Intel Xe LP、Apple M1 GPU、AMD RDNA2的面积性能功耗对比

Intel Xe LP是一个面积效率和能效都很好的GPU架构。
Intel Xe LP、Apple M1 GPU、AMD RDNA2这三款GPU架构，在多项指标方面比较接近，这三者的GPU架构也确实值得对比。
shader core：
Intel Xe LP：Xe Core，16EU（128SP），8TMU。
Apple M1：Apple GPU Core，128SP，8TMU。
RDNA2：WGP，128SP，8TMU，2 RT Core。
Intel Xe LP、Apple M1 GPU、AMD RDNA2的shader core规格接近，单shader core的IPC也比较接近。
ROP与shader core是并行的，不属于shader core。

Intel Xe LP，典型的实例是i7 1165G7的iris xe 96EU。
i7 1165G7，6 Xe Core，3*8 ROP，1M L2，3.75M L3，频率1.3Ghz，内存为128bit LPDDR4X 4266。
注：Xe Core，16EU（128SP），8TMU。
性能和功耗分析：
3dmark WLE 3730。
功耗：孤独凤凰战士的测试中，最高大约15W。
IPC：单Xe Core 1Ghz下，3dmark WLE大约478。

有一说一，iris xe 96EU的L3确实小了，只有3.75M，怪不得那么吃内存带宽。不过使用LPDDR5的话，内存带宽就没那么紧张了。
如果继续增加规模的话，估计得加大L3大小了。14代酷睿使用192EU（12 Xe Core），规模是现在的2倍，估计至少得8M L3了。当然内存应该至少也支持LPDDR5X 8533了。

Apple M1：
8 Apple GPU Core，4*8 ROP，1.278Ghz，内存128bit LPDDR4X 4266。
Apple GPU Core，128SP，8TMU。
使用12M SLC（另一说法是8M）作为缓存，类似AMD的无限缓存。其实Intel Xe Max也使用了16M L3缓存，应该也与之类似吧。
性能和功耗分析：
3dmark WLE 5000。
功耗大约11W。
IPC：单apple GPU Core 1Ghz下，3dmark WLE大约489。

M1系列的dieshot

面积分析：
Apple M1，160亿晶体管，面积120.4mm2，平均密度133MTrs/mm2。
GPU总面积大约23.84mm2。
单个apple GPU Core面积大约2.487mm2。
TSMC N5工艺是苹果低面积效率的遮羞布。

RX6700XT（NAVI22）：
20WGP，8*8ROP，3M L2，96M IF Cache，最高频率2.58Ghz。12G 192bit GDDR6显存，频率2000Mhz，带宽384G/s。
RDNA2架构下，单个WGP，128 SP，8 TMU，2 RT Core。
性能与功耗分析：
2.7Ghz下，3dmark WLE 26000。
游戏实测功耗大约230W。
IPC：单WGP 1Ghz下，3dmark WLE大约481.5。
独立显卡的功耗包含GPU、显存还有主板上其他元器件的功耗，GPU功耗可能不到200W。
RX6700XT规模大，多核性能会有所衰减，实际上单WGP IPC会更高。
而且RDNA2为高频设计，设计中加入了一些为高频设计的模块，面积效率也会降低。

面积分析：
GPU大约172亿晶体管，总面积335mm2，密度51.3MTrs/mm2。
单WGP面积大约4.32mm2。
单ROP组（8ROP）面积大约1.2mm2。

GPU设计水平：
第一梯队：NVIDIA ampere
第二梯队：Intel Xe LP、AMD RDNA2、Apple M1 GPU
第三梯队：高通adreno
第四梯队：ARM Mali

Intel Xe LP、Apple M1 GPU、AMD RDNA2的单shader core IPC都处于同一水平：
跑分IPC方面：AMD RDNA2>Apple M1 GPU>Intel Xe LP
Intel Xe LP由于驱动的原因，不管是跑分还是游戏都没有发挥实际性能
三者的单shader core IPC最大差距估计不超过4%。
功耗方面，由于Intel Xe LP、Apple M1 GPU、AMD RDNA2采用了不同的工艺，而且频率不同。
相同工艺下，相同shader core、ROP数量，较低频率（1.3Ghz），相同内存和缓存情况下的功耗：
Apple M1 GPU<Intel Xe LP，AMD RDNA2可能介于两者之间。三者差距很小，最高不超过10%。

