LP DG1的9倍。

最后：2022蓄势待发

作为英特尔向消费级GPU迈出的第一步，Alchemist GPU还有许多谜题尚未披露，但从未来多架构发布的节奏来看，英特尔已经做好了长期坚持的准备。毕竟游戏GPU领域一个手掌拍不响，需要与游戏工作组、引擎、各项标准匹配，需要长时间的积累和进步。

历经了DG1的小试牛刀，DG2无疑会更向前跨进一步，至于即将到来的Alchemist GPU会是什么样的表现，相信我们很快就能知道了。