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引言
- \9 Q& _( Y' e& m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]。; q% f8 a( D: ~+ R4 ?, ^# _
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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( q0 E/ Z3 H, Q* I
Lunar 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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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。) G, a0 _5 s8 f2 n9 i5 }; X
) N+ L- x7 u0 \5 T% a. pLunar 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：
; H. U6 S$ p" ^$ I7 z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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架构框架( V$ g: Q6 x, {! G
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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% Z. ~: m O/ m1 q0 o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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5 o0 j! I. Y$ p计算芯片9 s4 u3 H' f9 v, d1 ]5 F7 \
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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8 n; B' |- `, c7 D计算芯片的主要组件包括：& R ^3 r+ g5 _/ a
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$ W9 t/ T! } Q9 k0 ]; i4 p
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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。; @$ R! c1 k) Z- k+ W6 {
! M( f5 E$ |8 |/ X内存侧缓存
( r$ ~9 G! w6 tLunar 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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增强型E核心集群
, S7 K1 s+ h8 x6 QLunar Lake的高效核心（E核心）集群得到了显著改进：! n {, W& h$ }+ U3 P
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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供电和功耗管理9 r3 n4 V8 K! M
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( s' D* w- s7 e p! B5 y
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性能核心：狮湾（Lion Cove）, [) L, _" w) @) Q M( s& [2 B
Lunar 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。
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狮湾（Lion Cove）的主要特点包括：
# d/ Y5 q5 x$ y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/ m. F A0 R7 \1 |7 B, z+ Y) k6 h
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: ?/ t( I$ C$ e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。
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6 F$ u% q! @3 i高效核心：天际（Skymont）
$ X2 r# `" G% f- g5 z4 ~5 t( c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。- s7 \: [/ f( Q' H) n9 j
$ C; x4 k/ q4 o8 G# L天际（Skymont）的主要特点包括：4 H( `/ t: } C( k2 N( O
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- o g: I' A" b, i/ U8 s. T
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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。' g# G8 t4 [* O1 k2 }* M# Y# i
' @: ~2 V! C/ N' Q0 `! @下一代Xe2 GPU5 G( I5 S/ Z8 `, E
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。$ O' g4 e# g6 j5 P) Q
主要改进包括：4 [0 v) T+ d& }
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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下一代NPU 4: p$ b' G6 k: r1 v4 n7 B8 D
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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% C4 [" \* U5 ~$ q) a o- I0 JNPU 4的主要特点包括：
5 \, B$ K7 T( I3 O P4 x3 k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" S% e/ d. `) E3 w l
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2 ~0 t2 L' C! z) { u: @7 p0 ^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：
8 m5 B2 u) n ]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$ j4 ]7 O. r1 |" ~. k) _8 A; F
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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。2 W2 a- ~9 p2 z2 b6 ~0 A3 P
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结论& P# E8 n6 ?3 E8 b. k
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。
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* ?; [. N5 W1 F! n* E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。
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参考文献
- [2 x! T+ Z1 J ?8 a5 J[1] Gihon, "Lunar Lake Architecture Session," presented at Hot Chips 2024, 2024.
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深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。- K2 K1 p2 v; b- O! Q7 t) g6 _
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