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如何设计一颗更好、更节能、更适合移动设备使用的处理器，一直以来都是芯片厂商最为关注的问题之一。在ARM架构中，ARM推出了诸如“big.LIT TLE”以及现在被称作DynamIQ大小核匹配的一整套软硬件解决方案并带来了很好的使用体验。而在x86架构这边，目前流行的是大核心对大核心、小核心对小核心，似乎还没有一款产品能够融合两者的优势。2020年6月10日，英特尔正式推出采用英特尔混合技术的新款酷睿处理器，其代号为“Lakefield”。Lakefield处理器采用“大小核心”架构并使用Foveros 3D芯片堆叠技术打造。Lakefield的出现可以说填补了上述x86处理器在这领域的空白。紧跟英特尔，各大笔记本厂商也纷纷基于Lakefield打造出全新的产品，比如今天的主角—三星Galaxy Book S。
Lakefield处理器简析
早在2019年，英特尔便对外宣布了Lakefield架构。当时和Lakefield一起到来的还有全新的Foveros 3D封装技术以及一些全新的处理器架构设计。作为英特尔近十多年来改变最大的处理器产品，Lakefield在设计思路和实现方式上给我们带来了全新思考，这款堪称里程碑式的产品更将在整个处理器的发展历史中留下浓墨重彩的一笔。
关于Lakefield处理器的更多技术细节，《微型计算机》早在2020年4月下刊的杂志中就做了详细介绍，感兴趣的读者可以自行查阅。简单来说，英特尔Lakefield处理器带来了大量不同于之前处理器的设计，包括更小的电路板尺寸、更出色的功耗控制和性能功耗比表现等。
架构方面，Lakefield最值得关注的地方是其独特的异构多核架构，这个架构包含了非偶数的处理器数量，分别是一个10nm Sunny Cove大核心和四个Atom 处理器的10nm Tremont小核心，这是英特尔首次采用“1 4”的方案。在这里，原本支持超线程的SunnyCove架构禁用了SMT同步多线程技术。在之前的产品中，这两个计算核心都是作为独立产品的核心存在的，比如Sunny Cove是为Ice Lake打造的，而Tremont在最新发布的Sown Ridge网络处理器中存在。不过在AVX- 512指令集方面，尽管其架构支持，但是考虑到Lakefield的应用场景主要是面向低功耗和超轻薄设备，以及Tremont内核需要完全的ISA兼容性的要求，因此Sunny Cove在这款处理器上也没有开启对AVX- 512指令集的支持。
英特尔采用“1 4”的配置方案后，正在运行的工作负载信息会传递给操作系统，以便根据性能需求和电源消耗情况来优化工作负载并配置相关核心资源。在小核心方面，英特尔采用了最新的Tremont内核，英特尔宣称这个核心代表了性能功耗比的显著提升。根据英特尔的数据显示，一个Tremont的内核可以达到Sunny Cove高达70%的性能，同时拥有更出色的性能功耗比。在多线程负载中，四个Tremont内核群集可以实现单个Sunny Cove核心2倍的性能，同时提供明显更好的电源效率曲线。因此，通过为不同特性的工作负载安排使用更高效率的核心，能够为整个SoC带来更为优秀的功耗和性能表现。也就是说一些对性能要求较高的计算任务可以交给Sunny Cove核心来负责，而那些需要多线程性能的应用以及后台工作负载会交由Tremont集群负责，这样会带来更为出色的能源效率。
功耗方面，英特尔表示首批LakefieldSoC的待机功耗可降低至2.5mW，相比酷睿Y系列处理器降低了多达91%，能够带来更长的电池使用时间。
在图形方面，Lakefield还采用了英特尔全新的第11代图形架构，根据英特尔公布的数据，Lakefield处理器内置的显卡相比酷睿Y系列处理器内置的显卡，前者性能提升达1.7倍，同时视频转码速度也可提升54%，并支持外接最多四个4K显示屏。
