Lion Cove | Conheça a fundo os novos núcleos de desempenho da Intel

Com o lançamento dos novos processadores Intel Core Ultra 200 e 200V, a Intel também atualizou a arquitetura P core para desempenho. No lugar dos chips Raptor Cove e Redwood Cove, dos chips Raptor Lake (Refresh) e Meteor Lake, respectivamente, a empresa apresentou o novo Lion Cove, com uma série de mudanças profundas tanto no design quanto na operação.

A nova arquitetura de núcleos foi totalmente redesenhada, inclusive modificando a presença ou ausência de hyperthreading nos núcleos físicos, que está presente nos produtos da empresa desde 2002 com o primeiro Xeon.

Durante a semana que antecedeu a Computex 2024, o Canaltech participou do Intel Tech Tour, também em Taiwan. No evento fechado à imprensa especializada, a empresa apresentou detalhes sobre os novos núcleos Lion Cove, bem como os impactos das mudanças nos novos produtos Intel Core Ultra 200 e nas futuras gerações de processadores.

Separação do Agendador de CPU

O CPU Scheduler — ou escalonador de CPU — é o componente responsável por selecionar os processos na memória que estão prontos para serem executados e alocá-los na “fila de execução” da CPU. A primeira e maior mudança nos novos núcleos Lion Cove é a separação do Unified Mathematical Scheduler em um Agendador Integral e um Agendador Vetorial.

Quais são os benefícios desta separação?

O primeiro benefício da mudança é uma melhor eficiência energética, resultante da capacidade de controlar melhor o programador. Por exemplo, se não houver nenhum código vetorial em execução, o escalonador vetorial poderá ser desativado para reduzir o consumo geral de energia ou realocar essa energia para outras partes do núcleo, permitindo potencialmente que outras partes do núcleo operem em frequências mais altas.

A segunda grande vantagem de dividir o escalonador é simplificar a operação de todo o projeto. Com um agendador unificado de 5 portas lógicas, todas essas portas precisam lidar com instruções integrais de 2 operandos e vetoriais de 3 operandos, o que significa que você precisa ter um total de 15 portas.

Além disso, também precisa suportar mascaramento, método que define a exibição ou ocultação de dados dependendo do processo lógico. Portanto, dependendo do processo, um escalonador unificado precisaria lidar com quase 20 operandos simultaneamente, reduzindo sua eficiência.

Ao dividi-lo em dois escalonadores, é possível reduzir o escalonador vetorial a um design de 4 portas com 3 operandos — até 12 simultâneos — e mascaramento, e um design integral de 6 portas para apenas 2 operandos, também até 12 simultâneos. . Como resultado, as filas de execução de instruções são otimizadas, eliminando a necessidade de usar escalonadores robustos para tarefas simples.

Mudança na hierarquia do cache

Outra mudança nos núcleos do Lion Cove é a introdução de um nível intermediário de memória cache, acompanhado pela renomeação de uma das camadas de memória de baixo nível. O que antes era chamado de Cache L1, com latência de 4 ciclos computacionais e volume de 48 KB, agora é chamado de L0.

O novo cache L1 é um pouco mais lento, com latência de 9 ciclos computacionais, mas relativamente maior, com 192 KB de capacidade. Servirá como memória buffer entre o novo cache L0, ainda extremamente rápido, e o já conhecido cache L2, maior (3 MB), mas consideravelmente mais lento, com latência de 17 ciclos.

Assim como acontece com todo o design dos novos processadores, a intenção é diluir eventuais gargalos de desempenho entre componentes em camadas intermediárias de hardware. Funcionam como estágios transitórios de informações, permitindo acesso mais rápido às instruções prioritárias sem a necessidade de acelerar toda a montagem do núcleo, reduzindo as perdas de energia e, consequentemente, o aquecimento.

Hiperthreading opcional

A mudança mais impactante nos núcleos Lion Cove é a presença opcional de hyperthreading. A funcionalidade está nos chips Intel desde 2002, mas começou a ser menos enfatizada em 2022 com os processadores Alder Lake, que introduziram uma arquitetura desagregada, trazendo núcleos de desempenho (P) e núcleos de eficiência (E), com e sem hyperthreading, respectivamente.

