Hot Chips 2024 | Lunar Lake：英特爾下一代AI PC處理器

逍遙設(shè)計自動化

引言
本文探討英特爾的Lunar Lake架構(gòu)。Lunar Lake是專為下一代AI PC設(shè)計的系統(tǒng)級芯片（SoC），集成了多項(xiàng)突破性技術(shù)，旨在提供卓越的核心性能、無與倫比的AI計算能力和顯著提升的圖形性能，同時實(shí)現(xiàn)了x86架構(gòu)的突破性能效比[1]。
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' [  I  R# ^$ p+ y, q  F圖1：展示了Lunar Lake架構(gòu)的主要改進(jìn)，包括SoC功耗降低40%，相同單線程性能下功耗減半，圖形性能提升1.5倍，以及AI計算能力達(dá)到120 TOPS（每秒萬億次操作）。
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先進(jìn)封裝和內(nèi)存集成
  ?& i/ \9 e# h  vLunar Lake架構(gòu)的一項(xiàng)重大創(chuàng)新是采用了英特爾的Foveros 3D封裝技術(shù)。
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圖2：Lunar Lake架構(gòu)的Foveros封裝結(jié)構(gòu)，顯示了計算芯片、平臺控制器芯片和內(nèi)存的堆疊方式。
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Lunar Lake引入了開創(chuàng)性功能：將內(nèi)存直接集成到封裝中。這是英特爾的首次嘗試，帶來了多項(xiàng)優(yōu)勢：
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支持LPDDR5x DRAM

最高32GB容量，支持雙列

每芯片最高8.5GT/s傳輸速率

支持16位x4通道

物理層功耗降低40%

節(jié)省高達(dá)250平方毫米的面積

! E+ \& @$ W+ e架構(gòu)框架
: Q: h4 s+ T& ^7 j! KLunar Lake架構(gòu)主要由兩個組件構(gòu)成：計算芯片和平臺控制器芯片。


圖3：Lunar Lake架構(gòu)框架，突出顯示了計算芯片和平臺控制器芯片。

- }' E& H2 P0 A! Q7 n. _% v% k計算芯片
& ~8 M% Z  K) U. X* Y  V& U計算芯片是使用先進(jìn)制程制造的單片式芯片。具有經(jīng)過增強(qiáng)的SoC結(jié)構(gòu)，旨在提高性能效率。

; N7 }( f! Z3 r( T計算芯片的主要組件包括：
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新型片上網(wǎng)絡(luò)（NoC），具有增強(qiáng)的緩存功能

優(yōu)化的內(nèi)存延遲

GPU、NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元）和IPU（圖像處理單元）

性能核心（P核心）和高效核心（E核心）

媒體和顯示引擎


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: ]1 f  x1 b7 Z2 M0 G圖4：展示了計算芯片的結(jié)構(gòu)，描繪了各種組件的排列，如核心、GPU、NPU和內(nèi)存接口。
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. ^& ]5 a. S1 l" G( {內(nèi)存?zhèn)染彺?/strong>
, T8 Y9 t" H: o' G5 @/ ?Lunar Lake引入了內(nèi)存?zhèn)染彺�，有助于減少DRAM訪問和功耗，同時為其他引擎提高延遲和帶寬性能。這個8MB物理緩存還為I/O引擎提供緩存功能。
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增強(qiáng)型E核心集群
Lunar Lake的高效核心（E核心）集群得到了顯著改進(jìn)：

L2緩存增加到4MB

采用先進(jìn)制程，提高頻率和功耗特性

內(nèi)存?zhèn)染彺娓纳乒�耗和延遲

相比上一代，核心數(shù)量翻倍

獨(dú)立供電

: X, Y, X4 X9 I" i# x供電和功耗管理
2 ]' Q2 M; ~! i9 O9 S$ F; c; w8 |: qLunar Lake具有升級的供電和功耗管理系統(tǒng)，對于優(yōu)化SoC功耗利用和性能效率非常重要。這包括：

采用4個電源管理集成電路（PMIC）進(jìn)行供電

更多電源軌

增強(qiáng)的遙測功能（IMON）

動態(tài)電壓ID

升級的功耗管理，英特爾線程調(diào)度器專注于效率

改進(jìn)的"睡眠"狀態(tài)，提高功耗和延遲性能

針對不同負(fù)載類型優(yōu)化的功率平衡器

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的工作負(fù)載分類和頻率控制
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性能核心：獅灣（Lion Cove）
Lunar Lake引入了新的性能核心架構(gòu)，名為獅灣。獅灣的主要目標(biāo)是優(yōu)化客戶端SoC的單線程性能功耗比和性能面積比。

; M2 w* M7 P+ l0 m# X獅灣（Lion Cove）的主要特點(diǎn)包括：

針對PPA（性能、功耗和面積）優(yōu)化

更精細(xì)的時鐘間隔

分離的亂序執(zhí)行引擎

更寬的調(diào)度能力

增強(qiáng)的內(nèi)存子系統(tǒng)

