Hot Chips 2024 | Lunar Lake：英特尔下一代AI PC处理器

逍遥设计自动化

引言
9 T; l! h9 F, \本文探讨英特尔的Lunar Lake架构。Lunar Lake是专为下一代AI PC设计的系统级芯片（SoC），集成了多项突破性技术，旨在提供卓越的核心性能、无与伦比的AI计算能力和显著提升的图形性能，同时实现了x86架构的突破性能效比[1]。

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图1：展示了Lunar Lake架构的主要改进，包括SoC功耗降低40%，相同单线程性能下功耗减半，图形性能提升1.5倍，以及AI计算能力达到120 TOPS（每秒万亿次操作）。

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先进封装和内存集成
3 k! o7 ~# f/ T: `3 l, kLunar Lake架构的一项重大创新是采用了英特尔的Foveros 3D封装技术。
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* ~: L+ P( L; j1 k2 v* s图2：Lunar Lake架构的Foveros封装结构，显示了计算芯片、平台控制器芯片和内存的堆叠方式。

Lunar Lake引入了开创性功能：将内存直接集成到封装中。这是英特尔的首次尝试，带来了多项优势：

支持LPDDR5x DRAM

最高32GB容量，支持双列

每芯片最高8.5GT/s传输速率

支持16位x4通道

物理层功耗降低40%

节省高达250平方毫米的面积
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# c$ W0 C) ?0 l* y/ F架构框架
Lunar Lake架构主要由两个组件构成：计算芯片和平台控制器芯片。

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7 ~% z2 Z9 X6 F  ?图3：Lunar Lake架构框架，突出显示了计算芯片和平台控制器芯片。
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: q4 A+ B3 p2 Q- ?+ d0 ?0 b9 O$ i: V) M计算芯片
2 r; e! u$ W) M0 z" @: G" v- ^计算芯片是使用先进制程制造的单片式芯片。具有经过增强的SoC结构，旨在提高性能效率。
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  L1 D# P) G# S2 D. d0 M+ I计算芯片的主要组件包括：
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新型片上网络（NoC），具有增强的缓存功能

优化的内存延迟

GPU、NPU（神经网络处理单元）和IPU（图像处理单元）

性能核心（P核心）和高效核心（E核心）

媒体和显示引擎
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$ `* k1 Q6 g( }' @图4：展示了计算芯片的结构，描绘了各种组件的排列，如核心、GPU、NPU和内存接口。
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内存侧缓存
Lunar Lake引入了内存侧缓存，有助于减少DRAM访问和功耗，同时为其他引擎提高延迟和带宽性能。这个8MB物理缓存还为I/O引擎提供缓存功能。
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: E" O; _% O, M* }; e增强型E核心集群
' n; t- Q0 c5 G' l) X* A* d, b8 O) I, |Lunar Lake的高效核心（E核心）集群得到了显著改进：
: f9 X1 R) B$ J* ]9 O

L2缓存增加到4MB

采用先进制程，提高频率和功耗特性

内存侧缓存改善功耗和延迟

相比上一代，核心数量翻倍

独立供电
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9 r* E7 g+ h( K3 x3 _& H供电和功耗管理
Lunar Lake具有升级的供电和功耗管理系统，对于优化SoC功耗利用和性能效率非常重要。这包括：

采用4个电源管理集成电路（PMIC）进行供电

更多电源轨

增强的遥测功能（IMON）

动态电压ID

升级的功耗管理，英特尔线程调度器专注于效率

改进的"睡眠"状态，提高功耗和延迟性能

针对不同负载类型优化的功率平衡器

基于机器学习的工作负载分类和频率控制
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1 L$ a( E# w) ^' O2 e性能核心：狮湾（Lion Cove）
% c: D+ J: P- I% x  L, A: eLunar Lake引入了新的性能核心架构，名为狮湾。狮湾的主要目标是优化客户端SoC的单线程性能功耗比和性能面积比。
$ @1 T: {- S! |5 C9 M0 T- D
- s: G# k) j' C* v* Q狮湾（Lion Cove）的主要特点包括：