最后再来看封装和外观，由于Foveros 3D封装技术的采用，Lakefield的处理器尺寸非常小，它的面积仅有12mm×12mm，厚度仅1mm，这个数据要低于目前绝大部分处理器产品。此外，英特尔也展示了一些搭载Lakefield设计样品的尺寸，其PCB的长度大约只有125mm，宽大约3 0 m m，表面搭载的芯片包括Lakefield芯片、NAND芯片、电源芯片和通讯、扩展卡插槽等，和常见的智能手机产品有一定的相似之处。
3D封装技术
Lakefield使用了英特尔Foveros 3D封装技术来完成最终的芯片堆叠封装，其主要技术难点在于10nm工艺构建的计算模块和基础模块面对面的结合后，再一同封装到基板上。对于Lakefield，英特尔使用了50μm点距的微型凸点。在Foveros封装的顶部，英特尔还额外封装了多个LPDDR4的内存。一般来说，内存都由厂商根据产品型号来选择容量和频率。英特尔将其封装在处理器之上，好的方面是减少了整个系统所占的面积，不过厂商可能无法自行搭配出更灵活的配置，玩家也无法自行升级内存。Lakefield支持2个或者4个LPDDR4或LPDDR4X的内存堆栈。在内存封装方面，英特尔采用的是350μm间距的TMV（through- mold vias）连接。即使整个芯片包括基板、基础模块和核心模块、2层内存封装，但是整个处理器的厚度仅为1mm，和普通芯片没有任何差异。
在Foveros封装的内部结构实现方面，英特尔采用了被称为FDI（FoverosDieInterface）的3D晶圆间连接技术来连接所有芯片的IO接口。FDI包括过程级别的优化和增强以确保所有连接界面的电气性能都得到保障。这包括3D建模、结构优化、晶片之间的距离最小化、不同层晶片的耦合以及相邻凸点之间的耦合。在FDI技术中心，IO单元直接位于微型凸块下方，从而消除了引线、布线。在时钟结构方面，FDI使用相对简单的转发时钟架构，其中Tx/Rx位于基础晶片电源上，接口频率不高但是数据宽度很宽，其峰值速率为500MT/s，并且200条相关通道都使用这个统一的速度。在功耗方面，Lakefield上FDI的功耗为0.2pJ/bit，比一般的标准芯片组接口，比如英特尔的OPI或者AMDIF总线降低了约10倍。英特尔表示，未来的产品还会进一步减少功耗。在基础模块的连接方面，它采用的是TSV技術，可以用于将路由信号和电源直接导通到上层封装芯片。由于基础模块是有源中介层，因此技术难度更高。英特尔表示，采用TSV是因为其规则允许高级别的区块电源利用率高于75%，并且经过了英特尔的优化，还可以在存在TSV的情况下使用SRAM、寄存器文件和IO电路等。信号TSV使用的是1×1阵列，功率TSV则以每个C4凸点2×1、2×2、2×3×2的图形阵列构建。
首批两款产品i7暂时缺席
2020年6月10日，英特尔正式推出首批两款Lakefield处理器新品，它们是酷睿i5-L16G7和酷睿i3-L13G4，酷睿i7系列产品暂时缺席。从产品命名来看，“Core”品牌和“i5”这样的产品档次区分依旧得以保留，后续的“L”应该是指Lakefield架构，“15”和“16”应该是区分不同型号，“G7”则是指相关核芯显卡的规格（这在10nm工艺的第十代酷睿U系列处理器中早就得以体现）。
具体规格上，以酷睿i5-L16G7为例，这款产品采用5核心5线程设计，标准TDP为7W，拥有4MB缓存，核心基础频率为1.4GHz，最大单核睿频频率可达3.0GHz，最大全核睿频频率为1.8GHz，支持LPDDR4X4267内存。核显方面，酷睿i5-L16G7搭载英特尔第11代核芯显卡，其核显拥有64个EU单元，核显最高频率可达500MHz。而酷睿i3-L13G4处理器也拥有5核心5线程，TDP为7W，拥有4MB缓存，核心基础频率为0.8GHz，最大单核睿频频率为2.8GHz，核显拥有48个EU单元，核显的最高频率也可达500MHz。
