李實

在這個智能移動設備已經占據了我們生活絕大部分的年代，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話題之一。在ARM架構中，ARM推出了諸如big.LITTLE以及現在被稱作DynamIQ大小核匹配的一整套軟硬件解決方案，并帶來了非常不錯的使用效果。在x86架構這邊，截至目前依舊是大核心對大核心、小核心對小核心，還沒有一款產品能夠融合兩者的優(yōu)勢。不過，在x86上的這個空白可能要被英特爾填補了。2019年，英特爾就宣布了新的Atom、Core架構以及全新的Foveros 3D封裝技術，以及這些技術綜合而來的全新Lakefield處理器和其代表的全新混合式異構架構。隨著Lakefield處理器的消息不斷爆出，各種有關這款產品在設計和性能方面的數據開始走向前臺，引發(fā)了人們對采用這款全新設計、全新架構和獨特異構方案的處理器的好奇。今天，本文就綜合多方內容，對這款英特爾未來的移動處理器之星進行解讀。

去年，英特爾發(fā)布了Lakefield架構。當時和Lakefield-起登場的還有全新的3D封裝技術Foveros以及一些全新的處理器架構設計。作為英特爾近十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人們帶來了全新的思考，這款堪稱里程碑式的產品，一定會在整個處理器的發(fā)展歷史中留下濃墨重彩的一筆。

先來看名稱，Lakefield是一款移動SoC的代號，也是這款SoC架構特征的名稱。設計方面，全新的Lakefield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、更出色的功耗和性能功耗比表現等。架構方面，Lakefield最值得關注的地方還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，分別是一個大核心和四個小核心，顯然，Lakefield吸取了目前智能手機移動SoC的部分思想，并結合x86實際應用場景的特性。在功耗方面，Lakefield擁有獨特的電源設計，以及在待機、信號連接方面低至2mW的低功耗解決方案等。在圖形方面，Lakefield還采用了英特爾全新的第11代圖形架構，一些消息顯示新的圖形架構和前代產品相比提升了50%。內存控制器方面，Lakefield使用的是LPDDR4X POP內存，并且將其通過獨特的堆疊式封裝集成在整個處理器的頂部，最后再來看封裝和外觀，由于Foveros 3D封裝技術的采用，La kefield的處理器尺寸非常小，長寬都僅為12毫米，厚度也僅有1毫米，這個數據要低于目前絕大部分處理器產品。由于Lakefield優(yōu)秀的特性，在未上市之前，就有很多筆記本電腦廠商宣稱將基于Lakefield打造全新的產品，其中包括微軟的Surface Neo以及三星的Galaxy Book S等。

沒有計算，只有通信——Lakefield基礎模塊介紹

在這里，基礎模塊是指位于封裝層最底層的高分辨率襯底，與此類似的是一些射頻芯片的晶元襯底。英特爾在最底層的基礎芯片上放置了什么內容呢？答案是部分接口組件。包括USB 3 Type-C接口、音頻、Debug模塊、SDIO（Secure Digital Input and Output，安全數字輸入輸出卡，一種在SD卡上發(fā)展起來的接口，用于支持一些特殊用途的信號通訊）、PCle 3.0、緩存以及其他一些低功耗的1/0組件。

這個部分的面積僅僅為92平方毫米，采用了全新的22nm FFL工藝制造。這個基板具有10個金屬層和MIM蓋帽（ metal insulator metal cap），并允許上層模組以TSV的方式導通到基板。從工藝來看，22nm FFL和之前老版本的22nm存在很大差異，22nmFFL相當于加入了大量成熟的14nm工藝技術，優(yōu)化的超低功耗工藝版本。這個工藝的特點在于針對模擬電路做了增強，并針對低功耗電流泄露做出了優(yōu)化。不僅如此，由于引入了14nm工藝的特性并且應用在22nm節(jié)點上，因此這個工藝采用了一個單一圖案的BEOL，顯著減少了掩模數量和總體層數，最終降低了成本。之前英特爾曾計劃在業(yè)內大規(guī)模推廣22nm FFL工藝的代工，面向移動產品、RF產品等對功耗控制比較敏感的設備。本次這項工藝成功使用在自家產品上，也是對其質量和性能的一種肯定。

Lakefield的基石英特爾全新22nm FFLI藝簡介

本刊曾經在之前的《面向低功耗、低成本和模擬設備的新工藝——英特爾22nm FFL工藝介紹》中詳細介紹了這款全新的工藝。由于本文涉及了22nm FFL工藝，因此在這一部分簡單做一些介紹。如果讀者希望詳細了解這個工藝特性，可以回顧之前的文章。

