如何設計一顆更好、更節(jié)能、更適合移動設備使用的處理器，一直以來都是芯片廠商最為關注的問題之一。在ARM架構中，ARM推出了諸如“big.LIT TLE”以及現(xiàn)在被稱作DynamIQ大小核匹配的一整套軟硬件解決方案并帶來了很好的使用體驗。而在x86架構這邊，目前流行的是大核心對大核心、小核心對小核心，似乎還沒有一款產(chǎn)品能夠融合兩者的優(yōu)勢。2020年6月10日，英特爾正式推出采用英特爾混合技術的新款酷睿處理器，其代號為“Lakefield”。Lakefield處理器采用“大小核心”架構并使用Foveros 3D芯片堆疊技術打造。Lakefield的出現(xiàn)可以說填補了上述x86處理器在這領域的空白。緊跟英特爾，各大筆記本廠商也紛紛基于Lakefield打造出全新的產(chǎn)品，比如今天的主角—三星Galaxy Book S。

Lakefield處理器簡析

早在2019年，英特爾便對外宣布了Lakefield架構。當時和Lakefield一起到來的還有全新的Foveros 3D封裝技術以及一些全新的處理器架構設計。作為英特爾近十多年來改變最大的處理器產(chǎn)品，Lakefield在設計思路和實現(xiàn)方式上給我們帶來了全新思考，這款堪稱里程碑式的產(chǎn)品更將在整個處理器的發(fā)展歷史中留下濃墨重彩的一筆。

關于Lakefield處理器的更多技術細節(jié)，《微型計算機》早在2020年4月下刊的雜志中就做了詳細介紹，感興趣的讀者可以自行查閱。簡單來說，英特爾Lakefield處理器帶來了大量不同于之前處理器的設計，包括更小的電路板尺寸、更出色的功耗控制和性能功耗比表現(xiàn)等。

架構方面，Lakefield最值得關注的地方是其獨特的異構多核架構，這個架構包含了非偶數(shù)的處理器數(shù)量，分別是一個10nm Sunny Cove大核心和四個Atom 處理器的10nm Tremont小核心，這是英特爾首次采用“1+4”的方案。在這里，原本支持超線程的SunnyCove架構禁用了SMT同步多線程技術。在之前的產(chǎn)品中，這兩個計算核心都是作為獨立產(chǎn)品的核心存在的，比如Sunny Cove是為Ice Lake打造的，而Tremont在最新發(fā)布的Sown Ridge網(wǎng)絡處理器中存在。不過在AVX- 512指令集方面，盡管其架構支持，但是考慮到Lakefield的應用場景主要是面向低功耗和超輕薄設備，以及Tremont內(nèi)核需要完全的ISA兼容性的要求，因此Sunny Cove在這款處理器上也沒有開啟對AVX- 512指令集的支持。

英特爾采用“1+4”的配置方案后，正在運行的工作負載信息會傳遞給操作系統(tǒng)，以便根據(jù)性能需求和電源消耗情況來優(yōu)化工作負載并配置相關核心資源。在小核心方面，英特爾采用了最新的Tremont內(nèi)核，英特爾宣稱這個核心代表了性能功耗比的顯著提升。根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)顯示，一個Tremont的內(nèi)核可以達到Sunny Cove高達70%的性能，同時擁有更出色的性能功耗比。在多線程負載中，四個Tremont內(nèi)核群集可以實現(xiàn)單個Sunny Cove核心2倍的性能，同時提供明顯更好的電源效率曲線。因此，通過為不同特性的工作負載安排使用更高效率的核心，能夠為整個SoC帶來更為優(yōu)秀的功耗和性能表現(xiàn)。也就是說一些對性能要求較高的計算任務可以交給Sunny Cove核心來負責，而那些需要多線程性能的應用以及后臺工作負載會交由Tremont集群負責，這樣會帶來更為出色的能源效率。

功耗方面，英特爾表示首批LakefieldSoC的待機功耗可降低至2.5mW，相比酷睿Y系列處理器降低了多達91%，能夠帶來更長的電池使用時間。

在圖形方面，Lakefield還采用了英特爾全新的第11代圖形架構，根據(jù)英特爾公布的數(shù)據(jù)，Lakefield處理器內(nèi)置的顯卡相比酷睿Y系列處理器內(nèi)置的顯卡，前者性能提升達1.7倍，同時視頻轉(zhuǎn)碼速度也可提升54%，并支持外接最多四個4K顯示屏。

最后再來看封裝和外觀，由于Foveros 3D封裝技術的采用，Lakefield的處理器尺寸非常小，它的面積僅有12mm×12mm，厚度僅1mm，這個數(shù)據(jù)要低于目前絕大部分處理器產(chǎn)品。此外，英特爾也展示了一些搭載Lakefield設計樣品的尺寸，其PCB的長度大約只有125mm，寬大約3 0 m m，表面搭載的芯片包括Lakefield芯片、NAND芯片、電源芯片和通訊、擴展卡插槽等，和常見的智能手機產(chǎn)品有一定的相似之處。

