英特爾Lakefield登場三星Galaxy Book S

如何設計一顆更好、更節能、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，似乎還沒有一款產品能夠融合兩者的優勢。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品，Lakefield在設計思路和實現方式上給我們帶來了全新思考，這款堪稱里程碑式的產品更將在整個處理器的發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，《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的處理器數量，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。在之前的產品中，這兩個計算核心都是作為獨立產品的核心存在的，比如Sunny Cove是為Ice Lake打造的，而Tremont在最新發布的Sown Ridge網絡處理器中存在。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，以便根據性能需求和電源消耗情況來優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。根據英特爾的數據顯示，一個Tremont的內核可以達到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內核群集可以實現單個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帶來更為優秀的功耗和性能表現。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，根據英特爾公布的數據，Lakefield處理器內置的顯卡相比酷睿Y系列處理器內置的顯卡，前者性能提升達1.7倍，同時視頻轉碼速度也可提升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，這個數據要低于目前絕大部分處理器產品。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的內存。一般來說，內存都由廠商根據產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存。Lakefield支持2個或者4個LPDDR4或LPDDR4X的內存堆棧。在內存封裝方面，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封裝的內部結構實現方面，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、結構優化、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。在時鐘結構方面，FDI使用相對簡單的轉發時鐘架構，其中Tx/Rx位于基礎晶片電源上，接口頻率不高但是數據寬度很寬，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是因為其規則允許高級別的區塊電源利用率高于75%，并且經過了英特爾的優化，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系列產品暫時缺席。從產品命名來看，“Core”品牌和“i5”這樣的產品檔次區分依舊得以保留，后續的“L”應該是指Lakefield架構，“15”和“16”應該是區分不同型號，“G7”則是指相關核芯顯卡的規格（這在10nm工藝的第十代酷睿U系列處理器中早就得以體現）。

具體規格上，以酷睿i5-L16G7為例，這款產品采用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，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部管道。這一系列特性讓Lakefield處理器更適合用來打造創新型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。