英特爾Lunar Lake架構(gòu)解析

隨著英特爾下一代AI PC硬件核心——Lunar Lake的問世，英特爾四年內(nèi)跨越五個(gè)制程節(jié)點(diǎn)的演進(jìn)正逐步邁向一個(gè)革命性的里程碑。在AI時(shí)代，面對(duì)算力需求的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，英特爾的Lunar Lake，即第二代酷睿Ultra平臺(tái)，其CPU、GPU與NPU的算力已突破至120TOPS，這一壯舉將為基于Lunar Lake構(gòu)建的AI PC帶來更為強(qiáng)大、高效的AI性能體驗(yàn)，開啟智能計(jì)算的新紀(jì)元。

在臺(tái)北電腦展這一PC行業(yè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，英特爾率先公布了Lunar Lake平臺(tái)技術(shù)細(xì)節(jié)，再次革新的架構(gòu)設(shè)計(jì)，以及全新的CPU、GPU、NPU特性，同時(shí)，各大OEM廠商也帶來了基于Lunar Lake平臺(tái)的新一代AIPC。那么Lunar Lake究竟能夠?yàn)榈诙犷ltra平臺(tái)帶來怎樣的改變？接下來，讓我們一起探究全新的英特爾Lunar Lake平臺(tái)。

·以AI為核心的多元化計(jì)算力提升

現(xiàn)如今，AI應(yīng)用蓬勃發(fā)展，并且深入到各個(gè)領(lǐng)域。聊天機(jī)器人、AI智能助手、文生圖、文生視頻、文生音樂、降噪、擴(kuò)圖、代碼生成、聲音模擬等等應(yīng)用場(chǎng)景為人們所熟知。生成式AI蓬勃增長(zhǎng)，基于AI技術(shù)的應(yīng)用日新月異，多元化大模型的轉(zhuǎn)換與擴(kuò)散，成為AI終端負(fù)載的主流趨勢(shì)。同時(shí)更需要云、端、邊緣等多模態(tài)AI硬件設(shè)備的算力支持。

與此同時(shí)，對(duì)于像PC這樣的本地化AI載體，多元化的AI應(yīng)用對(duì)于CPU、GPU、NPU等核心硬件的算力要求與日俱增，單一和傳統(tǒng)的硬件發(fā)展模式已經(jīng)無法完全適應(yīng)AI時(shí)代的計(jì)算要求。

因此，從Meteor Lake到如今的Lunar Lake，CPU+GPU+NPU構(gòu)成的多元AI計(jì)算引擎，成為當(dāng)代AI PC核心硬件的架構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢(shì)。也因此，在如何提升三大AI計(jì)算引擎算力的同時(shí)，利用制程與架構(gòu)優(yōu)勢(shì)塑造更好的能效比，并兼顧傳統(tǒng)計(jì)算能力的提升，成為了擺在英特爾這些上游芯片企業(yè)的最直接問題。

我們看看全新的Lunar Lake是如何做到的？

·高達(dá)120TOPS的全核心AI算力暴增

首先需要明確的一點(diǎn)是，Lunar Lake全新的CPU、GPU以及NPU，使得整個(gè)平臺(tái)的AI計(jì)算能力達(dá)到120TOPS，相較Meteor Lake實(shí)現(xiàn)翻倍式提升。

那么這120TOPS算力是如何分配的呢？

首先，Lunar Lake采用的全新的Lion Cove性能核（P-Core）與Skymont能效核（E-Core）設(shè)計(jì)，支持VNNI以及AVX AI指令集，峰值A(chǔ)I算力為5TOPS。別看數(shù)字比較低，但是CPU在AI應(yīng)用中往往只負(fù)責(zé)一些輕度的嵌入式AI計(jì)算任務(wù)，因此5TOPS算力足以應(yīng)對(duì)這些類型AI的計(jì)算需求。

其次，全新的Xe2 GPU架構(gòu)帶來了67TOPS的峰值A(chǔ)I算力，這主要得益于新架構(gòu)的XMX矩陣引擎吞吐量的進(jìn)一步提升，從而使得新的銳炫GPU擁有了更強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，提升了BF16、INT8等常見AI數(shù)據(jù)類型的算力。

其三，全新的NPU 4架構(gòu)，帶來了2倍的能效提升以及48TOPS的峰值算力。相比Meteor Lake NPU 3架構(gòu)的11.5TOPS算力，可以說是提升巨大。