基于AI的功耗管理


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2 b& ]: b3 ~7 D9 s2 U* K3 O圖5：比較了獅灣（Lion Cove）P核心與上一代紅木灣（Redwood Cove）核心的性能，顯示在IPC（每時鐘周期指令數(shù)）和功耗效率方面有顯著改進(jìn)。

' G" j2 ?4 F; \高效核心：天際（Skymont）
與獅灣P核心相輔相成的是新的天際E核心。天際旨在擴(kuò)大低功耗島的范圍和提高多線程性能，同時將向量和AI吞吐量翻倍。
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天際（Skymont）的主要特點(diǎn)包括：

增強(qiáng)的預(yù)測能力

96B并行取指

更寬的分配和退休單元

26個分發(fā)端口

4MB共享L2緩存

通過4x 128位浮點(diǎn)和SIMD向量單元實(shí)現(xiàn)2倍AI吞吐量



2 \8 [2 T' L" u4 e. Q圖6：展示了天際（Skymont）E核心集群相比上一代的功耗和性能改進(jìn)，顯示性能提升最高可達(dá)2倍，或在相同性能下功耗降低至1/3。
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下一代Xe2 GPU
Lunar Lake采用了新的Xe2 GPU架構(gòu)，在圖形性能方面實(shí)現(xiàn)了重大進(jìn)展。
主要改進(jìn)包括：
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新的向量引擎，優(yōu)化效率和AI吞吐量

新的Xe矩陣擴(kuò)展（XMX）引擎，INT8運(yùn)算能力為2048 OPS/時鐘，F(xiàn)P16運(yùn)算能力為4096 OPS/時鐘

8MB L2緩存

增強(qiáng)的Xe超級采樣（XeSS）內(nèi)核

8個第二代Xe核心

更大的光線追蹤單元

AI性能高達(dá)67 TOPS



; O- s' G$ y1 |3 W* {4 K圖7：顯示了新一代Xe2 GPU相比流星湖的性能改進(jìn)，在相似功耗水平下性能提升高達(dá)1.5倍。
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" x9 M5 x$ I" b6 |% S6 G下一代NPU 4
7 G, A+ N( j$ L0 Z8 |Lunar Lake集成了新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU 4），旨在加速AI工作負(fù)載。NPU 4的目標(biāo)是提高時鐘速度、效率和規(guī)模，以處理下一代AI任務(wù)，包括大型語言模型（LLM）和轉(zhuǎn)換器。
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NPU 4的主要特點(diǎn)包括：
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效率優(yōu)化的MAC（乘加）陣列

原生激活函數(shù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換支持

增強(qiáng)的SHAVE DSP，用于加速LLM和轉(zhuǎn)換器操作

用于LLM的嵌入式標(biāo)記化

相比上一代帶寬翻倍

12個神經(jīng)計算引擎

AI性能高達(dá)48 TOPS



圖8：比較了NPU 4與上一代NPU 3的性能和效率，顯示在相同功耗下性能提升2倍，峰值性能提升高達(dá)4倍。
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7 ^0 @4 I1 O9 V1 K# W- L) k連接性Lunar Lake將先進(jìn)的連接功能直接集成到封裝中：
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英特爾Wi-Fi 7（5 Gig），速度高達(dá)5.8Gb/s

英特爾藍(lán)牙5.4，提供高效和高清音頻

Thunderbolt 4，速度達(dá)40Gb/s

支持PCIe Gen 5.0和Gen 4.0

支持USB 3.0和2.0

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; j) o) t8 L9 @圖9：突出顯示了Lunar Lake集成的連接功能，包括Wi-Fi 7、藍(lán)牙5.4、Thunderbolt 4和PCIe支持。
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) o6 o+ L0 }/ X7 p! f7 q- ^結(jié)論
  P# D5 \9 ^1 n0 o) Q- h* o英特爾的Lunar Lake架構(gòu)代表了x86處理器在AI PC領(lǐng)域發(fā)展的重要一步。憑借在功耗效率、P核心和E核心性能提升、先進(jìn)GPU能力和專用AI加速方面的關(guān)注，Lunar Lake有望在生產(chǎn)力、游戲和AI驅(qū)動的應(yīng)用方面為用戶提供卓越體驗(yàn)。

封裝內(nèi)存集成、先進(jìn)的功耗管理技術(shù)和尖端連接選項(xiàng)進(jìn)一步鞏固了Lunar Lake作為面向未來的架構(gòu)地位，旨在滿足下一代計算設(shè)備的需求。

5 C9 b* }& x2 A2 L. l參考文獻(xiàn)
. U; z3 ]7 [4 ~% d" f3 a[1] Gihon, "Lunar Lake Architecture Session," presented at Hot Chips 2024, 2024.
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& K. b$ R/ @! Z7 i深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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