英特爾的22nm FFL工藝是一款全新設計的、面向低功耗、低成本和模擬、射頻用戶的新工藝。22nm FFL和之前的22nm SoC工藝幾乎沒有什么關系，而是來自更先進的14nm和lOnm工藝技術。22nm FFL和22nm SoC唯一共享的物理特性是相對寬松的108nm柵極間距，這使得柵極的長度更長。實際上22nm FFL的鰭片間距、高度、寬度可以和14nm制程相媲美。

在工藝細節(jié)方面，22nm FFL包含了三個新的層，分別是180nm、720nm和1080nm，其主要特點是金屬層間距都采用了整數倍數，比如基本是90的整數倍數，并且針對低成本設計進行了優(yōu)化。此外，英特爾團隊還新設計了一種新的超低功耗邏輯晶體管（簡稱為LL），可以將永久導通邏輯晶體管的泄露降至最低。為了進一步提高vt，新型LL晶體管的柵極長度比低功率晶體管的柵極長度更長，并且更大，需要144nm的柵極間距。它還采用了非常厚的柵極氧化層，類似于高電壓1/0晶體管，可以降低漏電。對于NMOS和PMOS，新型LL晶體管的總漏電流低于0.5pA/μm和0.7pA/μm，這個數值甚至僅有傳統(tǒng)22nm工藝的1/30，極大地降低了漏電損耗。在生產方面，22nm FFL擁有一個大型的晶體管庫，包含三種高性能邏輯電路，三種低功耗邏輯電路，一種超低漏電邏輯電路，三種模擬電壓電源，三個高電壓器件以及各種無源器件等，為22nm FFL工藝快速商業(yè)化提供了可能。在成本控制方面，22nm FFL工藝放寬了部分要求，減少了對雙重圖案曝光的需求，并且將第二代和第三代FinFET的大量特性轉移至22nm FFL上。新工藝能夠通過制造幾何形狀出色的鰭片，以及功能優(yōu)異的金屬層來提高整體芯片的性能和能耗比。

市場選擇方面，22nm FFL非常適合無線調制解調器，比如4G、Wi-Fi和藍牙芯片等，甚至可能是PC芯片組，比如Lakefield的基礎模塊部分?？傮w來看，22nm FFL工藝結合了英特爾FinFET和其他低漏電技術，使得晶體管漏電率降低了100多倍，驅動電流甚至達到了14nm工藝的水平，堪稱業(yè)界非常出色的超低功耗先進工藝。

1+4、大小核——計算模塊介紹

SOC的計算模塊位于基礎模塊之上。計算模塊比基礎模塊小了一圈，僅僅只有82平方毫米，集成了大約40億個晶體管。工藝方面采用的是英特爾第二代10nm工藝制造，也就是10nm+。在這個部分，英特爾集成了幾乎所有的高性能部件，包括4通道、每通道16bit的LPDDR4內存、CPU內核、系統(tǒng)代理單元、第11代GPU核心、第11.5代顯示引擎以及IPU 5.5。

在計算模塊中，有一些細節(jié)非常有趣。比如計算模塊這個SoC本身和ke Lake非常相似，英特爾宣稱它們確實基于同一個芯片研發(fā)而來。在總線方面，英特爾采用了之前慣用的雙向環(huán)形總線和相關代理節(jié)點來連接內核、GPU等重要部件。目前核心內部擁有4個代理節(jié)點，分別用于CPU的大核心、4個小核心、GPU和其他所有的功能部件。小核心方面，英特爾采用的是四核心Goldmont Plus架構所使用的集群管理方式（核心已經改用了更新的Tremont），這個集群管理方式已經使用了多代，并且現在沒有看到進一步的更新。

在GPU方面，整個計算模塊中大約37%的部分被第11代GPU核心占據，這個數據不包括IPU 5.5部件和第11.5代顯示引擎，后者位于計算模塊左側的2個紫色區(qū)域。相比Ice Lake，整個計算模塊的面積有所降低，這是因為PCle 3.O和Thunderbolt 3（USB Type-C）的控制單元被移出計算模塊，放置在了基礎模塊部分。

