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至強融核

一款英特爾的協處理器

至強融核（Xeon Phi）協處理器，是首款英特爾整合眾核（Many Integrated Core，MIC）架構產品。[1]用作高效能計算（HPC）的超級電腦或伺服器的加速卡。最多72個處理器核心，每個核心擁有4個超線程，最多288個線程，超線程無法關閉。與之競爭的是GPGPU（通用圖形處理器）在HPC領域應用的普及。英特爾至強融核協處理器提供了類似於英特爾至強處理器編程環境的通用編程環境。多個英特爾至強融核協處理器可安裝在單個主機系統中，這些協處理器可通過 PCIe 對等互連相互通訊，不受主機的任何干擾。

整合眾核架構 (MIC)
設計公司Intel
指令集架構設計策略擴充了x86/x64的眾核設計
通用暫存器x86-64暫存器
浮點暫存器512位元SIMD向量暫存器

歷史

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前身

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前身為2006年[2]英特爾宣佈的研發產品Larrabee的眾核架構（many core architecture），這是基於P5微架構內核，每核4路超線程，512位元SIMD，內部環形數據匯流排，擴充的高速緩衝記憶體一致性的眾核系統。Larrabee用於GPU產品的開發於2010年5月終止。[3]

2009年開始的英特爾的Single-chip Cloud Computer（英語：Single-chip Cloud Computer）多核微處理器原型，[4]這是用於雲端運算數據中心在單晶片上部署多核（原型為48核），硬件支援對每核的頻率與電壓控制以最大化能耗效用，還有mesh網絡用於片間通訊。該設計缺乏高速緩衝記憶體一致性內核，主要用於使設計適用於很多核的情形。[5]

2007年披露的Teraflops Research Chip（英語：Teraflops Research Chip）研究專案[6]是片上80核，每核2套浮點單元，非x86實現而是96位超長指令字架構。[7]該專案研究了核間通訊方法、片上能耗管理，獲得了1.01 TFLOPS在3.16 GHz功率62 W。[8][9]

至強融核的原型Knights Ferry

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英特爾 整合眾核（Many Integrated Core，MIC）原型板，命名為Knights Ferry於2010年5月31日發佈。該產品源於Larrabee專案與英特爾其他研究包括 Single-chip Cloud Computer。[10][11]

該產品在一塊PCIe板上佈設了有序的32顆1.2 GHz處理器核心，每核4線程，2 GB GDDR5板上主記憶體，[12]，8 MB coherent L2高速緩衝記憶體（每核256 KB以及32 KB L1代碼高速緩衝記憶體，32 KB L1數據高速緩衝記憶體），功耗~300 W,[12]，使用45 nm製程。[13]板上的Aubrey Isle內核控制 1,024位元寬的環形匯流排（雙向512位元）連接各核與主主記憶體。[14]單板效能超過750 GFLOPS。[13]原型板僅支援單精度浮點數指令。[15]

最初用戶包括歐洲核子研究組織，韓國科學技術情報研究院（英語：Korea Institute of Science and Technology Information）與萊布尼茲超級計算中心（英語：Leibniz Supercomputing Centre）。硬件廠商包括IBM, SGI, HP, Dell等。[16]

