Intel представи архитектурата Lunar Lake – с +18% производителност и +50 по-бърза графика Xe2 и без Hyperthreading в P ядрата

Intel разкри детайлите за процесорната архитектура Lunar Lake по време на представянето на Intel Tech Tour 2024 преди ключовата презентация на компанията на Computex 2024. Новите процесори ще получат значителни подобрения във всеки аспект на дизайна. Процесорите Lunar Lake се разработват предимно за лаптопи, въпреки че много от фундаменталните промени могат да бъдат пренесени в чиповете Arrow Lake за десктоп компютри.

Всеки компонент на архитектурата Lunar Lake е оптимизиран за постигане на баланс между мощност и производителност. Енергийно ефективните ядра (Е-ядра) са подобрени в най-голяма степен, като IPC (инструкциите за един такт) са се увеличили с 38% и 68% при новите ядра Skymont. При ядрото Lion Cove P също се наблюдава 14% увеличение на IPC. С новата интегрирана графика Xe2 производителността на вградените видеочипове е увеличена с 50%.

Lunar Lake разполага с новия невронен процесор на Intel за изкуствен интелект с производителност 48 TOPS. Всъщност платформата Lunar Lake има още по-добра производителност за изкуствен интелект – тя предлага общо 120 TOPS, като се вземат предвид изчислителните ядра и iGPU.

Мобилните процесори Lunar Lake са проектирани по нова методология, която поставя на първо място енергийната ефективност. Тази основна архитектура ще бъде използвана в бъдещите продукти на Intel като Arrow Lake и Panther Lake.

Intel се обърна към конкурента си TSMC за използването на неговия усъвършенстван 3nm процес N3B за създаване на изчислителните ядра, интегрираната графика и NPU. Процесът N6 на TSMC се използва за контролера, който включва външните I/O интерфейси. Единственият елемент, произведен от Intel, е пасивната базова плочка Foveros 22FFL. Intel твърди, че е избрала TSMC заради най- добрите налични технологични процеси. Въпреки това компанията е проектирала архитектурата така, че да може лесно да бъде прехвърлена към други технологични процеси.

Структурата на чиповете Lunar Lake

Процесорите Lunar Lake на Intel ще получат 4 P-ядра и 4 Е-ядра. Чипът се състои от два логически елемента: изчислителният кристал (TSMC N3B) и чиплета за контролер на платформата (N6), както и елемент за постигане на по-голяма твърдост (нефункционален), поставен върху базовия кристал-чиплет Foveros 22FFL. Intel е поставила два стека памет LPDDR5X-8500 директно върху корпуса на чипа в конфигурации от 16 GB или 32 GB. Паметта комуникира по четири 16-битови канала и осигурява до 8,5 GT/s пропускателна способност.

Изчислителният кристал включва основните ядра, чиповете Xe2 и NPU 4.0. Той разполага и с нов 8MB „страничен кеш“, който се споделя от всички изчислителни единици, за да се увеличи честотата на достъп и да се намали преместването на данните. От техническа гледна точка той не отговаря на определението за L4 кеш, тъй като е споделен сред всички елементи.

Преместването на подсистемата за захранване извън чипа също е допринесло за икономията на енергия. Като цяло Intel твърди, че консумацията е намалена с 40% в сравнение с Meteor Lake.

Производителните ядра

P-ядрата на Lunar Lake осигуряват средно увеличение на IPC с 14%, което подобрява производителността. Въпреки това Intel предприе неочаквана стъпка при оптимизирането на ядрата – премахна Hyperthreading -а и всички логически блокове, които осигуряваха тази функция. Архитектите на Intel стигнаха до заключението, че Hyperthreading, който увеличава IPC с ~30% при многонишковите натоварвания, не е толкова важен в хибридния дизайн, който използва по-икономичното Е-ядро за многонишковите натоварвания. Intel говори за цялостно подобрение на производителността с 10% до 18% спрямо Meteor Lake, в зависимост от работната мощност на чипа.