在CPU核心配置上，英特爾首次采用了1+4的方案，也就是一個SunnyCove架構的大內核和四個Tremont架構的小內核混合配置在一起，總計五個核心和五個線程。在這里，原本支持超線程的Sunny Cove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ke Lake打造的，而Tremont在最新發(fā)布的Sown Ridge網絡處理器中存在。不過在AVX-512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的支持。不過令人奇怪的是，根據芯片晶圓照片判斷，AVX-512模塊依舊存在于Lakefield的Sunny Cove核心中，并未移除，只是將其禁用了o考慮到AVX-512核心占地面積頗大，移除這個模塊有助于降低芯片面積從而減少成本，因此英特爾依舊保留AVX-512核心就略顯蹊蹺，具體原因尚不得而知。

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內核，英特爾宣稱這個核心代表了性能和功耗的顯著提升，其架構性能可能介于SandyBridge和Haswell之間。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，4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。一些對性能要求較高的計算任務可以交給Sunny Cove核心負責，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。當然，在實際工作中，正如我們在安卓生態(tài)環(huán)境中看到的那樣，如何將合適的程序匹配至合適的核心是一個很復雜的事情，因此良好的電源管理是—項復雜的工作?，F在不確定在實際應用中類似混合架構的設計能否達到理論所呈現的優(yōu)秀表現。

除了性能和能耗比，4個Tremont集群還有一些有意思的內容值得探尋，比如芯片經濟性方面的考慮。4個Tremont集群的面積和一個Sunny Cove核心基本相同，這里需要說明的是，這種比較立足于4個Tremont集群加上共享的1.5MB L2緩存對比1個SunnyCove核心加上512KB緩存。其中，前者核心面積大約為5.14平方毫米，單個Tremont核心面積約為0.88平方毫米。整個Sunny Cove核心搭配緩存的面積約為4.49平方毫米。因此可以看出不同類型的核心尺寸差異巨大。

Lakefield的技術來源：Sunny Cove和Tremont核心簡介

Sunny Cove架構是英特爾近年來真正堪稱架構革新的大核心設計方案。相比前代架構，新的架構同時包含了通用性能提升和特殊性能提升。已知的消息包括增加緩存容量，更寬的核心，增加了L1帶寬，分支預測器的改進，減少有效負載延遲等。指令集方面，Sunny Cove內核也加入了AVX-512指令集和相關計算單元，支持IFMA指令以更好地支持大數據算數計算和加密計算，加入SHA和SHA-NI指令以及Galois Field指令，以更好地進行密碼學所需要的計算加速等。

在Sunny Cove之外，Tremont也是英特爾近年來提出的全新高效能架構。其核心變化包括使用了來自SunnyCove這類大核心的指令預取和分支預測單元，采用了2個3-wide的解碼引擎，并搭配4寬度的分配和調度引擎實現寬裕的資源分配和調度，更大的緩存容量和更寬的緩存帶寬，擁有8個執(zhí)行端口和7個數據保留單元的寬后端單元設計（包括更強大的浮點和整數單元）以及全新的指令集等。Tremont通過全面革新內核設計，帶來了相比前代產品至少30%的性能提升，令人驚訝。

多層堆疊——Foveros3D封裝

Lakefield使用了英特爾Foveros 3D封裝技術，來構建完成最終的芯片堆疊封裝，其主要的技術難點在于lOnm工藝構建的計算模塊和基礎模塊面對面的結合后，再一同封裝在基板之上。對于Lakefield，英特爾使用了50Um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，內存都是由廠商根據產品型號來選擇容量和頻率的。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存了o Lakefield支持2個或者4個LPDDR4或者LPDDR4X的內存堆棧。在內存封裝方面，英特爾采用的是350微米間距的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1毫米，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（Foveros Die Interface）的3D晶圓間連接技術來連接所有芯片的10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，10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(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(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AMD IF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(guī)則允許高級別的區(qū)塊電源利用率高于75%，并且還經過了英特爾的優(yōu)化，可以在存在TSV的情況下使用SRAM、寄存器文件和10電路等。信號TSV使用的是lxl陣列，功率TSV則以每個C4凸點2xl、2x2、2x3x2的圖形陣列構建。英特爾表示，在超過1GHz頻率的情況下，TSV電容為50fF，損耗小于0.5dB。

堪比智能手機——Lakefield成品尺寸

由于英特爾將內存也集成在了整個SoC中，因此最終的芯片和電路板設計將擁有類似于智能手機成品的尺寸。英特爾傳統(tǒng)處理器針對超輕薄設備一般擁有2個系列，分別是Y系列和U系列，比如Ice Lake Y和ke LakeU，均以較小的尺寸和極高的集成度著稱。但是，Lakefield和這兩個主流系列相比更為微縮，尺寸更小一些。值得指出的是，在外部電源供應上，英特爾采用了Power Management IC，也就是常用于智能手機的PMIC電源管理芯片來代替?zhèn)鹘y(tǒng)處理器使用的VR或者FIVR電源。

