Diagrama do chip do processador Intel Lakefield : núcleos de um núcleo (Sunny Cove) e quatro átomos (Tremont)



Há dez anos, a ARM introduziu uma arquitetura heterogênea para os grandes processadores multi-core LITTLE comnúcleos diferentes : alguns com alto desempenho e outros com eficiência energética. Esse sistema híbrido reduziu significativamente o consumo de energia da CPU enquanto os aplicativos estavam em execução em segundo plano (ou seja, quase sempre). O resultado foi um aumento no tempo de operação dos dispositivos.



Em 2019, a arquitetura heterogênea foi finalmente usada pela Intel pela primeira vez em processadores x86. Em 2020, dois processadores Lakefield com uma configuração 1 + 4 (um núcleo e quatro núcleos Atom) entrarão no mercado, escreve AnandTech.

Lakefield Processors

CPU

Benchmarks

Os próprios processadores ainda não apareceram em domínio público, então resta apenas focar nos benchmarks da Intel. A empresa faz apenas duas comparações: com o Amber Lake-Y, ou seja, o 5W i7-8500Y e o i5-L16G7 consigo nos modos 1 + 4 e 0 + 4 (na verdade, uma comparação com o design Atom de quatro núcleos).



No primeiro ponto em comparação com Amber Lake-Y:

• + 12% de desempenho de thread único SPEC2006 (3,0 GHz para Lakefield vs. 4,2 GHz para Amber Lake-Y)
• + 70% do desempenho gráfico do 3DMark11 versus HD615 (24 UE, Gen 9,5 a 1,05 GHz, 2x4 GB LPDDR3-1866) vs. HD (64 UE, Gen11 a 500 MHz, 2x4 GB LPDDR4X-4267)
• + 24% de eficiência energética por watt no WebXPRT 3
• + 100% de carga de AI nos gráficos, pacote ResNet50 128 no OpenVINO

O modo 1 + 4 em comparação com 0 + 4 fornece um aumento de 33% no desempenho da web e + 17% em eficiência energética. Basicamente, para a maioria das tarefas, Lakefield será executado como um Atom quad-core.





Testado na fábrica quanto à durabilidade dos processadores Intel Lakefield. Foto: AnandTech



Por que um processador precisa de um núcleo “grande”? É necessário lidar com interrupções de prioridade mais alta quando for necessário fornecer a latência mínima: pressionar a tela, digitar no teclado e similares. Isso garante a capacidade de resposta do dispositivo, mesmo nos momentos de carga máxima dos outros quatro núcleos.

Como CPUs heterogêneas funcionam

Lakefield combina um núcleo grande e quatro pequenos núcleos Atom em um único chip. Em análises comuns, esses processadores x86 podem ser chamados de "cinco núcleos" e geralmente são escritos como 1 + 4.





Tamanho do processador 12 * 12mm



O objetivo da Intel é combinar as vantagens do núcleo Atom com uso eficiente de energia e o núcleo que consome mais energia, mas que consome mais energia. O resultado é um processador intermediário entre os designs "all Atom" 0 + 4 e "all Core" 4 + 0.



A maneira mais fácil de comparar Lakefield é com os processadores Atom de quatro núcleos mais antigos, que adicionaram um núcleo grande. Um cluster de quatro núcleos Atom menores cuida de grandes cargas de trabalho simultâneas, enquanto um núcleo grande responde quando o usuário carrega um aplicativo ou toca na tela ou navega pelo navegador.



A arquitetura híbrida já é usada em processadores ARM e até em sistemas operacionais Windows, como os processadores Qualcomm Snapdragon em laptops como o Lenovo Yoga (design 4 + 4). A Qualcomm trabalhou muito com a Microsoft para desenvolver um agendador apropriado que possa gerenciar cargas de trabalho entre diferentes designs do núcleo do processador.





Visualização de design de diferentes arquiteturas heterogêneas de CPU (sem escala)



A principal diferença entre a Qualcomm e a Intel está no suporte de software: os processadores Qualcomm executam instruções ARM, enquanto os processadores Intel executam instruções x86. A maioria dos programas Windows é criada para instruções x86, o que limita o desempenho da Qualcomm no mercado tradicional de laptops. O design da Qualcomm realmente permite "streaming x86", mas o escopo é limitado e há uma penalidade de desempenho. No entanto, o trabalho nessa direção continua.

