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

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
, D! h( D9 w8 r/ ?" ^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(jì)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(jì)算能力和顯著提升的圖形性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了x86架構(gòu)的突破性能效比[1]。


5 D0 o/ f4 @* C  ?5 `! d7 }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(jì)算能力達(dá)到120 TOPS（每秒萬億次操作）。


* \6 `. S$ }$ i# a( v/ J  q先進(jìn)封裝和內(nèi)存集成
Lunar 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)。

0 x+ Q, a* }. i' m/ F
  ^! Z3 j, m+ \+ c圖2：Lunar Lake架構(gòu)的Foveros封裝結(jié)構(gòu)，顯示了計(jì)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
, n& I9 t" e$ |. ^# Z9 [/ O
8 ^% V+ \, v/ @! k架構(gòu)框架
9 h& y8 k& n' G2 Z& w: O8 v9 nLunar Lake架構(gòu)主要由兩個(gè)組件構(gòu)成：計(jì)算芯片和平臺控制器芯片。

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圖3：Lunar Lake架構(gòu)框架，突出顯示了計(jì)算芯片和平臺控制器芯片。
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計(jì)算芯片
# P8 l8 \; a' m1 x$ X; a9 f7 L* G! \. r計(jì)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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1 T1 [% i* S' D& [8 I& U計(jì)算芯片的主要組件包括：

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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圖4：展示了計(jì)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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內(nèi)存?zhèn)染彺?/strong>
Lunar Lake引入了內(nèi)存?zhèn)染彺妫�有助于減少DRAM訪問和功耗，同時(shí)為其他引擎提高延遲和帶寬性能。這個(gè)8MB物理緩存還為I/O引擎提供緩存功能。
, O3 d: ?& K( G7 V2 e
, |0 I. n" T& F5 g5 Z7 r! o7 L7 I增強(qiáng)型E核心集群
& ]0 g  k- [) J4 bLunar 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

$ Q  z8 ?6 U% P" J" f供電和功耗管理
* R; Z# V8 E* Y. tLunar 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(gè)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
[/ol]
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。
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獅灣（Lion Cove）的主要特點(diǎn)包括：
8 z5 j  k! ]7 A5 l8 j% Z

針對PPA（性能、功耗和面積）優(yōu)化

更精細(xì)的時(shí)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
2 q( p& _% V9 r! L" Q9 W


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(shí)鐘周期指令數(shù)）和功耗效率方面有顯著改進(jìn)。

高效核心：天際（Skymont）
4 n2 K& M  {% W) P2 a7 D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(shí)將向量和AI吞吐量翻倍。

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(gè)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
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9 r5 m" _$ d# H# G& }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。

7 g* _0 d- b/ j! y/ @下一代Xe2 GPU
: ?0 K% J% v  [- F& {( [- U- nLunar 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。
( O6 n4 M7 r& T/ Y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(shí)鐘，F(xiàn)P16運(yùn)算能力為4096 OPS/時(shí)鐘

8MB L2緩存

增強(qiáng)的Xe超級采樣（XeSS）內(nèi)核

8個(gè)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。

下一代NPU 4
- [1 k# B, A* @  o  ]1 d  \7 fLunar 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(shí)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。

8 H& r/ T' ?% Y! r, sNPU 4的主要特點(diǎn)包括：
4 E4 c: y) R7 Y

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(gè)神經(jīng)計(jì)算引擎

AI性能高達(dá)48 TOPS
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" k1 K, [. u' y7 ^# m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。
9 E" G8 q4 T) D! j/ o" \1 ]
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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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。

& n, {. d/ j3 Z結(jié)論
4 |& Q, k8 ^# f2 l! b; E* }0 V, K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)。
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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(jì)算設(shè)備的需求。

; W$ w9 t5 d; m6 M. d, T參考文獻(xiàn)
[1] Gihon, "Lunar Lake Architecture Session," presented at Hot Chips 2024, 2024.

- END -

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