英特爾也展示了一些搭載Lakefield設計樣品的尺寸，其PCB尺寸大約只有1 25毫米長和30毫米寬，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。

Lakefield的改進空間和下一代產品

作為第一個使用了多種新技術的產品，Lakefield還將成為未來所有產品的學習對象。用于邏輯的3D堆棧處理器構建技術是一個全新的領域，為了使Lakefield最終獲得成功，必須開發(fā)全新的CAD工具以及新的系統(tǒng)級協(xié)作優(yōu)化。英特爾表示，內部和外部的CAD工具都得到了修改和增強，以支持3D IC設計，并應用了包括構造、布局和布線、芯片對芯片的時鐘頻率控制和建模、電源傳輸、ESD、散熱、信號完整性方面的全新功能。這每一項新功能和新設計都足以寫下一本厚厚的技術手冊。另外，3D IC的審核和驗證工具也得到了加強，從而使開發(fā)人員能夠驗證全芯片的功能。盡管如此，CAD工具依舊遠遠落后于行業(yè)對3DIC開發(fā)的需求，未來還需要進一步加強。

從產品角度來看，作為初代產品，Lakefield依舊存在很多缺陷。英特爾的長期目標是能夠采用Foveros技術在基礎模塊上混合匹配計算芯片。盡管目前用于2D和2.5D芯片的封裝和連接技術已經有越來越多的選擇，但是針對3D芯片還沒有太多的標準可供執(zhí)行。尤其是在內存方面，Lakefield受限于尺寸和成本使用了POP封裝的內存，這意味著內存數據要到達計算芯片，必須穿過POP封裝的底層和基板連接的銅柱，再向上傳輸，穿過基礎模塊才能抵達計算模塊——盡管內存和計算模塊就隔了一層POP封裝的基板。出現這樣的問題的原因是目前還沒有為3D IC所設計的標準存儲器接口，業(yè)內常見的諸如HBM2等存儲芯片最多都是為2.5D規(guī)格設計的，英特爾表示正在和合作伙伴研究解決方案。

在下一代產品的設計上，英特爾已經開始討論其他的一些封裝技術了。 Foveros可以和EMIB等其他技術一起使用，英特爾的第二代Foveros將兼容7nm工藝，基礎模塊則將采用優(yōu)化版本的lOnm工藝完成。使用Foveros和EMIB的主要產品是代號PonteVecchio的Xe架構GPU，這款產品將在2020年末小范圍試用，最終在2021年推出。

目前已經有一些Lakefield芯片的具體產品信息，包括Core i5-L15G7、Core i5-L16G7兩款產品。從這些曝光的產品命名來看，"Core”品牌和“i5”這樣的產品檔次區(qū)分依舊保留，后續(xù)的“L”應該是指Lakefield架構，“15”和“16”應該是不同的型號區(qū)分，“G7”則是指相關核芯顯卡的規(guī)格。具體規(guī)格上，以Core i5-L16G7為例，這款產品5核心、5線程，核心基礎頻率1.4GHz，睿頻頻率據傳為2.95GHz。值得關注的是它的圖形性能，在3DMark FireStrike中跑出了1069分，基本和GeForceMX 250以及銳龍74800H持平。CPU成績方面，目前的測試顯示其僅為4279分，和賽揚G3900相當，考慮到這并不是最終版本的測試成績以及軟件可能對新處理器在優(yōu)化上存在一些問題，因此參考意義不大。不過即使如此，考慮到Lakefield的全新特性和獨特的架構，以及部分消息宣稱其僅為0.002W也就是2mW的待機功耗且完全無需風扇散熱、被動散熱即可的特性，相信這樣的性能和超長的電池續(xù)航時間已經足夠滿足用戶需求了。

從目前的資料看出，Lakefiled本身瞄準的是看重輕薄、長續(xù)航的移動市場，這款處理器的創(chuàng)意在于異構五核心的架構和Foveros 3D堆疊架構。前者是處理器設計理念上的—次重大改變，無論是學習智能手機的移動SoC也好，還是專門為筆記本電腦定制也好，這種按需定制的特殊架構在之前從未如此目的明確地出現，當然，它的最終使用效果和性能表現還有待觀察。