值得一提的是，除了拥有更小的电路板尺寸、更出色的功耗控制和出色的性能功耗比表现，Lakefield处理器还加入了对英特尔Wi-Fi6（Gig ）和英特尔LTE解决方案的支持，同时还采用了原生显示器双内部管道。这一系列特性让Lakefield处理器更适合用来打造创新型PC，比如可折叠双屏PC。英特尔表示，目前有两款笔记本新品采用了最新的Lakefield处理器，它们是三星GalaxyBookS和联想ThinkPadX1Fold。我们恰好拿到了三星GalaxyBookS样机，下面就通过它来感受Lakefield的魅力。
Lakefield处理器简析
早在2019年，英特尔便对外宣布了Lakefield架构。当时和Lakefield一起到来的还有全新的Foveros 3D封装技术以及一些全新的处理器架构设计。作为英特尔近十多年来改变最大的处理器产品，Lakefield在设计思路和实现方式上给我们带来了全新思考，这款堪称里程碑式的产品更将在整个处理器的发展历史中留下浓墨重彩的一笔。
关于Lakefield处理器的更多技术细节，《微型计算机》早在2020年4月下刊的杂志中就做了详细介绍，感兴趣的读者可以自行查阅。简单来说，英特尔Lakefield处理器带来了大量不同于之前处理器的设计，包括更小的电路板尺寸、更出色的功耗控制和性能功耗比表现等。
架构方面，Lakefield最值得关注的地方是其独特的异构多核架构，这个架构包含了非偶数的处理器数量，分别是一个10nm Sunny Cove大核心和四个Atom 处理器的10nm Tremont小核心，这是英特尔首次采用“1 4”的方案。在这里，原本支持超线程的SunnyCove架构禁用了SMT同步多线程技术。在之前的产品中，这两个计算核心都是作为独立产品的核心存在的，比如Sunny Cove是为Ice Lake打造的，而Tremont在最新发布的Sown Ridge网络处理器中存在。不过在AVX- 512指令集方面，尽管其架构支持，但是考虑到Lakefield的应用场景主要是面向低功耗和超轻薄设备，以及Tremont内核需要完全的ISA兼容性的要求，因此Sunny Cove在这款处理器上也没有开启对AVX- 512指令集的支持。
英特尔采用“1 4”的配置方案后，正在运行的工作负载信息会传递给操作系统，以便根据性能需求和电源消耗情况来优化工作负载并配置相关核心资源。在小核心方面，英特尔采用了最新的Tremont内核，英特尔宣称这个核心代表了性能功耗比的显著提升。根据英特尔的数据显示，一个Tremont的内核可以达到Sunny Cove高达70%的性能，同时拥有更出色的性能功耗比。在多线程负载中，四个Tremont内核群集可以实现单个Sunny Cove核心2倍的性能，同时提供明显更好的电源效率曲线。因此，通过为不同特性的工作负载安排使用更高效率的核心，能够为整个SoC带来更为优秀的功耗和性能表现。也就是说一些对性能要求较高的计算任务可以交给Sunny Cove核心来负责，而那些需要多线程性能的应用以及后台工作负载会交由Tremont集群负责，这样会带来更为出色的能源效率。
功耗方面，英特尔表示首批LakefieldSoC的待机功耗可降低至2.5mW，相比酷睿Y系列处理器降低了多达91%，能够带来更长的电池使用时间。
在图形方面，Lakefield还采用了英特尔全新的第11代图形架构，根据英特尔公布的数据，Lakefield处理器内置的显卡相比酷睿Y系列处理器内置的显卡，前者性能提升达1.7倍，同时视频转码速度也可提升54%，并支持外接最多四个4K显示屏。
最后再来看封装和外观，由于Foveros 3D封装技术的采用，Lakefield的处理器尺寸非常小，它的面积仅有12mm×12mm，厚度仅1mm，这个数据要低于目前绝大部分处理器产品。此外，英特尔也展示了一些搭载Lakefield设计样品的尺寸，其PCB的长度大约只有125mm，宽大约3 0 m m，表面搭载的芯片包括Lakefield芯片、NAND芯片、电源芯片和通讯、扩展卡插槽等，和常见的智能手机产品有一定的相似之处。
3D封装技术