面积方面，单看shader core：
如果使用相同的工艺（TSMC N5，密度133MTrs/mm2），假设GPU逻辑单元密度和平均密度一样：
Apple M1 GPU，单Apple GPU Core大约2.487mm2。
Intel Xe LP，单xe core面积大约1.017mm2。
AMD RDNA2，单WGP面积大约1.666mm2。
其中，AMD RDNA2的WGP还集成了2个RT Core，还加入了高频设计。

从整体上看面积效率：
相同工艺下，Apple M1 GPU的单Apple GPU Core已经很大了，加上ROPs和L2之后，面积进一步增大。而且苹果还给A系和M系SOC配备了巨大的SLC Cache作为GPU的L3，导致苹果GPU面积效率降低。
对于M1 Pro和M1 Max，面积效率已经很低了。M1 Max使用了平均密度大约135Mtrs/mm2的TSMC N5工艺，面积（包括SLC Cache）却高达215mm2。
Intel Xe LP面积效率很高，对于集成GPU来说能节约成本，联发科可以考虑放弃mali，去买Intel的Xe LP IP。
AMD RDNA2的面积效率也很好。RDNA2为了高频，在结构设计中肯定加入了一些东西以稳住高频。而且RDNA2还集成了RT Core。三星买AMD RDNA2后，去掉高频设计，阉割一部分RT Core，也能达到优秀的面积效率。

简单评估一下Intel Xe LP、Apple M1 GPU、AMD RDNA2。
三者的shader core规格，单shader core IPC也差不多。
相同工艺下，相同shader core、ROP数量，较低频率（1.3Ghz），相同内存和缓存情况下的功耗也差不多。如果软件优化做好，给人带来的体验也差不多。
但三者的面积相差的也太多了。
苹果的GPU，就是拿面积换性能和能效，也只有苹果这么财大气粗能搞得起了。
M1 Max集成的GPU，晶体管数量（包含48M SLC Cache）比RX 6700XT的NAVI22 GPU高70%，性能略差于RX6700XT。要知道独立显卡GPU的外围模块占了很大的面积。
Intel Xe LP，能效和面积效率很好，但软件优化还是不行。
AMD RDNA2，WGP集成了RT Core，还加入了高频优化，面积效率真的很不错。去掉高频设计和RT Core后，面积效率可能比Xe LP还要好。
苹果真的得考虑要不要把raja大神挖来了。

直观点，如果使用Xe LP和RDNA2作为手机GPU IP，都使用TSMC N5工艺（密度133Mtrs/mm2）。
集成的GPU，假设都是8shader core，4*8 ROP，1.3Ghz，内存均为128bit LPDDR5 6400。
使用Xe LP的方案：
8 Xe Core，128EU 1024SP，64TMU，32ROP，1.25M L2，5M L3。
面积大约12~13mm2。
使用AMD RDNA2的方案：
8 WGP，1024SP，64TMU，32 ROP。不集成大容量IF缓存，使用普通的L2和L3缓存。
面积大约17~18mm2。
功耗方面，大约11~12W。
性能方面，3dmark WLE大约5000上下。
功耗和性能方面和M1差不多，但面积小得多。
所以，不要再神话苹果GPU了。

如果联发科天机9000使用Intel Xe LP架构作为GPU IP。
就把i7 1165G7的96EU Xe LP降频后作为GPU。
参数方面：768SP，48TMU，32ROP，频率1Ghz。内存使用LPDDR5X 7500。
3dmark WLE大约3000上下，差不多是A15 5核GPU的性能。
假设TSMC N4密度148MTrs/mm2，面积大约8.5mm2。
功耗大约6W上下。
同时，A15的GPU是5核，还集成了32M SLC Cache。
联发科如果买Intel的Xe LP IP，就能以比苹果小得多的面积，实现相同的性能和能效。
Xe LP是raja大神的作品，比ARM Mali那群人强多了。