第一代產品

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第一批至強融核的研發代號為Knights Corner，2011年公佈，使用22納米製程與3維三柵極結構電晶體。[10][13]繼承了Larrabee的每核4路SMT線程，512位元SIMD單元，32KB L1 指令cache，32KB L1數據cache，一致的L2cache（每核512 KB），每個核心專用的二級高速緩衝記憶體由全域分佈的 (global-distributed) 標籤目錄（TD）保持完全一致；16套主記憶體控制器均勻分佈在環上，連接片上的GDDR5主記憶體；PCIe客戶端邏輯通過PCIe IO部件連接主機主記憶體；所有這些組件都由頻寬極高的雙向環形匯流排互連在一起，其中數據環是單向512位元頻寬，還有雙向的地址環（傳送讀/寫命令和主記憶體地址）與確認環（傳送流控制和一致性訊息），由於模擬實驗證實地址環與確認環會在32個核心並列時飽和，最終設計是在每個方向使用2個地址環和2個確認環。英特爾眾核架構的計算核心是基於修改版的P54C設計，最初用於Pentium（即80586），指令流水順序執行，提供4路超線程，該x86架構的電路實現只佔內核面積的2%。[17]這利用了x86的技術創造了x86相容的多核架構可利用已有的並列軟件工具。[13]至強融核協處理器核心的一個重要組件是向量處理單元 (VPU)，包括一種新型的512位元SIMD指令集，其正式名稱為英特爾® 初始眾核指令集（英特爾® IMCI）。VPU每周期可執行16路單精度或8路雙精度浮點運算。VPU還支援融合乘-加 (FMA) 指令，還可提供整數支援。VPU 還包括擴充數學單元 (EMU)，它可執行超越運算，如倒數、平方根和對數，從而支援高頻寬向量式執行這些運算。EMU 通過計算這些函數的多項式近似值進行運算。

L2高速緩衝記憶體的一致性問題：當某個核心訪問它的L2高速緩衝記憶體發現缺失時，地址請求會通過地址環形匯流排傳送至各核心的標籤目錄（distributed Tag Directory）。每個核心及標籤目錄通過一個匯流排控制器（ring stop）與環形匯流排項連。如果請求的數據塊位於另一個核心的L2高速緩衝記憶體中，那麼轉發請求會通過地址環形匯流排傳送至該核心的L2高速緩衝記憶體，隨後在數據環形匯流排上載輸該數據塊給發出請求的核心的L2高速緩衝記憶體。如果請求的數據並未存在於任何核心的L2高速緩衝記憶體中，那麼最初的核心將請求的主記憶體地址傳送給協處理器的各個主記憶體控制器。

電源管理：一個核心的4條超線程全部停止，該核心立即進入C1節電狀態；在任何時間，都可關閉或開啟任意數量核心的電源。當所有核心未檢測到活動，標籤目錄、互連、二級高速緩衝記憶體和主記憶體控制器都轉入節電狀態C6。主機驅動程式可讓該協處理器處於更深度的睡眠狀態或空閒狀態，其中所有非核心的電源開啟，GDDR 處於自我重新整理模式，PCIe 邏輯處於喚醒的等待狀態，GDDR-IO部件的功耗極低。

程式設計工具包括OpenMP，OpenCL[18]。Cilk/Cilk Plus與英特爾的專門版的Fortran, C++編譯器[19]與數學庫。[20]Knights Corner指令集的文件可從英特爾網站獲得。[21][22][23]

不計客戶定製化產品，至強融核第一代共有3100/5100/7100等型號，分別有57/60/61個核心及6GB/8GB/16GB的片上GDDR5記億體，1 TFlops/1.01 TFlops/1.2TFlops雙精度浮點計算，240/320/352 GB/sec的主記憶體頻寬，300W/225W/300W的TDP功耗。[24][25][26]每款型號按散熱器的不同，包括主動式、被動式和沒有散熱器，主動式（A）指有風扇，被動式（P）則只有一塊很大的散熱片，沒有散熱器（X）需要配合水冷使用。

研究者的評測表明，至強融核發揮其計算效力需要簡單的數據結構與高度並列；如果編譯器驅動的並列或向量化失敗，則難以在至強融核上編程。[27]

2011年6月，SGI宣佈利用英特爾的眾核架構開發高效能計算產品。[28]

2011年9月，德克薩斯先進計算中心 (TACC)（英語：Texas Advanced Computing Center）宣佈用Knights Corner加速卡建成了10 petaFLOPS "Stampede"超級電腦，提供8 petaFLOPS計算能力。[29]該超級電腦還將使用下一代的Knights Landing眾核加速卡把峰值計算速度提升為至少15 PetaFLOPS"。[30][31]

