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，同時實現(xiàn)了x86架構(gòu)的突破性能效比[1]。
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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
! Q# t$ ^5 Z. E8 y0 b1 c! CLunar Lake架構(gòu)的一項重大創(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。

; z! }$ I* h6 [& U/ pLunar 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，帶來了多項優(yōu)勢：

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

架構(gòu)框架
Lunar 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。

8 k& ^! y5 i( w: K; E計算芯片
8 G$ {  F( h7 i6 x1 h9 l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。
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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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2 D9 u+ A# @3 Y& e4 E5 W3 i  e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。

內(nèi)存?zhèn)染彺?/strong>
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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( g) ^1 d# B- c增強(qiáng)型E核心集群
$ U: K) d9 s! v* hLunar Lake的高效核心（E核心）集群得到了顯著改進(jìn)：
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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
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+ t: K7 z. M# ]4 s2 c1 J; m供電和功耗管理
Lunar 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）
4 s% J7 A6 g! c7 mLunar 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。
8 d, P7 A! F5 ^$ P+ G) F
0 G, M4 b7 R& `6 e4 U" j# Z: ?獅灣（Lion Cove）的主要特點包括：
* o/ R* Z2 R5 D0 P) r* U7 F; k

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



, |+ \& u9 x( v& |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)。

; |3 i1 P5 F- g" {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。
1 Q8 `  k  c; W, D. [
: k0 J# J1 A! }, j! ~( c9 F天際（Skymont）的主要特點包括：

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位浮點和SIMD向量單元實現(xiàn)2倍AI吞吐量
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/ [8 S+ U4 H% ]& A+ d, m. c1 i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。

下一代Xe2 GPU
' Z' G+ D3 ^" [0 V: n6 p8 O6 oLunar Lake采用了新的Xe2 GPU架構(gòu)，在圖形性能方面實現(xiàn)了重大進(jìn)展。
主要改進(jìn)包括：

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
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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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' W& B# j3 `* x6 }( l- s下一代NPU 4
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。

NPU 4的主要特點包括：
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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


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! [5 D6 A. g* d. o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。

連接性Lunar Lake將先進(jìn)的連接功能直接集成到封裝中：

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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9 U7 `1 E2 ?  O7 B- T8 Y1 k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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( Y7 A* }* [0 Q' \6 E/ v結(jié)論
" c9 Q8 A* D: q4 b, y+ D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。

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。

參考文獻(xiàn)
[1] Gihon, "Lunar Lake Architecture Session," presented at Hot Chips 2024, 2024.

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