Layout 3D do Foveros

Todo o microcircuito é colocado em uma caixa de 12 * 12 mm ² , portanto o tamanho real do silício é muito menor: a área do microcircuito inferior é de 92 mm ² e a superior é de 82 mm ^2.



O design geral de uma CPU com um layout tridimensional da Foveros é mostrado no diagrama acima. Como você pode ver, o microcircuito de computação principal está localizado na parte superior e o base está localizado abaixo.







A camada superior 13 é fabricada usando a tecnologia de processo 10 nm, e a camada inferior 10 é fabricada usando a tecnologia de processo 22 FFL.

Microcircuito de computação

Conforme indicado na tabela, os microcircuitos diferem entre si e são fabricados usando uma tecnologia de processo diferente.







Os gráficos da geração 11 ocupam 37% da área, a configuração é a mesma dos processadores Ice Lake. Acima está o núcleo de Sunny Cove, assim como Ice Lake. Os engenheiros da Intel disseram que removeram fisicamente os registros AVX-512 do chip, embora sejam visíveis na foto.



Abaixo estão quatro núcleos Tremont Atom, aproximadamente do tamanho de um núcleo Sunny Cove.



Conteúdo do chip de computação:

• 1 x núcleo Sunny Cove com cache L2 de 512KiB
• 4 núcleos Tremont Atom, 1536 KiB L2 armazenam em cache todos
• Cache de último nível de 4 MB
• Interconexões uncore e em anel
• 64 unidades de computação dos gráficos Gen11
• Mecanismos gráficos Gen11, 2 x DP 1.4, 2x DPHY 1.2,
• Núcleo de mídia Gen11 que suporta vídeo 4K a 60 qps e 8K a 30 qps
• Unidade de processamento de imagem (IPU) v5.5, suporta até seis câmeras de 16MP
• JTAG, depuração, SVID, unidade P, etc.
• Controlador de memória LPDDR4X-4267

Fonte de alimentação e projeto de pontos de sinal TSV (através de vias de silício)

Chip Base

Foto do chip base inferior



O chip base é muito mais simples e é fabricado com a tecnologia de processo 22FFL, que é uma versão otimizada da tecnologia de processo de 14 nanômetros com restrições menos rigorosas, para que a Intel possa produzir esses chips sem problemas em qualquer quantidade, quase sem sucata. A principal dificuldade são as conexões die-to-die entre os dois microcircuitos. Conteúdo do





chip básico da interconexão die-to-die (FDI) da Forevos







:

• Codec de áudio
• USB 2.0, USB 3.2 Geração x
• UFS 3.x
• PCIe Gen 3.0
• Hub de toque para sempre ligado
• I3C, SDIO, CSE, SPI / I2C

Primeiros laptops e tablets

Vários laptops e tablets Lakefield já estão em produção. Entre os primeiros dispositivos ... o



Galaxy Book S (também disponível nos processadores Qualcomm Snapdragon 8cx com especificações semelhantes), com lançamento em julho de 2020, o







laptop tablet dobrável Lenovo ThinkPad X1 Fold com um preço louco de US $ 2.499 para a versão de 1 TB







e o tablet Microsoft Surface Book Neo, previsto para o inverno.

Futuro em Lakefield

Mesmo que essa versão do Lakefield não tenha um bom desempenho nos benchmarks, esse é um grande passo para a Intel. Projetos híbridos e ligações de várias camadas entre substratos são apresentados no roteiro de desenvolvimento da Intel. Tudo depende de quanto a Intel está disposta a experimentar e de que forma pode implementar idéias de engenharia. Houve discussões de que a Intel pode considerar um design híbrido de processador 8 + 8 no futuro. Nada se sabe sobre isso, mas uma Ponte Vecchio com suporte em várias camadas está definitivamente agendada para o final de 2021.





Tamanho da placa-mãe Lakefield (30 * 123mm) em comparação com as placas-mãe das gerações anteriores



Talvez alguns processadores Intel inovadores sejam lançados não para computadores desktop, mas, por exemplo, para carros ou redes 5G. Lakefield é essencialmente uma CPU de desempenho relativamente baixo que será instalada em laptops e tablets, como os processadores Atom. Pode-se dizer com antecedência que não será fácil competir nesse segmento, principalmente com os processadores móveis AMD e ARM, como o Snapdragon. Mas quanto mais concorrência, melhores os compradores.