Así será Intel Alder Lake-S: detallamos todo sobre la arquitectura de CPU híbrida

El lanzamiento de Intel Alder Lake-S está a la vuelta de la esquina, e Intel ya ha introducido en su Architecture Day 2021, celebrado ayer, las que son las dos arquitecturas distintas en las que se basará. Estamos hablando del Efficient x86 Core y el Performance x86 Core, que serán combinadas de una forma híbrida muy interesante.

Pues bien, nosotros hemos asistido al Architecture Day, y os vamos a mostrar todo lo que nos han enseñado sobre Alder Lake.

Intel Alder Lake-S, una familia de CPUs híbridas

Desde Intel hacen una acertada analogía al coche híbrido a la hora de presentarnos estas CPU Alder Lake-S, teniendo en cuenta que se realiza una combinación de dos tipos de núcleos distintos en un mismo procesador:

• Núcleos de eficiencia (Efficient x86 Core), pensados para ofrecer los menores consumos posibles a base de una estructura interna más simple. Aquí, se planificarán tareas básicas. Por ejemplo, si estuviésemos jugando aquí irían tareas de segundo plano del sistema, aplicaciones como Discord, etc.
• Núcleos de rendimiento (Performance x86 Core), aquí la máxima prioridad está en ofrecer el mayor rendimiento posible, además de contar con un núcleo mucho más complejo a nivel lógico, que ofrecerá nuevos tipos de operaciones, a cambio de ocupar más área y consumir más.

Entonces, lo que nos proporciona el Efficient x86 Core de Intel Alder Lake-S es una alta eficiencia energética, pero a costa de un menor rendimiento. En Performance x86 Core es todo lo contrario, menos eficiente pero mucho más potente. ¡La solución es combinar ambos tipos de núcleos en la misma CPU! Esta es la arquitectura híbrida de Intel, muy similar al big.LITTLE de ARM.

Además, los núcleos Performance están optimizados para el rendimiento mononúcleo a baja latencia, frente a la alta productividad de los núcleos eficientes.

¿Y cómo se gestiona todo eso? Tranquilos, porque en este artículo te lo contaremos. Ahora pasamos a explicar cada una de las dos arquitecturas de manera individual.

Efficient x86 Core (Gracemont), mucho más rendimiento que Skylake con mucho menos consumo

Comencemos por el «Efficient x86 Core», el núcleo pequeño de Intel Alder Lake-S, y que antes se denominaba Gracemont. Aquí, el objetivo de Intel ha sido ofrecer la CPU x86 más eficiente posible, con una alta escalabilidad y un alto rango de voltajes para conseguir llegar a consumos mínimos.

También han mostrado el diseño completo de la arquitectura de cada núcleo en sí, donde destaca la mejora del predictor de saltos gracias a un aumento del historial de saltos (que permite a la CPU decidir mejor cuándo debe realizar un salto y cuándo no), y a un aumento de la caché de instrucciones. Sin embargo, no han proporcionado grandes detalles sobre esto.

Todas las mejoras internas conducen a un IPC superior a Skylake, según indica Intel. En concreto, a la hora de comparar 1 núcleo y 1 hilo de ambas arquitecturas obtenemos un 40% más de rendimiento a la misma potencia, y necesitamos gastar un 40% menos de energía a igualdad de rendimiento. Sin embargo, esta es una comparativa muy puntual y concreta, donde además se nos habla de latencia, y que está claramente marcada hacia el márketing y no la ingeniería.

Intel toma como referencia en sus comparativas a los núcleos Skylake por un motivo: son los que se han usado de la 6ª a la 10ª generación de procesadores, y solo Ice Lake (10ª generación a 10nm de portátiles), Tiger Lake (11ª generación de portátiles) y Rocket Lake (11ª generación de escritorio) se han basado en otros diseños.

Pues bien, cuando comparamos 4 núcleos y 4 hilos de esta nueva arquitectura frente a 2 núcleos y 4 hilos Skylake funcionando al mismo rendimiento, vemos que el consumo es un 80% inferior, lo que supone una mejora importante en la eficiencia energética. También nos muestran que esta combinación lleva a un 80% más de rendimiento. Si tenemos en cuenta que estamos ante el doble de núcleos, en realidad concluimos que no hay una gran mejora de rendimiento.