针对PPA（性能、功耗和面积）优化

更精细的时钟间隔

分离的乱序执行引擎

更宽的调度能力

增强的内存子系统

基于AI的功耗管理
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: j9 A: ~# N: Y/ V3 m# h图5：比较了狮湾（Lion Cove）P核心与上一代红木湾（Redwood Cove）核心的性能，显示在IPC（每时钟周期指令数）和功耗效率方面有显著改进。
+ _6 x/ R$ `1 Y' q( ]% d
! m% u. W" j# _. D3 n, S% t7 E. Y高效核心：天际（Skymont）
$ I# ~/ S) H3 j% J0 `与狮湾P核心相辅相成的是新的天际E核心。天际旨在扩大低功耗岛的范围和提高多线程性能，同时将向量和AI吞吐量翻倍。
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天际（Skymont）的主要特点包括：

增强的预测能力

96B并行取指

更宽的分配和退休单元

26个分发端口

4MB共享L2缓存

通过4x 128位浮点和SIMD向量单元实现2倍AI吞吐量
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: z! y* v) G" Y$ }图6：展示了天际（Skymont）E核心集群相比上一代的功耗和性能改进，显示性能提升最高可达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架构，在图形性能方面实现了重大进展。
主要改进包括：
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新的向量引擎，优化效率和AI吞吐量

新的Xe矩阵扩展（XMX）引擎，INT8运算能力为2048 OPS/时钟，FP16运算能力为4096 OPS/时钟

8MB L2缓存

增强的Xe超级采样（XeSS）内核

8个第二代Xe核心

更大的光线追踪单元

AI性能高达67 TOPS
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图7：显示了新一代Xe2 GPU相比流星湖的性能改进，在相似功耗水平下性能提升高达1.5倍。
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% B/ i8 V. V; F" k% w( V下一代NPU 4
  j; b' q) p3 G  T6 n; ^Lunar Lake集成了新的神经网络处理单元（NPU 4），旨在加速AI工作负载。NPU 4的目标是提高时钟速度、效率和规模，以处理下一代AI任务，包括大型语言模型（LLM）和转换器。
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NPU 4的主要特点包括：

效率优化的MAC（乘加）阵列

原生激活函数和数据转换支持

增强的SHAVE DSP，用于加速LLM和转换器操作

用于LLM的嵌入式标记化

相比上一代带宽翻倍

12个神经计算引擎

AI性能高达48 TOPS

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  a. m4 R- `, I6 [( g' R图8：比较了NPU 4与上一代NPU 3的性能和效率，显示在相同功耗下性能提升2倍，峰值性能提升高达4倍。
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连接性Lunar Lake将先进的连接功能直接集成到封装中：
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英特尔Wi-Fi 7（5 Gig），速度高达5.8Gb/s

英特尔蓝牙5.4，提供高效和高清音频

Thunderbolt 4，速度达40Gb/s

支持PCIe Gen 5.0和Gen 4.0

支持USB 3.0和2.0

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$ A4 S1 l2 L5 n- n" x! _- J' x图9：突出显示了Lunar Lake集成的连接功能，包括Wi-Fi 7、蓝牙5.4、Thunderbolt 4和PCIe支持。

0 |5 v. c& j- K结论
! ?& w" _4 r) P# `# @9 ?6 E英特尔的Lunar Lake架构代表了x86处理器在AI PC领域发展的重要一步。凭借在功耗效率、P核心和E核心性能提升、先进GPU能力和专用AI加速方面的关注，Lunar Lake有望在生产力、游戏和AI驱动的应用方面为用户提供卓越体验。

封装内存集成、先进的功耗管理技术和尖端连接选项进一步巩固了Lunar Lake作为面向未来的架构地位，旨在满足下一代计算设备的需求。
+ h  q2 U4 Q1 m9 W7 z2 ]
参考文献
7 w7 G! Z0 {1 r8 N" Y, ~[1] Gihon, "Lunar Lake Architecture Session," presented at Hot Chips 2024, 2024.

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