Lakefield处理器解析：一次面向未来的实验

Lakefield是Intel在去年正式公开的一个全新的处理器项目，它和Intel史上几乎所有的x86处理器都不一样。为什么这么说呢？因为这颗处理器首次在x86处理器上使用了大小核设计。对于大小核设计，熟悉手机等移动设备上面的ARM处理器的朋友肯定不会感到陌生，ARM早在Cortex-A7推出之时同步推出了名为big.LITTLE的大小核异构计算架构，让移动设备能够同时享受到大核心带来的高峰值性能和小核带来的高能效比，在提供更强大性能的同时，尽可能地降低处理器的长时功耗，从而延长移动设备的续航时间。为了让处理器更好地满足新时代移动设备的需求，Intel为他们的x86处理器准备了一套类似的大小核异构计算技术，打造出了这颗面向高性能移动设备的Lakefield处理器，这项技术的名字就叫做Intel Hybrid Technology（Intel混合技术）。

本文将会简单地讲解这颗处理器的创新之处、架构特点，以及它的意义。目前正式登场的Lakefield处理器一共有两款，如下表所示，这两颗处理器除了有不同的频率设定和EU数量之外，其他别无二致。

为什么要做Lakefield？

在讲Lakefield的具体结构之前，我们首先需要了解一个事情，那就是这类处理器是面向什么产品而开发的。如果各位在去年十月份有看过微软的Surface发布会，那应该不会对那场发布会上新露面的几款设备感到陌生，比如非常轻薄的Surface Pro X，比如双屏形态的Surface Neo和Surface Duo。这些移动产品或多或少都有一个需求，那就是它们需要一定的性能和长效的续航时间，这些需求实际上已经可以被当前主流的ARM处理器给满足了。但问题在于，Windows对ARM指令集的支持仍然没有做好，直接用上ARM处理器可能会引发严重的兼容性问题，此时就给了传统x86阵营可趁之机，Intel可以说就是看到了一定的机会，而Lakefield系列处理器，就是他们拿出的一种应对方案。

那么，为什么不用传统的纯Atom处理器，而是要做x86史上的第一枚大小核混搭处理器呢？关键问题在于性能的需求。虽然在消费级上，多核应用已经发展了很多年，但仍然有非常多的应用吃处理器的单线程性能。Atom系列的小核心在单线程性能上面较大核差距比较远，难以提供好的峰值性能。再从功耗的角度上说，一个能够迅速完成任务然后进入低功耗状态的大核是要比一个需要长时间进行任务的小核来的划算的。这种种因素促使Intel选择开发一个新的异构计算架构，也就是Lakefield上首次出现的Intel Hybrid Technology。
Foveros 3D堆叠工艺

首先来看Lakefield这颗芯片的封装，它是应用Intel Foveros封装工艺的首个实际产品。Intel的Foveros是一种3D的封装技术，它可以将多个不同的Die直接以堆叠的形式封装到同一块基板上，相较于之前的各种2.5D堆叠如CoWoS技术，Foveros更进一步，实现了将高性能计算芯片与基础逻辑芯片之间的堆叠，具体到Lakefield，是这样的：
图片来自于WikiChip，下同

可以看到，在Lakefield芯片的内部，封装基板向上首先是有一枚类似于芯片组功能的基础逻辑Die，在这枚Die的上方则是封装了一篇高性能计算Die，两片Die采用了不同的制程工艺。在它们的上方，则是采用PoP封装形式的DRAM Die，容量最高可达8GB。

整个芯片的封装厚度控制在1mm内，整个芯片的尺寸也只有12mm x 12mm x 1mm（长宽高），非常的节省主板面积。在之前，Intel也展示过Lakefield的主板，体积非常小，基本上就比常见手机的主板大上那么一点，跟某代MacBook上面的主板差不多大。

计算部分基础架构：Sunny Cove+Tremont

讲完了整体，我们来看更细一点的。毫无疑问，Lakefield芯片里面最重要的就是那片高性能计算Die，在这片使用第二代10nm（10nm+）工艺生产的Die上面，集成有一个Sunny Cove内核和四个Tremont内核，另外在右侧（下图），还有规模相当大的第11代核显。

首先还是来看通用计算部分的五个内核。Sunny Cove属于高性能的内核，就像ARM那边的Cortex-A7x，是个大核。它是Skylake内核微架构的直接继任者，在规模上有很大的提升。Intel扩大了前端部分，使得它的指令缓冲区变得更大，分支预测器更强，升级了后端和执行部分使其支持AVX-512，另外，一级数据缓存（L1D）也加大到48KB。根据官方数据，Sunny Cove的IPC较Skylake有平均约20％的提升，能够提供相当可观的性能。为了适配Lakefield平台，Intel没有开放这个核心的超线程特性，并且应该是屏蔽掉了它对AVX指令集的支持。
然后是Tremont这个小核，它隶属于Atom系列内核，主导的设计思路就是低功耗、高能效比。它的前代，Goldmont和Goldmont Plus在众多的家用NAS设备上面发光发热，还有许多微服务器也在使用该系列内核组成的处理器。Tremont较前代是有非常明显的改变的，具体的内容我们在Intel发布最新超低功耗核心微架构Tremont：单线程性能提升约30%，改进巨大一文中已经做过讲解，简单来说就是扩大了整个内核的处理能力，在将总体规模控制在较小的情况下实现了平均约有30%的单线程性能提升，上面那张图也能很好地说明Tremont内核的大小了，四个Tremont加起来也不过比Sunny Cove稍微大上一些。

