Intel 採用混合封裝 Meteor Lake 架構 Core Ultra 處理器解密,獨立超低功耗 E Core 的分散式架構理念、整合 NPU 、獨顯級性能內顯

2023.09.20 04:32PM
照片中提到了Meteor Lake、New P-core & E-core、microarchitectures,跟航空公司報告公司有關,包含了多媒體、英特爾、中央處理器、流星湖、英特爾

Intel 在 2023 Intel Innovation 宣布代號「 Meteor Lake 」的 Core Ultra 處理器將於 2023 年 12 月 14 日推出, Intel 也針對做為後 Core i 時代承先啟後的 Meteor Lake 的架構特性與理念做進一步說明,尤其 Meteor Lake 同時作為 Intel 4 製程先驅、第一款 Foveros 3D 封裝、首次整合 NPU 的消費級處理器,並輔以全新架構設計理念,是 Intel 轉換至採用 P Core + E Core 、代號 Alder Lake 的第 12 代 Core 之後又一重大技術與架構革新。

利用 3D 異構封裝 4 大 Tile 的嶄新設計

▲ Meteor Lake 是 Intel 繼 Alder Lake 以來再一次重大架構與製程變革

Meteor Lake 並非純 Intel 4 製程產物,是由 4 個不同功能、製程的 Tile (晶粒)以 Intel 的 Foveros 3D 封裝技術整合而來,包括涵蓋主要 CPU 、以 Intel 4 製程結合 EUV 極紫外光技術生產的運算 Tile,以及整合 NPU 、低功耗 E Core 、多媒體引擎等多項重要功能的 SoC Tile ,承襲 Arc 獨立 GPU 架構的 GPU Tile ,以及各式外連通道的 IO Tile 。

▲使用 Foveros 3D 封裝整併 4 大 Tile

借助多晶粒化, Intel 能因應不同 Tile 的功能選擇合適的製程加以組合,甚至如影響 I/O 功能的 I/O Tile 還可依據產品設定使用具不同 I/O 通道的 Tile 。同時 Meteor Lake 的 4 個 Tile 也採用全新的 Uncore 理念,重新檢視處理器每個環節的功能並重新打散分配在 4 大 Tile 當中,以降低 CPU 、 GPU 負載的架構區塊使用最佳化理念重新配置。

P Core 與 E Core 皆更新設計

▲ 運算 Tile 使用 Intel 4 製程生產,包含全新的 P Core 與 E Core

▲代號 Redwood Cove 的新 P Core 具備增強的 Thread Direct 技術

Meteor Lake 在基礎運算架構進行全面的更新,在 P Core 採用強化同時多執行緒( SMT )、 IPC 的 Redwood Cove 架構,並具備增強的 Thread Director 等;而 Meteor Lake 的 E Core 除了 IPC 效能的提升以外,還透過增加 VNNI ( Vector Neural Network Instruction )強化 AI 加速。當前 Meteor Lake 架構將提供最多 6 核心 P Core 與 8 核心 E Core 的配置。

幾乎可獨立執行基本工作的 SoC Tile

▲ SoC Tile 具備能獨立執行系統的完善功能

然而 Meteor Lake 最值得介紹的 Tile 則是 SoC Tile ,因為 SoC Tile 幾乎可說是一個具備基礎系統執行能力的 Tile ;在設計概念上, SoC Tile 將系統最經常使用的功能整合在一個獨立的 Tile ,包括全新的 NPU 、以往多整合在 GPU 內的多媒體引擎、 Wi-Fi 6E 、藍牙等功能,但最突破性的概念是 Intel 在 SoC Tile 配置雙核的低功耗 E Core ( LP E Core ) 。

雖說 Meteor Lake 有獨立的運算 Tile ,但 Intel 刻意在 SoC Tile 配有獨立於運算 Tile 的 CPU 必有其意義; Meteor Lake 的設計希望使系統具備更高的能耗性能比,因此希望能將不需大量運算力的零散工作挪出 CPU 與 GPU 以外,也因此催生具有一定完整功能與獨立雙核 E Core 的 SoC Tile 。