2012年6月18日在漢堡召開的國際超級計算大會（英語：International Supercomputing Conference）上，英特爾宣佈把眾核架構的系列處理器家族的商品名為英特爾志強融核。[32][32][33][34][35][36][37][38]

The Xeon Phi uses the 22 nm process size.[24][25][26]The Xeon Phi 3100 will be priced at under US$2,000 while the Xeon Phi 5110P will have a price of US$2,649 and Xeon Phi 7120 at US$4129.[24][25][26] On June 17, 2013, the Tianhe-2 supercomputer was announced[39]by TOP500 as the world's fastest. It uses Intel Ivy Bridge Xeon and Xeon Phi processors to achieve 33.86 petaFLOPS.

2012年11月12日，英特爾正式宣佈至強融核產品在2013年上半年開始上市銷售，5100P售價2149$，3100售價2000$。具有類似CPU的編程能力，可使用與其他英特爾至強E5處理器的程式語言、開發工具、技術與並列模型。[24][25][26][40]在綠色500強列表中使用該產品的一個系統成為最有功率效能的電腦。[41][42][43]

2012年6月5日，英特爾發佈了關於Knights Corner的開源軟件與文件。[44]

2012年6月，Cray公司宣佈在Cascade系統上使用22 nm製程的Knight's Corner加速卡。[45][46]

2012年6月，ScaleMP（英語：ScaleMP）發佈了使用Knight's Corner的虛擬化軟件，允許Knight's Corner執行老的MMX/SSE指令並訪問無線的主機主記憶體。[47]

2013年6月，國家超級計算廣州中心發佈天河二號成為世界最快的超級電腦。[39]使用了英特爾的Ivy Bridge 微架構的至強E5 2692v2型號的12核處理器與至強融核31S1P的57核協處理器，獲得了33.86 petaFLOPS。[48]

產品列表

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Xeon Phi
X100 系列 		訂購代碼 核心數
(線程)
 時脈 (MHz) L2
快取 		記憶體 雙精度浮點運算效能峰值(GFLOPS) TDP
(W) 		散熱方式 封裝方式 發表時間 發售價格(美金)
基礎時脈 Turbo時脈 系統 通道數 頻寬(GB/s)
Xeon Phi 3110X[49] SE3110X 061 (244) 1053 - 30.5 MB 06 GB
GDDR5 ECC
 6x
Dual Channel
 240 1028 300 Bare Board PCIe 2.0 x16 Card ??? ???
08 GB 8x 320
Xeon Phi 3120A （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[50] SC3120A 057 (228) 1100 - 28.5 MB 06 GB 6x 240 1003 300 Fan/Heatsink June 17, 2013 $1695
Xeon Phi 3120P （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） [51] SC3120P 057 (228) 1100 - 28.5 MB 06 GB 6x 240 1003 300 Passive Heatsink June 17, 2013 $1695
Xeon Phi 31S1P[52] BC31S1P 057 (228) 1100 - 28.5 MB 08 GB 8x 320 1003 270 Passive Heatsink June 17, 2013 $1695
Xeon Phi 5110P （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[53] SC5110P 060 (240) 1053 - 30,0 MB 08 GB 8x 320 1011 225 Passive Heatsink Nov 12, 2012 $2649
Xeon Phi 5120D （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[54] SC5120D 060 (240) 1053 - 30,0 MB 08 GB 8x 352 1011 245 Bare Board SFF 230-Pin Card June 17, 2013 $2759
BC5120D
Xeon Phi SE10P[55] SE10P 061 (244) 1100 - 30.5 MB 08 GB 8x 352 1074 300 Passive Heatsink PCIe 2.0 x16 Card Nov. 12, 2012 ???
Xeon Phi SE10X[56] SE10X 061 (244) 1100 - 30.5 MB 08 GB 8x 352 1074 300 Bare Board Nov. 12, 2012 ???
Xeon Phi 7110P[57] SC7110P 061 (244) 1250 ??? 30.5 MB 16 GB 8x 352 1220 300 Passive Heatsink ??? $5399 ?
Xeon Phi 7110X[58] SC7110X 061 (244) 1250 ??? 30.5 MB 16 GB 8x 352 1220 300 Bare Board ??? $5399 ?
Xeon Phi 7120A （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[59] SC7120A 061 (244) 1238 1333 30.5 MB 16 GB 8x 352 1208 300 Fan/Heatsink April 6, 2014 $4235
Xeon Phi 7120D （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[60] SC7120D 061 (244) 1238 1333 30.5 MB 16 GB 8x 352 1208 270 Bare Board SFF 230-Pin Card March ??, 2014 $4235
Xeon Phi 7120P （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[61] SC7120P 061 (244) 1238 1333 30.5 MB 16 GB 8x 352 1208 300 Passive Heatsink PCIe 2.0 x16 Card June 17, 2013 $4129
Xeon Phi 7120X （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[62] SC7120X 061 (244) 1238 1333 30.5 MB 16 GB 8x 352 1208 300 Bare Board June 17, 2013 $4129