Intel将利用大核的单线程性能和四个小核的多线程能力，打造出一个在移动平台上面能够提供可观性能的芯片。这个架构有点类似于ARM的big.LITTLE，但又有很大的不同，因为Tremont内核的性能实际上并不弱，不像是ARM那边的Cortex-A系列中的那些小核。Intel称，单个Tremont内核的性能可以达到Sunny Cove的70%，也就是说，四个Tremont核心实际上才是真正撑起大梁的内核。

上图是Intel官方在去年的HotChips论坛上面公布的Lakefield大小核性能-功耗示意图，而下图则是在网页浏览情景下，大小核的开启时间。

系统调度将会决定由哪种核心来跑哪种任务，理想情况就是用大核来执行需要高性能或是需要快速响应的计算任务，而由小核来运行后台的计算任务。这样，大核只会在前面一段时间中运行于高功耗、高频状态，在完成任务之后会迅速进入低功耗状态，此时绝大部分的后台任务都是由小核们来执行的。
其他集成模块

让我们把目光从计算核心上面移开，来看看占据整块芯片其余大部分面积的核显。Lakefield上面集成的核显架构是与Ice Lake相同的第11代核显，从处理器的命名方式上面就可以看出，图形部分和Ice Lake基本上是如出一辙的，型号末尾的Gx代表的含义是一样的，G7代表着它有64组EU，G4则是低一个级别，为48组。规模上做的很大，但因为有严格的功耗限制，核显部分的最高运行频率被控制在500MHz以内。
在面对高分辨率或是多屏设备时，处理器需要提供足够的图形处理能力，而规模较大的核显可以保证这一点，低频大规模也比高频小规模来的更为高效节能。

除了图形部分，在计算Die上面还集成了其他一些具有计算能力的模块，比如图像处理器单元、视频编解码单元和显示输出引擎等。而I/O部分则是布局在下面的基础逻辑Die上，I/O部分并不需要高性能晶体管和高晶体管密度，在这里，Intel选择使用低漏电率特性的22FFL工艺进行制造。这部分基本上就是负责各种总线的，比如PCIe、I2C等等。
另外值得一提的是，它在通讯功能上面支持与自家的LTE基带产品和Wi-Fi产品互联，能够提供LTE和Wi-Fi 6的网络接入能力。
性能与功耗表现

目前采用Lakefield的笔记本产品都还没有上市，我们现在只能够通过Intel给出的官方数据来看看Lakefield的纸面性能表现。

需要注意的是，这里的对比对象是Core i7-8500Y，一款双核四线程的超低压处理器。Intel官方给出的数据是Lakefield较前者有较大的提升，能效比高了24%，单线程性能高了12%，图形性能有70%的提升，尤其是在低电量待机功耗上，有高达91%的改良吗，这些数字都挺好看的。不过真实的性能表现还是要等实际产品出货了才能测到。
另外，大小核的任务分配调度这方面实际上是由操作系统来负责的，而微软为了支持普遍应用big.LITTLE技术的ARM处理器，在前些时间才为Windows的内核增加了对大小核的调度能力，对Lakefield的优化情况还有待观察。

官方也给出了Lakefield在待机情况下的功耗对比，因为使用了漏电率更低的工艺，在待机情况下，它的功耗相比起原本的第八代酷睿是要低非常多的。再具体一点的数字，2.5mW，对于一颗x86处理器来说，这个数字确实是很低了。一个相对较低的待机功耗有助于提升设备的续航时间，对于这些更偏向于移动使用的新形态笔记本来说是非常有用的。
总结：一个实验性产品，阻拦高性能ARM芯片组

总的来说，Lakefield更像是一个实验性的产品，它集成了Intel近几年开发出来的不少新技术，比如大小核混合、Foveros 3D堆叠封装工艺等。它为未来的产品提供了一个实验平台，让一些新技术通过实际应用变得更为成熟，从而为未来的产品提前打好基础。
Lakefield对标的是ARM阵营中性能越来越强，即将或者说已经能够登陆笔记本平台的那些新的芯片组，比如说高通的8cx就是对标产品之一。对于现在的Windows来说，一枚更为省电并且有足够性能的x86肯定是更受欢迎的，因为虽然目前的Windows 10已经针对ARM指令集的处理器做了支持，但仍然有兼容性方面的问题。很多应用因为没有针对ARM指令集重新编译，需要通过效率较低的翻译层才能正常使用，而且暂时还不支持x86-64的应用。从这方面来说，Lakefield有着天生的优势，说到底，它仍然是一枚x86处理器。
未来我们很有可能会看到同样基于大小核混合技术的Intel处理器，目前已经确定的Alder Lake架构极有可能会应用对称大小核设计，最高可能会有8大8小的SKU，不出意料的话，Intel会将它带进传统笔记本领域甚至是桌面领域。
话说回来，Intel已经规划好了Lakefield的后续产品，未来还有基于7nm+10nm、5nm+7nm的产品，其中前者已经在开发了。看起来，Intel想要用Lakefield这种新形态处理器取代掉原本的超低压处理器，这也是他们在两年前就应该规划好了的事情。具体能成不能成，还是让时间来说话吧。