¿Es esto un problema? No, en absoluto, recordemos que estamos hablando de los núcleos enfocados en eficiencia, no en rendimiento, así que parece que cumplen con su propósito de minimizar el consumo, sin afectar notablemente a la productividad que pueden ofrecer.

Recordamos que estos núcleos de eficiencia no tienen HyperThreading, simplificando más su diseño a favor de menos consumo, pero el Performance x86 Core que veremos ahora sí.

Performance x86 Core, la joya de la corona

Pasamos a los núcleos antes conocidos como Golden Cove, que es la arquitectura Performance x86 Core. Aquí, la idea es acelerar enormemente el rendimiento de la CPU en propósito general, a la vez que introducen nuevos tipos de operaciones e instrucciones que permitan un mejor aprovechamiento de la inteligencia artificial para mejorar el rendimiento. Sin duda, el consumo queda en un plano secundario.

«La CPU de mayor rendimiento de toda la historia de Intel para la próxima década de la computación«, así definen al Performance x86 Core

La idea es que esta sea una alternativa capaz de soportar conjuntos de datos mucho más grandes, ante el gigantesco avance en los últimos años, dando así lo mejor para IA. Además, también buscan una arquitectura totalmente escalable que sea usable desde portátiles hasta centros de datos, pasando por los ordenadores de sobremesa.

Internamente, la nueva arquitectura cuenta con un predictor capaz de hacer un seguimiento mucho más avanzado, con más control simultáneo de objetivos de predicción.

También aumentan enormemente la capacidad lógica interna con 2 nuevos decodificadores, un aumento de la caché de micro-operaciones (µOps), han duplicado las páginas almacenadas en las TLBs (Translation Lookaside Buffers), mejorado el mecanismo de prefetching, añadido una 5ª unidad de ejecución de enteros, un nuevo FADD (sumador rápido de vectores)…

En la banda del subsistema de memoria, han mejorado su paralelismo y sus mecanismos de actuación ante conflictos en la caché, además de ofrecer una caché L2 de 1.25MB optimizada en latencia (en CPU domésticas) o de 2MB en CPU para centros de datos.

Arriba tan solo hemos condensado algunos de los cambios internos a nivel de arquitectura, pues hay mucho más. Pero lo importante es: ¿en qué medida mejora el rendimiento? Pues tendremos, a igualdad de frecuencia, un 19% más que las CPU Rocket Lake de 11ª generación. Esto apunta a una inmensa mejora del IPC de Intel Alder Lake-S en su parte de rendimiento, una excelente noticia.

Intel AMX, el nuevo AVX

También queremos mencionar brevemente que estas CPUs integrarán soprote para Intel AMX, un nuevo conjunto de instrucciones que permite la realización paralelizada de operaciones matriciales, y no vectoriales como es el caso del ya más que conocido AVX.

En este caso, estamos ante lo que se podría considerar un sucesor de AVX-512. Prometedor por la banda de las mejores capacidades que llevará a las CPU de trabajar con estos conjuntos, con un potencial increíble, aunque también hay que recordar que la adopción de AVX-512 es muy baja. No sabemos si ocurrirá lo mismo con Intel AMX, y solo el tiempo lo dirá.

Desde luego, es una buena noticia que se integre este nuevo conjunto de instrucciones en las CPU domésticas de Intel, y seguiremos informando sobre AMX a medida que se vaya conociendo más en el futuro.

Intel Thread Director, la magia que permite la planificación de Alder Lake-S

El mayor problema que presenta una CPU híbrida es la necesidad de decidir a qué tipo de núcleo debe ir cada tarea, pues evidentemente el procesador no sabe de qué programa se trata, sino que necesita deducir si es una aplicación correcta para núcleos de rendimiento o de eficiencia.

En concreto, hay 3 objetivos muy importantes en este sentido:

• Que sea transparente al software. Es decir, que no sea necesario absolutamente ningún cambio en los distintos programas para llevarse bien como el planificador. Esto facilita la transición a CPU híbridas.
• Permitir una adaptación en tiempo real de la planificación.
• Que funcione bien en todas las CPU: desde las más básicas de portátiles, hasta las de escritorio.