O Hyperthreading permite que o mesmo núcleo funcione com duas linhas paralelas de execução de instruções, ou threads. Por mais que isso permita otimizar o pipeline de instruções, a tecnologia fazia mais sentido quando cada processador tinha apenas um tipo de núcleo.

Começando com os Intel Cores de 12ª geração, o pipeline de núcleos P muitas vezes acaba subutilizado. Muitas das cadeias de instruções que rodavam em threads adicionais estavam relacionadas a processos constantes e mais leves do sistema, e passaram a ser direcionadas para os núcleos de eficiência.

Embora isso libere threads nos núcleos P para tarefas exigentes, os programas em PCs domésticos que se beneficiam desse recurso excedente são muito raros. Na verdade, esse é um dos principais motivos pelos quais os jogos tendem a ter melhor desempenho em CPUs com frequências mais altas, mesmo que tenham menos threads.

Lago Lunar sem Hyperthreading

Cada tipo de código possui um limite de ganho de desempenho por número de threads, calculado pela Lei de Amdahl. Aparentemente, desde a chegada dos núcleos híbridos, essa conta passou a fazer cada vez menos sentido para alguns mercados, e a partir dos núcleos Lion Cove, apenas linhas selecionadas de processadores manterão o hyperthreading.

Os chips Lunar Lake, para sistemas móveis como IA PCs, são a primeira geração da Intel em 20 anos a eliminar o hyperthreading. Considerando que eles também contam com os novos núcleos e NPUs Skymont de eficiência, a remoção dos threads adicionais do Lion Cove possibilita entregar menor consumo de energia, frequências mais altas e até 10% mais desempenho por área de núcleo.

Arrow Lake com Hyperthreading

Nos processadores Arrow Lake, voltados para desktops, o sistema tem muito menos restrições de energia e dissipação térmica. Dessa forma, você não precisa se preocupar tanto em entregar um processador de baixo consumo de energia e pode manter o hyperthreading para aproveitar ao máximo o desempenho do processador.

Por que isso não foi feito antes?

A maior limitação na produção de chips está no processo de fabricação, que envolve impressão extremamente delicada de circuitos através de processos de irradiação, a microlitografia. Até então, cada arquitetura Intel usava uma abordagem de agregação de chips chamada “Sea of ​​FUBS” (Functional Unit Block).

Porém, começando com Lunar Lake e Arrow Lake, a precisão das lentes utilizadas no novo processo de microlitografia permitiu aumentar a modularidade desde o nível dos FUBs até o das células lógicas menores. O novo processo, denominado “Sea of ​​Cells”, garante que mesmo em arquiteturas essencialmente idênticas, é possível customizar componentes específicos, redesenhando apenas os wafers estritamente necessários, possibilitando, por exemplo, núcleos Lion Cove com e sem hyperthreading dependendo do projeto.

Mais desempenho e potencial de modularidade

Até os processadores Meteor Lake, os núcleos de desempenho só podiam realizar uma multiplicação integral por ciclo computacional. Com a nova arquitetura, além de criar um escalonador integral dedicado, a Intel também adicionou Unidades Lógicas Aritméticas (ALU) adicionais aos componentes de execução integral, passando de 5 para 6.

Essa combinação permite que os novos núcleos executem até 3 operações completas por ciclo computacional, o que na prática se traduz em muito mais poder computacional bruto. Em termos gerais, apenas os núcleos Lion Cove entregam 14% mais desempenho em relação aos núcleos Redwood Cove da primeira geração do Intel Core Ultra, sem considerar o restante das melhorias no conjunto de CPU.

Porém, o bom salto geracional de desempenho é mais consequência do que motivação para o desenvolvimento de novos núcleos. O maior benefício do design do núcleo Lion Cove é fornecer uma estrutura de matriz de silício ainda mais desagregada do que a Intel já vem fazendo, expandindo a granularidade e modularidade do processador.

Quanto mais componentes individuais houver na CPU, mais fácil será identificar pontos fracos em cada geração e atacar apenas os pontos que geram potenciais gargalos. Com isso, a Intel consegue direcionar os investimentos em P&D, diluindo custos e resultando em avanços mais rápidos e eficientes entre gerações, com possibilidade até de criar produtos sob medida para mercados específicos, como estações de trabalho ultrafinas ou consoles portáteis.