AI算力暴增至120TOPS 英特爾Lunar Lake架構解析

來源：中關村在線編輯：非小米時間：2024-06-06 16:25人閱讀

#Intel #CPU處理器

隨著下一代AI PC硬件核心Lunar Lake的發布，英特爾4年5個制程節點演進也逐步迎來富有革命性的時刻。

面對AI時代指數級的算力需求增長，英特爾Lunar Lake，也就是第二代酷睿Ultra平臺的CPU+GPU+NPU算力突破到了120TOPS，這將為基于其打造的AI PC賦予更加強勁、高效的AI性能體驗。

在臺北電腦展這一PC行業重要時間節點，英特爾率先公布了Lunar Lake平臺技術細節，再次革新的架構設計，以及全新的CPU、GPU、NPU特性。

同時，各大OEM廠商也帶來了基于Lunar Lake平臺的新一代AIPC。那么Lunar Lake究竟能夠為第二代酷睿Ultra平臺帶來怎樣的改變？接下來，讓我們一起探究全新的英特爾Lunar Lake平臺。

·以AI為核心的多元化計算力提升

現如今，AI應用蓬勃發展，并且深入到各個領域。聊天機器人、AI智能助手、文生圖、文生視頻、文生音樂、降噪、擴圖、代碼生成、聲音模擬等等應用場景為人們所熟知。

生成式AI蓬勃增長，基于AI技術的應用日新月異，多元化大模型的轉換與擴散，成為AI終端負載的主流趨勢。同時更需要云、端、邊緣等多模態AI硬件設備的算力支持。

與此同時，對于像PC這樣的本地化AI載體，多元化的AI應用對于CPU、GPU、NPU等核心硬件的算力要求與日俱增，單一和傳統的硬件發展模式已經無法完全適應AI時代的計算要求。

因此，從Meteor Lake到如今的Lunar Lake，CPU+GPU+NPU構成的多元AI計算引擎，成為當代AI PC核心硬件的架構設計趨勢。

也因此，在如何提升三大AI計算引擎算力的同時，利用制程與架構優勢塑造更好的能效比，并兼顧傳統計算能力的提升，成為了擺在英特爾這些上游芯片企業的最直接問題。

我們看看全新的Lunar Lake是如何做到的？

·高達120TOPS的全核心AI算力暴增

首先需要明確的一點是，Lunar Lake全新的CPU、GPU以及NPU，使得整個平臺的AI計算能力達到120TOPS，相較Meteor Lake實現翻倍式提升。

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）設計，支持VNNI以及AVX AI指令集，峰值AI算力為5TOPS。

別看數字比較低，但是CPU在AI應用中往往只負責一些輕度的嵌入式AI計算任務，因此5TOPS算力足以應對這些類型AI的計算需求。

其次，全新的Xe2 GPU架構帶來了67TOPS的峰值AI算力，這主要得益于新架構的XMX矩陣引擎吞吐量的進一步提升，從而使得新的銳炫GPU擁有了更強的浮點運算能力，提升了BF16、INT8等常見AI數據類型的算力。

其三，全新的NPU 4架構，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，就構成了Lunar Lake整體120TOPS的AI計算能力。

·CPU、GPU、NPU三大核心性能更強、能效比更高

了解了Lunar Lake最為核心的特性之后，我們從架構入手，看看Lunar Lake在設計上有哪些變化？

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

其一，降低40%能耗，帶來了極富突破性的x86能效表現；

其二，達到Meteor Lake相同性能等級時，能耗只有前者的一半，從而帶來了卓越的核心性能保險；

其三，全新的Xe2圖形架構帶來了1.5倍的圖形性能提升；

其四，120TOPS全平臺AI算力帶來了無與倫比的AI計算能力。

在這樣的前提下，我們來看看Lunar Lake的芯片設計。如下圖所示：

與Meteor Lake的計算模塊、圖形模塊、SoC模塊、IO模塊的架構設計相比，Lunar Lake進行了整合并直接集成了內存。

可以看到，Lunar Lake在基板上直接集成了LPDDR5x內存顆粒，最高支持32GB雙通道。處理器芯片部分由計算模塊（Compute tile）和平臺控制模塊（Platform Controller tile）構成。

Lunar Lake的計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五個區塊，這部分如果做深入解讀的話會比較難以理解，所以這里我們盡量把一些較為晦澀難懂的技術細節剔除，比如流水線深度、分支預測、矢量等等，只介紹這些技術細節的改變為Lunar Lake奠定了怎樣的性能基礎。

·全新設計的性能核與能效核帶來更好的性能體驗

首先，Lunar Lake的性能核代號為Lion Cove，其微架構針對性能和能效、IPC、可擴展性等方面進行了優化。如針對PPA（面積功耗）進行優化，L3共享緩存提升到12MB，存儲器子系統進一步改進，引入了基于AI的電源管理，矢量與整數亂序引擎進行了拆分等等。

這一系列改進使得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，從而兼顧性能與續航表現。

Lunar Lake的能效核代號為Skymont，其微架構設計增加了工作負載的覆蓋范圍并實現了雙倍的矢量與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，使得能效核在實現相同性能時，功耗較前代相比更低。