Pues bien, quien consigue esto es el Intel Thread Director, que funciona como una capa de hardware intermedia entre el planificador del propio sistema operativo y los propios núcleos. Este monitorizará a escala de nanosegundos el estado de cada núcleo y las instrucciones de cada hilo entrante, adaptando dinámicamente las tareas.

Además de esto, el Intel Thread Director algo totalmente nuevo, que es proveer información al sistema operativo de lo que está haciendo, para permitir que el propio planificador del SO se adapte mejor.

Windows 11 llegará plenamente optimizado para el Intel Thread Director. Es importante que lo uses (cuando salga) si compras una CPU Intel Alder Lake-S, aunque quizás también lo actualicen en Windows 10.

Las características de Intel Alder Lake: 3 sockets, DDR5, PCIe 5.0 y escalabilidad máxima

Como sabemos, estas dos arquitecturas de CPU se integrarán en Intel Alder Lake-S, de donde emanará la 12ª generación de procesadores Intel Core.

Aquí, al rendimiento híbrido gobernado por el Thread Director se le suma una gran escalabilidad tanto de núcleos como de potencia: veremos CPU de tan solo 9W, hasta los 125W de TDP. Otra cosa serán los límites de potencia, algo que por ahora desconocemos ya que Intel no ha revelado. Lo que sí sabemos es que se construirán bajo el nodo Intel 7, es decir, sus 10nm++ (Enhanced SuperFin).

Una de las grandes novedades de estas CPU serán los 3 socket sobre los que se aplicarán. Por una parte, el bien conocido LGA1700 para CPU de escritorio, el BGA Type3 para portátiles (con unas medidas de 50x25x.13mm), y el BGA Type4 HDI para portátiles extremadamente finos y eficientes, con unas medidas de solo 28.5x19x1.1mm, un área muchísimo más pequeña frente al otro socket para portátil.

Todo esto integrando los mencionados núcleos de potencia y eficiencia, además de todos los demás componentes de una CPU, y en particular habrá las siguientes configuraciones máximas de núcleos:

• Escritorio: 8 núcleos y 16 hilos de rendimiento, 8 núcleos y 8 hilos de eficiencia. En total, 16 núcleos y 24 hilos.
• Portátil: 6 núcleos y 12 hilos de rendimiento, 8 núcleos y 8 hilos de eficiencia. En total, 14 núcleos y 20 hilos.
• Ultra Portátil: 2 núcleos y 4 hilos de rendimiento, 8 núcleos y 8 hilos de eficiencia. En total, 10 núcleos y 12 hilos.

Recordemos además que estrenarán soporte para DDR5 (sin perderlo con DDR4) y para PCIe 5.0 / Gen5, con 16 líneas en las CPU de escritorio.

Destacar finalmente que usarán una interconexión similar a AMD Infinity Fabric, que serán el Compute Fabric, I/O Fabric y Memory Fabric.

Conclusiones: ¿Será Intel Alder Lake-S la revolución que prometen?

Intel Alder Lake-S promete ser la mayor revolución de la compañía en los últimos años, tanto por rendimiento como por el propio concepto de las CPU disponibles. A base de «atreverse» a usar una arquitectura híbrida, fuerzan un importante cambio que sin duda nos acompañará durante las próximas décadas.

Ahora bien, todo lo que sabemos hasta ahora viene muy de la mano de Intel. Es decir, que todos los datos «palpables» que tenemos (rendimientos, anchos de banda, etc) provienen de este Architecture Day, donde el protagonismo lo tienen los ingenieros, pero obviamente hay mucho márketing de por medio. Entonces, no podemos saber al 100% cómo de rompedoras serán estas CPU.

Es decir, al no tener datos independientes por ahora no podemos saber si Intel Alder Lake-S tendrá puntos débiles importantes, por ejemplo si la planificación de los núcleos híbridos no es óptima.

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Sea como sea, Intel Alder Lake-S tiene una muy buena pinta, y esperamos que se cumpla toda la revolución prometida por la compañía. Recuerda, la competencia nos beneficia a todos, y ver a los dos fabricantes de CPU x86 dándolo todo por revolucionar la tecnología es verdaderamente placentero.

¿Qué opinas de las futuras CPU de Intel? ¿Crees que conseguirán dar la talla? ¡Déjanos tus comentarios!