3D封裝技術

Lakefield使用了英特爾Foveros 3D封裝技術來完成最終的芯片堆疊封裝，其主要技術難點在于10nm工藝構建的計算模塊和基礎模塊面對面的結(jié)合后，再一同封裝到基板上。對于Lakefield，英特爾使用了50μm點距的微型凸點。在Foveros封裝的頂部，英特爾還額外封裝了多個LPDDR4的內(nèi)存。一般來說，內(nèi)存都由廠商根據(jù)產(chǎn)品型號來選擇容量和頻率。英特爾將其封裝在處理器之上，好的方面是減少了整個系統(tǒng)所占的面積，不過廠商可能無法自行搭配出更靈活的配置，玩家也無法自行升級內(nèi)存。Lakefield支持2個或者4個LPDDR4或LPDDR4X的內(nèi)存堆棧。在內(nèi)存封裝方面，英特爾采用的是350μm間距的TMV（through- mold vias）連接。即使整個芯片包括基板、基礎模塊和核心模塊、2層內(nèi)存封裝，但是整個處理器的厚度僅為1mm，和普通芯片沒有任何差異。

在Foveros封裝的內(nèi)部結(jié)構實現(xiàn)方面，英特爾采用了被稱為FDI（FoverosDieInterface）的3D晶圓間連接技術來連接所有芯片的IO接口。FDI包括過程級別的優(yōu)化和增強以確保所有連接界面的電氣性能都得到保障。這包括3D建模、結(jié)構優(yōu)化、晶片之間的距離最小化、不同層晶片的耦合以及相鄰凸點之間的耦合。在FDI技術中心，IO單元直接位于微型凸塊下方，從而消除了引線、布線。在時鐘結(jié)構方面，F(xiàn)DI使用相對簡單的轉(zhuǎn)發(fā)時鐘架構，其中Tx/Rx位于基礎晶片電源上，接口頻率不高但是數(shù)據(jù)寬度很寬，其峰值速率為500MT/s，并且200條相關通道都使用這個統(tǒng)一的速度。在功耗方面，Lakefield上FDI的功耗為0.2pJ/bit，比一般的標準芯片組接口，比如英特爾的OPI或者AMDIF總線降低了約10倍。英特爾表示，未來的產(chǎn)品還會進一步減少功耗。在基礎模塊的連接方面，它采用的是TSV技術，可以用于將路由信號和電源直接導通到上層封裝芯片。由于基礎模塊是有源中介層，因此技術難度更高。英特爾表示，采用TSV是因為其規(guī)則允許高級別的區(qū)塊電源利用率高于75%，并且經(jīng)過了英特爾的優(yōu)化，還可以在存在TSV的情況下使用SRAM、寄存器文件和IO電路等。信號TSV使用的是1×1陣列，功率TSV則以每個C4凸點2×1、2×2、2×3×2的圖形陣列構建。

首批兩款產(chǎn)品i7暫時缺席

2020年6月10日，英特爾正式推出首批兩款Lakefield處理器新品，它們是酷睿i5-L16G7和酷睿i3-L13G4，酷睿i7系列產(chǎn)品暫時缺席。從產(chǎn)品命名來看，“Core”品牌和“i5”這樣的產(chǎn)品檔次區(qū)分依舊得以保留，后續(xù)的“L”應該是指Lakefield架構，“15”和“16”應該是區(qū)分不同型號，“G7”則是指相關核芯顯卡的規(guī)格（這在10nm工藝的第十代酷睿U系列處理器中早就得以體現(xiàn)）。

具體規(guī)格上，以酷睿i5-L16G7為例，這款產(chǎn)品采用5核心5線程設計，標準TDP為7W，擁有4MB緩存，核心基礎頻率為1.4GHz，最大單核睿頻頻率可達3.0GHz，最大全核睿頻頻率為1.8GHz，支持LPDDR4X4267內(nèi)存。核顯方面，酷睿i5-L16G7搭載英特爾第11代核芯顯卡，其核顯擁有64個EU單元，核顯最高頻率可達500MHz。而酷睿i3-L13G4處理器也擁有5核心5線程，TDP為7W，擁有4MB緩存，核心基礎頻率為0.8GHz，最大單核睿頻頻率為2.8GHz，核顯擁有48個EU單元，核顯的最高頻率也可達500MHz。

值得一提的是，除了擁有更小的電路板尺寸、更出色的功耗控制和出色的性能功耗比表現(xiàn)，Lakefield處理器還加入了對英特爾Wi-Fi6（Gig+）和英特爾LTE解決方案的支持，同時還采用了原生顯示器雙內(nèi)部管道。這一系列特性讓Lakefield處理器更適合用來打造創(chuàng)新型PC，比如可折疊雙屏PC。英特爾表示，目前有兩款筆記本新品采用了最新的Lakefield處理器，它們是三星GalaxyBookS和聯(lián)想ThinkPadX1Fold。我們恰好拿到了三星GalaxyBookS樣機，下面就通過它來感受Lakefield的魅力。