總體來看，Skymont微架構打造的全新能效核，增強了分支預測能力，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，同時具備更好的并行計算能力。

對比Meteor Lake的Crestmont微架構能效核，Skymont單線程FP計算能力提升1.68倍，多線程INT峰值算力是前者的4倍，而達到相同算力的能耗只有前者的1/3。

·全新的線程調度邏輯優化工作負載到核心匹配

此外，Lunar Lake改變了性能核與能效核的調度邏輯，以同時覆蓋全面的CPU性能范圍，從而優化工作負載到核心的匹配。

Meteor Lake無論在怎樣的負載狀態下，都會優先調用性能核來承擔工作負載，這就會出現明明負載不高的工作任務，也會跑在性能核上的問題，進而影響散熱與續航表現。

而Lunar Lake則會優先調用功耗更低的能效核來執行工作負載，之后如果工作負載不斷增高，就會調用性能核來提供更好的性能。

這種全新的“大小核”調度邏輯，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。

之所以能夠實現更“聰明”的核心匹配，主要原因有三點：

其一是讓線程調度更加智能化，以優化工作負載與核心的匹配；

其二是改善系統與OEM集成來更加實現更為智能和可控的CPU調度。

其三是擴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計之后，英特爾為酷睿平臺引入了Intel Thread Director，也就是英特爾線程調度器。

Lunar Lake采用了改進后的全新線程調度器，旨在優化混合架構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。

新一代線程調度器通過智能化的調度和資源分配，能夠動態調整線程的執行狀態，從而實現更高效的計算和更長的電池壽命。

在用戶在運行復雜應用和多任務處理時，英特爾線程調度器能確保應用程序順暢運行，減少卡頓和延遲現象，提升用戶體驗。

例如在游戲場景中，英特爾線程調度器可以優先調度游戲相關線程到性能核，而將后臺更新等任務安排到能效核，確保游戲的流暢運行。

再比如Teams應用，通過基于系統容器和電源管理層面的優化，該項應用的能耗相比Meteor Lake降低35%，顯著增強了在線會議時電腦的能效表現。

另外還可以看看Office生產力應用時的能效核與性能核調度邏輯。

第一張圖是任務剛剛開始時，工作負載較低的情況下，優先調用能效核來執行；第二張圖是任務負載持續爬坡之后需要更高性能時，工作負載會迅速轉移到性能核上來。

如果后續性能不需要性能核介入，那么就會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”調度邏輯。

而以往Meteor Lake可能在任務開始時，就會將負載放到性能核上來。

總體來說，全新的英特爾線程調度器通過實時監控和動態調度，實現了對混合架構中不同核心的高效利用。

它不僅提高了系統的整體性能和響應速度，還通過優化資源分配降低了功耗，延長了電池壽命。這項技術在Lunar Lake等平臺上展現出了顯著的優勢，將為用戶提供無縫、高效的計算體驗。

·全新的Xe2核顯釋放更強圖形與AI性能

CPU部分說完，我們再來看看GPU。

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、高畫質下用核顯運行大型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與真實感。

Xe2 GPU架構提高了硬件功能的利用率，在整個架構上實現更好地工作負載分配，并且加強了硬件和軟件集成。

同時在硬件規格方面，Xe2架構也實現了升級，其Xe核心增加到了8個，圖形性能自然提升。AI性能的提升則來源于全新引入的Xe矩陣擴展引擎，這一全新的矢量引擎支持4096OPS/clock和2048OPS/clock的INT8和FP16計算，并且改進了固定功能單元，提高了吞吐量，從而優化了AI計算效率。其總體AI算力達到了67TOPS，并且擁有8MB L2緩存。

同時，Xe2 GPU增強了XeSS內核，從而提升了圖像處理和渲染效果，并且帶來更好的能效比。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的同時，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接口標準。新的媒體與顯示引擎可以更好地支持自適應分辨率流媒體和360°全景視頻。

VVC解碼也是新引擎的一大亮點，雖然目前支持的比較少，但是VVC相對于AV1而言，保證相近質量的同時文件體積減少了10%，這可以幫助視頻流媒體平臺進一步縮減成本，是未來視頻解碼的一大主流方向。

·NPU 4架構帶來4倍AI算力升級

Lunar Lake的NPU也迎來大幅升級。全新的NPU 4架構增加了芯片規模、提高了時鐘頻率和能效，同時針對現代AI進行了優化，以更好地支持LLMs（大語言模型）和Transformer的高效運行。

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個增強版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據轉換。

其帶寬是Meteor Lake的2倍，內置6個神經計算引擎，MAC（Multiply-Accumulate）陣列能效優化，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。

·出色的平臺級連接性

計算模塊之外，Lunar Lake的平臺控制模塊提供了出色的連接性。

Lunar Lake原生支持藍牙5.4、Wi-Fi 7（5Gig）、Thunderbolt 4。PCIe 4.0和PCIe 5.0通道數量進一步提升，新增支持Thunderbolt Share技術【具體參看：雷電接口史詩級強化！一根線完成2臺電腦協同應用】，因此Lunar Lake在連接性方面有著天花板級別的生態支持。