Премахването на Hyperthreading технологията прави ядрото по-малко, осигурява 15% подобрение на ефективността, 10% подобрение на производителността на площ и 30% подобрение на производителността на мощност на площ. Това е много по-ефективно от простото деактивиране на Hyperthreading и оставянето на схемата на място. Новият подход също така спестява площ за други допълнения – могат да се добавят още E-core или GPU ядра.

Intel не се отказва напълно от хиперпрограмирането – той все още вижда неговата ценност в проектите само с P-ядра. Затова Intel са разработили две версии на ядрото Lion Cove – една с hyperthreading и една без, така че поточното ядро да може да се използва в други дизайни, като предстоящия Xeon 6.

Тактовите честоти на Intel досега се променяха само на стъпки от 100 MHz), но сега могат да се регулират в стъпки от по 16,67 MHz, за да се даде възможност за по-прецизно управление на честотата и мощността. Intel приписва това на няколко процентни увеличения на енергийната ефективност или производителността в някои сценарии.

Intel е разширила блока за прогнозиране 8 пъти спрямо предишната архитектура, като е запазила точността. Тя също така е утроила пропускателната способност на заявките от кеша за инструкции към L2 и е удвоила пропускателната способност на извличането на инструкции – от 64 на 128 байта в секунда. Пропускателната способност на декодирането е увеличена от 6 на 8 инструкции на цикъл, а кешът за микрооперации е увеличен заедно с пропускателната способност за четене. Опашката за микрооперации също е увеличена от 144 на 192.

Подсистемата на паметта има ново ниво на кеша L0. Архитектите изцяло са преработили кеша за данни, за да добавят ниво от 192 KB между съществуващите L1 и L2. Това доведе до преименуване на L1 на L0. По този начин се повишава IPC и се дава възможност да се увеличи капацитетът на кеша L2, без да се увеличава латентността поради увеличения му обем. В резултат на това кешът L2 е увеличен до 2,5 MB при Lunar Lake и 3 MB при Arrow Lake.

Икономичните ядра

Ефективните ядра на Lion Cove имат много подобрения, но Skymont обещава още по-голям напредък: 38% увеличение на IPC при натоварвания с цели числа и 68% при натоварвания с плаваща запетая. Това дава увеличение на еднонишковата производителност до 2 пъти и до 4 пъти по- висока производителност при многонишковите задачи. Intel също така е удвоила производителността при векторизирани AVX и VNNI натоварвания.

Intel е оптимизирала механизма за прогнозиране на условните преходи, за да включи паралелното извличане на 96 байта инструкции за подхранване на механизма за декодиране. Ядрата Skymont могат да поддържат 9 декодирания на инструкции на един тактов цикъл. Капацитетът на микрооперациите също е увеличен от 64 на 96 записа.

Intel си е поставила за цел да удвои векторната производителност, като преминава от два 128-битови векторни FP и SIMD канала към четири със Skymont. Други подобрения на векторната система са насочени към намаляване на латентността и добавяне на поддръжка за закръгляне с плаваща запетая.

Предишните E-core клъстери имаха общ L2 кеш от 2 MB, сега той е увеличен на 4 MB с двойна L2 пропускателна способност. Пропускателната способност за трансфер от L1 към L1 също е подобрена.

Интерес представлява фактът, че Intel предостави сравнение между Skymont и P-ядрото Raptor Lake, което използва архитектурата Raptor Cove. Компанията твърди, че Skymont има 2% предимство при целите числа и при плаващата запетая.

Интегрираната графика Intel Xe2

Новият графичен процесор Xe2 осигурява до 1,5 пъти по-висока производителност в сравнение с Arc Graphics на Meteor Lake и производителност на изкуствения интелект до 67 TOPS. Intel е опростила наименованието на графичния процесор и вече ще го нарича просто Xe2 във всички конфигурации, за разлика от суфиксите Xe-LP, Xe-HP и Xe-HPG от предишното поколение.