因此，三大硬件核心算力加在一起，就構(gòu)成了Lunar Lake整體120TOPS的AI計(jì)算能力。

·CPU、GPU、NPU三大核心性能更強(qiáng)、能效比更高

了解了Lunar Lake最為核心的特性之后，我們從架構(gòu)入手，看看Lunar Lake在設(shè)計(jì)上有哪些變化？

從整體來看，Lunar Lake被英特爾定位儀下一代AI PC的旗艦級(jí)SoC。它具備四大特點(diǎn)：

其一，降低40%能耗，帶來了極富突破性的x86能效表現(xiàn)；

其二，達(dá)到Meteor Lake相同性能等級(jí)時(shí)，能耗只有前者的一半，從而帶來了卓越的核心性能保險(xiǎn)；

其三，全新的Xe2圖形架構(gòu)帶來了1.5倍的圖形性能提升；

其四，120TOPS全平臺(tái)AI算力帶來了無與倫比的AI計(jì)算能力。

在這樣的前提下，我們來看看Lunar Lake的芯片設(shè)計(jì)。如下圖所示：

與Meteor Lake的計(jì)算模塊、圖形模塊、SoC模塊、IO模塊的架構(gòu)設(shè)計(jì)相比，Lunar Lake進(jìn)行了整合并直接集成了內(nèi)存。可以看到，Lunar Lake在基板上直接集成了LPDDR5x內(nèi)存顆粒，最高支持32GB雙通道。處理器芯片部分由計(jì)算模塊（Compute tile）和平臺(tái)控制模塊（Platform Controller tile）構(gòu)成。

Lunar Lake的計(jì)算模塊包含了性能核心、能效核心、GPU、媒體和顯示引擎以及NPU五個(gè)區(qū)塊，這部分如果做深入解讀的話會(huì)比較難以理解，所以這里我們盡量把一些較為晦澀難懂的技術(shù)細(xì)節(jié)剔除，比如流水線深度、分支預(yù)測(cè)、矢量等等，只介紹這些技術(shù)細(xì)節(jié)的改變?yōu)長(zhǎng)unar Lake奠定了怎樣的性能基礎(chǔ)。

·全新設(shè)計(jì)的性能核與能效核帶來更好的性能體驗(yàn)

首先，Lunar Lake的性能核代號(hào)為L(zhǎng)ion Cove，其微架構(gòu)針對(duì)性能和能效、IPC、可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行了優(yōu)化。如針對(duì)PPA（面積功耗）進(jìn)行優(yōu)化，L3共享緩存提升到12MB，存儲(chǔ)器子系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，引入了基于AI的電源管理，矢量與整數(shù)亂序引擎進(jìn)行了拆分等等。

這一系列改進(jìn)使得Lion Cove的IPC相較Meteor Lake的Redwood Cove提升14%，并且能夠在相同功耗下獲得更好的性能，尤其在低能耗下的性能提升幅度達(dá)到了18%。這意味著Lunar Lake能夠以更少的耗電量獲取更高的性能，從而兼顧性能與續(xù)航表現(xiàn)。

Lunar Lake的能效核代號(hào)為Skymont，其微架構(gòu)設(shè)計(jì)增加了工作負(fù)載的覆蓋范圍并實(shí)現(xiàn)了雙倍的矢量與AI吞吐能力提升，這使得低功耗島上的Skymont核心在單線程以及多線程性能方面分別提升2倍和4倍。再加上更好的電源效率，使得能效核在實(shí)現(xiàn)相同性能時(shí)，功耗較前代相比更低。

總體來看，Skymont微架構(gòu)打造的全新能效核，增強(qiáng)了分支預(yù)測(cè)能力，擁有4MB L2共享緩存，L2緩存帶寬提升了2倍，4x 128bit FP和SIMD矢量AI吞吐能力提升2倍，同時(shí)具備更好的并行計(jì)算能力。

對(duì)比Meteor Lake的Crestmont微架構(gòu)能效核，Skymont單線程FP計(jì)算能力提升1.68倍，多線程INT峰值算力是前者的4倍，而達(dá)到相同算力的能耗只有前者的1/3。

·全新的線程調(diào)度邏輯優(yōu)化工作負(fù)載到核心匹配

此外，Lunar Lake改變了性能核與能效核的調(diào)度邏輯，以同時(shí)覆蓋全面的CPU性能范圍，從而優(yōu)化工作負(fù)載到核心的匹配。Meteor Lake無論在怎樣的負(fù)載狀態(tài)下，都會(huì)優(yōu)先調(diào)用性能核來承擔(dān)工作負(fù)載，這就會(huì)出現(xiàn)明明負(fù)載不高的工作任務(wù)，也會(huì)跑在性能核上的問題，進(jìn)而影響散熱與續(xù)航表現(xiàn)。而Lunar Lake則會(huì)優(yōu)先調(diào)用功耗更低的能效核來執(zhí)行工作負(fù)載，之后如果工作負(fù)載不斷增高，就會(huì)調(diào)用性能核來提供更好的性能。這種全新的“大小核”調(diào)度邏輯，可以幫助Lunar Lake更好地分配性能與功耗，避免性能核瘋狂跑，能效核在一旁“圍觀”的問題。