第二代產品

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第二代至強融核的研發代號Knights Landing，[30]使用14 nm製程（英語：14 nanometer），2013年6月17日公佈。[48]有兩種形式：協處理器與主處理器。Knights Landing最多有72顆Airmont（英語：Airmont (microarchitecture)）(Atom)內核，每核4線程，[63][64]最大支援384 GB of DDR4 RAM與8–16 GB of stacked 3D MCDRAM。每核有2個512位元向量單元，支援AVX-512F (AVX3.1) SIMD指令與英特爾AVX-512 Conflict Detection Instructions (CDI), Intel AVX-512 Exponential and Reciprocal Instructions (ERI), Intel AVX-512 Prefetch Instructions (PFI), 以及全套的x86指令集除了Transactional Synchronization Extensions（英語：Transactional Synchronization Extensions）指令。[65]Knights Landing的TDP為160至215 W。

產品列表

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Xeon Phi
7200 系列 		訂購編號 核心數
(線程) 		時脈 (MHz) L2
快取 		記憶體 雙精度浮點運算效能峰值 TDP
(W) 		腳位 發表時間 產品編號 發售價格(美金)
基礎時脈 Turbo時脈 類型 頻寬(GB/s)
Xeon Phi 7210 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[66] SR2ME (B0) 64 (256) 1300 1500 32 MB
16 GB 8-Channel 3D MCDRAM;
384 GB 6-channel DDR4-2133
400+ GB/s MCDRAM; 102,4 GB/s DDR4
 2662
GFLOPS 		215
SVLCLGA3647
 June 20,
2016 		HJ8066702859300 $2438
SR2X4 (B0)
Xeon Phi 7210F （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[67] SR2X5 (B0) 230 HJ8066702975000 $2707
Xeon Phi 7230 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[68] SR2MF (B0) 215 HJ8066702859400 $3710
SR2X3 (B0)
Xeon Phi 7230F （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[69] SR2X2 (B0) 230 HJ8066702269002 $4039
Xeon Phi 7250 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[70] SR2MD (B0) 68 (272) 1400 1600 34 MB 3046
GFLOPS[71] 		215 HJ8066702859200 $4876
SR2X1 (B0)
Xeon Phi 7250F （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[72] SR2X0 (B0) 230 HJ8066702268900 $5260
Xeon Phi 7290 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[73] SR2WY (B0) 72 (288) 1500 1700 36 MB 3456
GFLOPS 		245 HJ8066702974700 $6254
Xeon Phi 7290F （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）[74] SR2WZ (B0) 260 HJ8066702975200 $6703

第三代產品

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第三代眾核產品的代號為Knights Hill，英特爾在超級計算14（SC14）上首次發佈細節。採取14 nm製程，包含60至72顆基於Silvermont Atom改進版的核心，每核4路超線程。 intel Phi 已停產。[75]2017年上市銷售。(沒上市)(2019/1/10)

競爭產品

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參見

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參考文獻

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