一、背景介绍
Lakefield是英特尔于2019年推出的高性能低功耗3D微架构。
Lakefield瞄准低功耗市场，其TDP仅为7W，旨在与具有类似功耗范围的ARM产品竞争。
ARM 已经在十年前就已经部署了 big.Little，但英特尔和 AMD 此前一直坚持基于单 CPU 设计构建的多核 CPU。Lakefield 将 1 个 Ice Lake“大”CPU 核心与 4 个 Tremont“小”CPU 核心组合在一起。
Lakefield 是一种混合处理器，采用了两种不同的处理器微架构和使用 Foveros 的堆叠封装 Lakefield featured two different processor microarchitectures and a stacked package using Foveros. 该计算芯片采用英特尔10 纳米工艺制造，具有高性能和高能效。该芯片具有所有与计算相关的 IP。它包含一个Sunny Cove 大核心和一个由Tremont 小核心组成的四核集群。
该芯片还集成了 IPU 5.5、Gen11图形和媒体以及 Gen 11.5显示引擎和四信道（16 位）LPDDR4x 内存。IPU 5.5 支持最多 6 个 16 MP 连接摄像机，而 Gen 11.5 显示器支持 4 个管道和两个分辨率为 8K @ 60 Hz 或 4K @ 120 Hz 的显示器。
Lakefield是Intel首款量产的三维集成电路单ISA 五核异构多核架构。该 SoC 的计算芯片直接位于使用英特尔Foveros面对面 3D 集成技术的基础芯片上。然后， PoP内存位于通过焊线连接的计算芯片顶部。整个 SoC 是一个尺寸为 12 mm x 12 mm x 1 mm 的单一封装。
Lakefield 定位是满足台式机/笔记本电脑和智能手机的要求，包括高性能内核、始终在线功能、始终在线连接以及超低 2-3 毫瓦范围的待机功耗。
详细来说，Lakefield 主计算芯片采用英特尔10 纳米工艺制造，具有高功率和高效率功能，而基础芯片则采用该公司的22 纳米 (22FFL) 工艺制造，具有超低功耗功能。Lakefield 的待机功耗比上一代提高了 1/10，图形性能提高了 50%，核心总面积减少了 40%，其高度减少了 40%。
英特尔于 2019 年首次推出 Lakefield 和 Foveros 3D 封装。其设计类似于提拉米苏：两个 DRAM 层堆叠在计算芯片顶部，计算芯片依次堆叠在具有高速缓存和 I/O 的基础芯片顶部。最后，它们被堆叠到中介层上，通过硅通孔 (TSV) 在各层之间发送数据。
Lakefield 处理器规格
处理器 |
英特尔酷睿 i3-L13G4 |
英特尔酷睿 i5-L16G7 |
图形 |
英特尔超高清显卡 |
英特尔超高清显卡 |
核心/线程 |
5/5 |
5/5 |
图形执行单元 |
48 |
64 |
缓存 |
4MB |
4MB |
基准时钟 |
0.8GHz |
1.4GHz |
Max single-core turbo clock |
2.8GHz |
3.0GHz |
Max all-core turbo clock |
1.3GHz |
1.8GHz |
记忆 |
4,267MHz LPDDR4X |
4,267MHz LPDDR4X |
TDP（PL1/PL2） |
7W/9.5W |
7W/9.5W |
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二、lakefield die floorplan 基本介绍
下面是lakefield的floorplan
1.DDR单元，总共4个channel的DDR模组，其中north及south方向，各有两个16bit DDR模组，如下图
2.CPU和GPU单元。左右大块是GPU单元，右边是CPU单元，小核心tremont core在中间靠下方。
3.显示单元。右上方显示方面的，DP及DPHY
4.ISP单元. 在右下方区域，占据了大块面积
Lakefield 计算芯片采用具有单个大核和四个小核的混合架构。该架构采用单 ISA，因此在大核心上禁用AVX和AVX-512，以实现核心之间工作负载的无缝迁移。大型Sunny Cove核心专为高性能和突发性工作负载而设计，而轻量级和线程应用程序可以利用Tremont核心来实现更高的能效。
这种方案有利于更大限度的压榨性能，提高能耗比，增加电池使用时间，适用于移动端，很明显和ARM的big/little core类似。
三、dieshot 细节分析
具体工艺来说，在英特尔的 10 纳米工艺上，四个Tremont核心及其 1.5 MiB二级缓存适合单个Sunny Cove核心的硅区域。单个Sunny cove核心在性能/功率曲线的高端可产生最佳的功率性能效率，但在低端则输给Tremont核心。同样，四个Tremont内核的多线程功能比Sunny Cove内核扩展了 100% 以上，同时能效更高。
芯片专为实现超低功耗始终开启功能而设计。该芯片集成了供电、安全、存储、音频、USB 2 和 3、UFS3、PCIe Gen3、ISH、I3C、SDIO、CSE、TC SS、SPI/I2C。以下是各部分die size面积大小统计。横屏看更方便
|
Size（mm^2) |
total size |
82 |
sunny cove |
4.338588009 |
tremont cluster |
4.877025339 |
tremont |
0.835407547 |
Gen11 GPU |
30.24 |
LLC 4MB |
2.386652552 |
SRAM的面积单独计算如下
|
density（MB/mm^2) |
SRAM |
1.675987565 |
Lakefield 动态地向操作系统/软件提供有关工作负载的功耗和性能特征的反馈。表现出性能或高响应能力的工作负载将被指示在Sunny Cove核心上进行调度。同样，后台线程也会收到在Tremont核心上进行调度的指示。该反馈可用于操作系统动态迁移线程，以提供最佳的功率和功率效率。
四、总结
英特尔写道：“采用英特尔混合技术的英特尔酷睿处理器（代号为“Lakefield”）是我们 xPU 战略和持续架构创新的一个重要里程碑。” “他们展示了混合 x86 CPU 和新封装技术的潜力，可显著减小电路板尺寸，同时提供英特尔酷睿性能。”
通过将核心架构和压缩组件融合到一个封装中，Lakefield 有望最大限度地延长电池寿命，并创造出一种新的超薄个人电脑类别。其单个高功率“Sunny Cove”核心只会在繁重的工作负载下启动，而四个“Tremont”效率核心则适合轻量级操作。两者之间的切换将大大提高移动设备的电池效率。将系统内存移至CPU封装上还降低了电路复杂性，从而有助于缩小主板尺寸。下图可以看到主板非常小巧，完全能放到平板机器中。
另外，Lakefield 使用电源管理集成电路(PMIC)，而不是像Ice Lake等同时代产品那样使用分立式VR或FIVR。为了支持 Lakefield，需要两个 PMIC - 一个用于计算芯片，另一个用于基础芯片（CSC 和 WRC），如下图所示
整体来说，虽然lakefield生命周期很短，但是不失为一个值得学习的案例，不管是封装和混合架构的芯片设计。