Lakefield使用了英特尔Foveros 3D封装技术来完成最终的芯片堆叠封装，其主要技术难点在于10nm工艺构建的计算模块和基础模块面对面的结合后，再一同封装到基板上。对于Lakefield，英特尔使用了50μm点距的微型凸点。在Foveros封装的顶部，英特尔还额外封装了多个LPDDR4的内存。一般来说，内存都由厂商根据产品型号来选择容量和频率。英特尔将其封装在处理器之上，好的方面是减少了整个系统所占的面积，不过厂商可能无法自行搭配出更灵活的配置，玩家也无法自行升级内存。Lakefield支持2个或者4个LPDDR4或LPDDR4X的内存堆栈。在内存封装方面，英特尔采用的是350μm间距的TMV（through- mold vias）连接。即使整个芯片包括基板、基础模块和核心模块、2层内存封装，但是整个处理器的厚度仅为1mm，和普通芯片没有任何差异。
在Foveros封装的内部结构实现方面，英特尔采用了被称为FDI（FoverosDieInterface）的3D晶圆间连接技术来连接所有芯片的IO接口。FDI包括过程级别的优化和增强以确保所有连接界面的电气性能都得到保障。这包括3D建模、结构优化、晶片之间的距离最小化、不同层晶片的耦合以及相邻凸点之间的耦合。在FDI技术中心，IO单元直接位于微型凸块下方，从而消除了引线、布线。在时钟结构方面，FDI使用相对简单的转发时钟架构，其中Tx/Rx位于基础晶片电源上，接口频率不高但是数据宽度很宽，其峰值速率为500MT/s，并且200条相关通道都使用这个统一的速度。在功耗方面，Lakefield上FDI的功耗为0.2pJ/bit，比一般的标准芯片组接口，比如英特尔的OPI或者AMDIF总线降低了约10倍。英特尔表示，未来的产品还会进一步减少功耗。在基础模块的连接方面，它采用的是TSV技術，可以用于将路由信号和电源直接导通到上层封装芯片。由于基础模块是有源中介层，因此技术难度更高。英特尔表示，采用TSV是因为其规则允许高级别的区块电源利用率高于75%，并且经过了英特尔的优化，还可以在存在TSV的情况下使用SRAM、寄存器文件和IO电路等。信号TSV使用的是1×1阵列，功率TSV则以每个C4凸点2×1、2×2、2×3×2的图形阵列构建。
首批两款产品i7暂时缺席
2020年6月10日，英特尔正式推出首批两款Lakefield处理器新品，它们是酷睿i5-L16G7和酷睿i3-L13G4，酷睿i7系列产品暂时缺席。从产品命名来看，“Core”品牌和“i5”这样的产品档次区分依旧得以保留，后续的“L”应该是指Lakefield架构，“15”和“16”应该是区分不同型号，“G7”则是指相关核芯显卡的规格（这在10nm工艺的第十代酷睿U系列处理器中早就得以体现）。
具体规格上，以酷睿i5-L16G7为例，这款产品采用5核心5线程设计，标准TDP为7W，拥有4MB缓存，核心基础频率为1.4GHz，最大单核睿频频率可达3.0GHz，最大全核睿频频率为1.8GHz，支持LPDDR4X4267内存。核显方面，酷睿i5-L16G7搭载英特尔第11代核芯显卡，其核显拥有64个EU单元，核显最高频率可达500MHz。而酷睿i3-L13G4处理器也拥有5核心5线程，TDP为7W，拥有4MB缓存，核心基础频率为0.8GHz，最大单核睿频频率为2.8GHz，核显拥有48个EU单元，核显的最高频率也可达500MHz。
值得一提的是，除了拥有更小的电路板尺寸、更出色的功耗控制和出色的性能功耗比表现，Lakefield处理器还加入了对英特尔Wi-Fi6（Gig ）和英特尔LTE解决方案的支持，同时还采用了原生显示器双内部管道。这一系列特性让Lakefield处理器更适合用来打造创新型PC，比如可折叠双屏PC。英特尔表示，目前有两款笔记本新品采用了最新的Lakefield处理器，它们是三星GalaxyBookS和联想ThinkPadX1Fold。我们恰好拿到了三星GalaxyBookS样机，下面就通过它来感受Lakefield的魅力。