Архитектурата Intel Xe2 ще се появи не само в процесорите Lunar Lake, но и в бъдещите геймърски графични карти Battlemage. При Lunar Lake обаче се използват транзистори с по-ниска мощност, докато при Battlemage ще се използват по-бързи транзистори, за да се постигне максимална производителност. Това означава, че производителността на Lunar Lake не може да се екстраполира директно върху графичните карти Battlemage.

Архитектурата Xe2 включва второ поколение Xe ядро, поддръжка на повече типове данни, подобрени векторни механизми, по-големи блокове за трасиране на лъчите и по-голям кеш. Графичният процесор е разделен на ядра Xe от второ поколение и елементи за визуализация, както и на елементи с фиксирани функции за задачи като обработка на геометрията, дискретизация на текстури и растеризация. Тези блокове са свързани с голяма кеш памет с входно-изходен блок, който варира в различните реализации. Дизайнът е модулен, така че може лесно да се мащабира до повече или по-малко елементи.

Ядрото Xe от второ поколение може да извършва осем 512-битови умножения на такт в механизмите за вектори XVE и осем 2048-битови векторни на такт в механизмите XMX. Intel също така е увеличила ширината на SIMD механизма от 8 на 16 писти, за да подобри съвместимостта. Ядрото има 192KB споделен L1.

Векторният механизъм от второ поколение поддържа инструкции INT2, INT4, INT8, FP16 и BF16 за операциите с изкуствен интелект. Графичният процесор Meteor Lake не разполагаше с XMX механизъм, така че лаптопите с Xe2 ще получат значително по-добри резултати при AI операциите. Блокът за визуализация също е получил много ускорения и подобрения.

Видеочипът Lunar Lake разполага с осем Xe ядра от второ поколение, 64 векторни енджина, два геометрични конвейера, осем единици за трасиране на лъчите и 8 MB L2 кеш, наред с другите компоненти. Intel твърди, че iGPU-то осигурява 1,5 пъти по-висока производителност от Meteor Lake-U при същата мощност. Въпреки това графичният процесор Lunar Lake е получил транзистори с по-ниска мощност за по-добра ефективност.

Дисплейният енджин поддържа резолюции до 8K60 HDR, три дисплея с 4K60 HDR, както и 1080p360 и 1440p360. Изходите включват HDMI 2.1, DisplayPort 2.1 и eDP 1.5. Медийният процесор поддържа декодиране и кодиране на до 8K60 10-битов HDR, както и поддръжката на всички медийни стандарти заедно с новия кодек H.266/VVC – но само за декодиране.

NPU 4.0 и контролерът

Новото NPU превъзхожда някои наскоро въведени аналози от конкуренти със своята производителност от 48 TOPS. Отделният кристал е предназначен предимно за разтоварване на задачите на изкуствения интелект и за пестене на живота на батерията. Графичният процесор отговаря за по-взискателните работни натоварвания с ИИ с производителност 67 TOPS, докато централният процесор осигурява още 5 TOPS. Всичко това заедно дава на Lunar Lake 120 TOPS.

Основните архитектурни компоненти включват 12 подобрени SHAVE DSP, шест невронни изчислителни енджина и MAC и DMA механизъм. Осигурена е два пъти по-голяма пропускателна способност на паметта в сравнение с предишното поколение NPU. Освен това той има достъп до споделен 8MB страничен кеш на изчислителния модул. Като цяло Intel твърди, че максималната производителност е подобрена 4 пъти при същата мощност в сравнение с предишното поколение.

Кристалът на контролера съдържа всички външни входове/изходи за чипа, включително Wi-Fi 7 и Bluetooth 5.4, USB 3.0 и 2.0, Thunderbolt 4 и PCIe 4.0 и 5.0 интерфейси. В него се намират и контролерите на паметта.

Intel гарантира, че всички лаптопи Lunar Lake ще имат поне два Thunderbolt 4 порта за свързване, като някои модели ще предлагат до три. Интерфейсът поддържа и новата функция Thunderbolt Share. Wi-Fi 7 и Bluetooth 5.4 все още изискват CNVi модул, свързан външно чрез интерфейса CNVi 3.0.