之所以能夠?qū)崿F(xiàn)更“聰明”的核心匹配，主要原因有三點(diǎn)：

其一是讓線程調(diào)度更加智能化，以優(yōu)化工作負(fù)載與核心的匹配；

其二是改善系統(tǒng)與OEM集成來更加實(shí)現(xiàn)更為智能和可控的CPU調(diào)度。

其三是擴(kuò)展效率并提升整體的電池壽命。

在開始采用性能核與能效核設(shè)計(jì)之后，英特爾為酷睿平臺(tái)引入了Intel Thread Director，也就是英特爾線程調(diào)度器。Lunar Lake采用了改進(jìn)后的全新線程調(diào)度器，旨在優(yōu)化混合架構(gòu)下多核心處理器中不同類型核心的利用效率，提高整體性能和能效。新一代線程調(diào)度器通過智能化的調(diào)度和資源分配，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整線程的執(zhí)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的計(jì)算和更長(zhǎng)的電池壽命。

在用戶在運(yùn)行復(fù)雜應(yīng)用和多任務(wù)處理時(shí)，英特爾線程調(diào)度器能確保應(yīng)用程序順暢運(yùn)行，減少卡頓和延遲現(xiàn)象，提升用戶體驗(yàn)。例如在游戲場(chǎng)景中，英特爾線程調(diào)度器可以優(yōu)先調(diào)度游戲相關(guān)線程到性能核，而將后臺(tái)更新等任務(wù)安排到能效核，確保游戲的流暢運(yùn)行。再比如Teams應(yīng)用，通過基于系統(tǒng)容器和電源管理層面的優(yōu)化，該項(xiàng)應(yīng)用的能耗相比Meteor Lake降低35%，顯著增強(qiáng)了在線會(huì)議時(shí)電腦的能效表現(xiàn)。

另外還可以看看Office生產(chǎn)力應(yīng)用時(shí)的能效核與性能核調(diào)度邏輯。第一張圖是任務(wù)剛剛開始時(shí)，工作負(fù)載較低的情況下，優(yōu)先調(diào)用能效核來執(zhí)行；第二張圖是任務(wù)負(fù)載持續(xù)爬坡之后需要更高性能時(shí)，工作負(fù)載會(huì)迅速轉(zhuǎn)移到性能核上來。如果后續(xù)性能不需要性能核介入，那么就會(huì)一直跑在功耗更低的能效核上，這可以說是非常典型的Lunar Lake“大小核”調(diào)度邏輯。而以往Meteor Lake可能在任務(wù)開始時(shí)，就會(huì)將負(fù)載放到性能核上來。

總體來說，全新的英特爾線程調(diào)度器通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合架構(gòu)中不同核心的高效利用。它不僅提高了系統(tǒng)的整體性能和響應(yīng)速度，還通過優(yōu)化資源分配降低了功耗，延長(zhǎng)了電池壽命。這項(xiàng)技術(shù)在Lunar Lake等平臺(tái)上展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，將為用戶提供無縫、高效的計(jì)算體驗(yàn)。

·全新的Xe2核顯釋放更強(qiáng)圖形與AI性能

CPU部分說完，我們?cè)賮砜纯碐PU。

Meteor Lake引入全新的銳炫GPU之后，圖形性能提升顯著。一方面在游戲端可以在1080p、高畫質(zhì)下用核顯運(yùn)行大型3A游戲，并可以獲得35-40fps以上的畫面流暢度；另一方面，銳炫核顯在Intel OpenVINO加持下， 可以提供更加出色的AI算力，尤其在本地化的Stable Diffusion應(yīng)用上，文生圖、圖生圖效率提升顯著。

Lunar Lake引入了全新的Xe2 GPU，相比Meteor Lake而言，圖形性能提升1.5倍，并且提供了更大的光追單元，幫助提升游戲的畫質(zhì)與真實(shí)感。Xe2 GPU架構(gòu)提高了硬件功能的利用率，在整個(gè)架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)更好地工作負(fù)載分配，并且加強(qiáng)了硬件和軟件集成。

