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

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引言
1 `+ ~" |; X; @5 {2 r% [- B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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6 b% p3 A- r7 c# k+ {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
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。
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. z, ^7 {- n6 G  L+ ?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：
+ n7 D4 e9 F. f  e. E

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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% V* [( @3 d* Q. G; v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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8 m  z# h6 i4 x: N+ v4 O! G2 A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。

计算芯片
) }) o$ s9 u/ |. c# S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。

7 H. Y1 _2 K  H# e' H计算芯片的主要组件包括：
# q2 z5 Y/ O9 B( y4 T% ?

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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; Z/ f: K9 N( E% T7 E' Q/ |& e  B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
$ W+ I1 F# _. \1 r& V  i, wLunar 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。

* Z) z; H. {3 d. D8 K/ d增强型E核心集群
9 o4 k/ l. ^6 T0 y- y3 LLunar Lake的高效核心（E核心）集群得到了显著改进：
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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
" a: U* k7 B- Z2 O2 G
" k4 O# z5 L" [; v. G  z供电和功耗管理
7 v, P( y2 B  A0 y( {3 k9 |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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性能核心：狮湾（Lion Cove）
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。

: d* }% ?& h2 o# T7 d; X3 P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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' {# {/ L2 t' M0 F' D6 U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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- \9 `: H) x# A' {  Q0 P/ y高效核心：天际（Skymont）
+ d3 Y" M% K' m  N5 ?1 S" j1 W) P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。
+ }, |) _" @, L% d' o- ?8 [
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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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。

3 j* }/ H- {0 _7 p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。
1 g/ L8 K3 W2 N- s9 h主要改进包括：

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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+ J- J2 E& ~5 W+ @0 |7 p; x

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- ^. j6 B/ r( V* Q2 d' [( {! c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
& ~) N: e8 s3 w+ H! K' x3 OLunar 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。

NPU 4的主要特点包括：
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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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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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+ }  X. {4 q# j2 p( @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。

结论
3 E8 I4 O$ U# T% \$ d' ^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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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。
+ @- }% b: F& L# ^$ B% A/ z3 [" z  B) z
参考文献
" b) F% @2 f: n[1] Gihon, "Lunar Lake Architecture Session," presented at Hot Chips 2024, 2024.
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- M2 ?' \2 H$ @# w8 z5 ^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。
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