▲ Intel 進一步將 CPU 分為三群並分散於 2 個 Tile ,稱為 3D 效能混合架構

▲現在工作負載會先經過 SoC Tile ,若低功耗 E Core 無法執行才會喚醒運算 Tile 執行

▲三種類的 CPU 各司其職並實現能耗效能最佳化

Intel 使用稱為 3D 效能混合架構( 3D Performance Hybrid Architecture )的全新 CPU 配置模式,在原本的 P Core 與 E Core 以外再增加一組更低功耗的 E Core ,同時藉由將低功耗 E Core 獨立於運算 Tile 以外,透過工作流程的全新分配模式,現在工作需求將率先進入 SoC Tile ,若僅為基本工作負載與影音播放,即可透過 SoC Tile 的低功耗雙核 E Core 、 NPU 與多媒體引擎執行,待需要更高運算力時才會喚醒運算 Tile 與 GPU Tile 。

▲借助 SoC Tile 獨立的雙核低功耗 E Core ,能大幅減少運算 Tile 的使用並提升續航力

▲每個 Tile 都有獨立的電源管理架構,並作為相互喚醒、溝通的管道

由於 3D 效能混合架構設計,使得 Meteor Lake 在一般日常使用時幾乎可僅使用 SpC Tile 與 IO Tile ,運算 Tile 與 GPU Tile 多數則處於休眠與待機狀態;當然為了實現這樣的設計, Intel 在 4 個 Tile 不僅有著與記憶體溝通的獨立通道,每個 Tile 還有能夠相互溝通的獨立 PM (電源管理)架構,使 4 個 Tile 能夠透過 PM 管理方式作為喚醒的機制。

承襲 Arc 獨立 GPU 架構的新一代整合 GPU

▲ Meteor Lake 的 Xe LPG 架構自 Arc 獨立 GPU 適度減化而來,保有現代化功能且能耗效能比提升 2 倍

▲ Xe LPG 設法再有限能耗實現趨近 A380 獨顯的效能

Meteor Lake 在 GPU 的架構也進行全面的翻新,使用基於 Xe HPG 的 Intel Arc 獨立顯示架構的精簡化設計,稱之為 Xe LPG ,官方的說法是因應內建顯示的能耗需求進行適度的精簡,但保有 Arc GPU 的現代化架構特性,除了效能相較現行的 Xe LP ( Iris Xe )提升兩倍的能耗效能比,並有著趨近 A380 獨立顯示的性能。此外由於將多媒體引擎轉移到 SoC Tile ,也意味著在播放影音內容與進行基於硬體加速的鯿/解碼時可不須喚醒 GPU Tile ,進一步減少額外能耗,附帶一提的是 Meteor Lake 不僅支援 AV1 硬體解碼,也支援 AV1 硬體編碼。

為現代化 AI 執行的 CPU + GPU + NPU 架構

▲固然 NPU 是為 AI 最佳化的架構,不過日常的 AI 實際是在混合異構的情況執行

▲面對生成式 AI 不同架構各有特性,但混合使用可兼顧效率與能耗

Intel 在 Meteor 的 SoC Tile 首度導入 NPU ,作為加速現代化 AI 應用的一部分,並在筆記型電腦終端實現不須聯網的邊際生成式 AI 執行能力, Intel 強調 Meteor Lake 的 NPU 可相容當前主流的 AI 框架,使開發者能夠快速的轉移當前的 AI 應用開發成果,同時也與微軟攜手使 Meteor Lake 能夠執行各類 Windows 11 整合的 AI 功能;不過 Intel 也強調當前的 AI 是在混合異構的環境執行,包括 CPU 、 GPU 與 NPU 都有合適與效率最佳的執行情境, Meteor Lake 的異構設計則有助於執行 AI 負載時以最佳效率架構與混合架構的方式進行。

Intel 4 、 EUV 與 Foveros 3D 封裝為 Meteor Lake 背後大功臣

▲成就 Meteor Lake 的關鍵在於多項 Intel 晶圓技術的結合

Intel 得以實現 Meteor Lake 嶄新的架構設計的關鍵是採用多項 Intel 晶圓技術,其中 CPU Tile 採用 EUV 極紫外光微影的 Intel 4 製程構成,其它晶粒再由不同製程節點甚至外部晶圓廠生產,而 Foveros 3D 具備 36 微米凸點間距,凸點密度提升 8 倍,每毫米具備 160GB ,並有小於 0.3 pJ/bit 功耗,借助混合封裝,相較現行 Raptor Lake 能使分區供耗降到最低,同時 Tile 的小型化設計能提升良率並降低晶圓投片,同時也能透過彈性 Tile 組合創造差異化與客製化的 SKU ,不再需要不同應用設計完整的 SKU 。

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