同時(shí)在硬件規(guī)格方面，Xe2架構(gòu)也實(shí)現(xiàn)了升級(jí)，其Xe核心增加到了8個(gè)，圖形性能自然提升。AI性能的提升則來源于全新引入的Xe矩陣擴(kuò)展引擎，這一全新的矢量引擎支持4096OPS/clock和2048OPS/clock的INT8和FP16計(jì)算，并且改進(jìn)了固定功能單元，提高了吞吐量，從而優(yōu)化了AI計(jì)算效率。其總體AI算力達(dá)到了67TOPS，并且擁有8MB L2緩存。

同時(shí)，Xe2 GPU增強(qiáng)了XeSS內(nèi)核，從而提升了圖像處理和渲染效果，并且?guī)砀玫哪苄П?。在同等性能下功耗更低，在同等功耗下性能更高。相比Meteor Lake，Lunar Lake功耗降低了40%。

圖形性能和能效升級(jí)的同時(shí)，Lunar Lake也帶來了全新的媒體和顯示引擎。

其中，媒體引擎在原有的AV1編解碼上增加了VVC解碼支持，而顯示引擎支持eDP 1.5、DP 2.1、HDMI 2.1接口標(biāo)準(zhǔn)。新的媒體與顯示引擎可以更好地支持自適應(yīng)分辨率流媒體和360°全景視頻。

VVC解碼也是新引擎的一大亮點(diǎn)，雖然目前支持的比較少，但是VVC相對(duì)于AV1而言，保證相近質(zhì)量的同時(shí)文件體積減少了10%，這可以幫助視頻流媒體平臺(tái)進(jìn)一步縮減成本，是未來視頻解碼的一大主流方向。

·NPU 4架構(gòu)帶來4倍AI算力升級(jí)

Lunar Lake的NPU也迎來大幅升級(jí)。全新的NPU 4架構(gòu)增加了芯片規(guī)模、提高了時(shí)鐘頻率和能效，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)代AI進(jìn)行了優(yōu)化，以更好地支持LLMs（大語言模型）和Transformer的高效運(yùn)行。

與Meteor Lake搭載的NPU 3相比，NPU 4的峰值性能高出4倍。

NPU 4被英特爾定義為AI PC最大的集成和專用AI加速器，它集成了12個(gè)增強(qiáng)版SHAVE DSP（Streaming Hybrid Architecture Vector Engine Digital Signal Processors），J加速LLMs和Transformer的加速，并且支持原生激活功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其帶寬是Meteor Lake的2倍，內(nèi)置6個(gè)神經(jīng)計(jì)算引擎，MAC（Multiply-Accumulate）陣列能效優(yōu)化，從而使得AI算力從Meteor Lake的11.5TOPS激增至48TOPS，峰值性能高出4倍，能耗更低、性能更強(qiáng)。

·出色的平臺(tái)級(jí)連接性

計(jì)算模塊之外，Lunar Lake的平臺(tái)控制模塊提供了出色的連接性。

Lunar Lake原生支持藍(lán)牙5.4、Wi-Fi 7（5Gig）、Thunderbolt 4。PCIe 4.0和PCIe 5.0通道數(shù)量進(jìn)一步提升，新增支持Thunderbolt Share技術(shù)【具體參看：雷電接口史詩級(jí)強(qiáng)化！一根線完成2臺(tái)電腦協(xié)同應(yīng)用】，因此Lunar Lake在連接性方面有著天花板級(jí)別的生態(tài)支持。

·結(jié)語

總體來說，Lunar Lake相比Meteor Lake而言，在CPU、GPU、NPU計(jì)算性能與能效比方面都有著極其顯著的提升。其SoC能耗降低40%，片上封裝內(nèi)存之后使得數(shù)據(jù)遷移的能耗降低40%。

同時(shí)，Lunar Lake架構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯相較Meteor Lake變化極大，從原先的4大模塊整合成計(jì)算與平臺(tái)控制兩大模塊，CPU、GPU、NPU均采用了全新的微架構(gòu)設(shè)計(jì)，IPC性能、AI計(jì)算性能、圖形性能、能效比、內(nèi)存性能得到全方位提升。

目前，包括微星、華碩、宏碁在內(nèi)的多家OEM以及發(fā)布基于Lunar Lake的筆記本新品，但是具體上市時(shí)間并未公布，同時(shí)英特爾也沒有給出Lunar Lake家族的具體型號(hào)構(gòu)成。預(yù)計(jì)新產(chǎn)品和新平臺(tái)正式上市時(shí)間會(huì)在2024年第三季度，其性能體驗(yàn)如何？讓我們拭目以待！