Allt att veta om den första x86-hybridprocessorn

Under de senaste arton månaderna har Intel paraderat sin nya “Lakefield” -processordesign runt pressen och allmänheten som en framställning av ny processorinnovation. Inuti kopplar Intel en av sina snabba toppkärnor med fyra av sina mindre energieffektiva kärnor och använder ny teknik för att bygga processorn i minsta möjliga fotavtryck. Den nya Lakefield-designen är ett tecken på att Intel undersöker nya processorparadigmer, såsom hybridprocessorer med olika typer av kärnor, men också olika staplings- och förpackningsteknologier för att hjälpa till att driva nästa våg av databehandling. Med den här artikeln kommer vi att berätta allt du behöver veta om Lakefield.

Del Smartphone, Del PC

När du designar en processor finns det över tusen designval att göra. Processorn kan byggas för att hantera allt, eller den kan riktas mot en nisch. För högpresterande datorer kan det finnas ett behov av en högeffektiv, högpresterande design där kylning inte är av någon anledning – jämför det med en processor som är inriktad på en bärbar enhet, och den måste vara energieffektiv och erbjuda en lång batteritid under en fast batteristorlek. Det kostar också att designa produkten, hur mycket man ska investera i forskning och utveckling, hur många enheter som förväntas sälja och därmed hur många som ska produceras och vilken storlek produkten ska vara. Vad prismarknaden för målmarknaden är kan vara en enorm faktor, även innan du sätter penna på papper.

Den nya Samsung Galaxy Book S

Det är därför vi har stora flerkärniga processorer med massor av datoracceleration på servrar, mer måttlig effekt och kärnantal i hemmaskiner som fokuserar på enstaka kärnprestanda och användarupplevelse, och varför smartphone-processorer fysiskt måste passa in i en liten design och erbjuder exceptionell batteritid.

Bärbara datorprocessorer har alltid passat i mitten av PC- och smarttelefonmarknaden. Bärbara datorer, särskilt proffs och spelare, behöver den höga prestanda som en stationär plattform kan erbjuda, men vägkrigare behöver något som är mycket effektivt i energiförbrukningen, särskilt vid tomgång, för att ge batteriets livslängd hela dagen som om de hade en bra smartphone. Inte bara detta, men ju mer energieffektivt och mindre processorns fotavtryck och dess funktioner, desto tunnare och lättare kan den bärbara datorn vara och erbjuder en förstklassig designupplevelse.

Som ett resultat har vi sett marknaden för bärbara datorer med ultrapremie konvergera från två håll.

Från toppen har vi AMD och Intel, som använder sin bärbara processor i mindre och mindre kraftkuvert för att erbjuda tunna och lätta enheter med exceptionell prestanda och ändå behålla den energieffektivitet som krävs för batteritiden. För de mest premiumdesignerna ser vi 12-15 + timmars batteritid för bärbar dator, liksom mycket kapabelt spel.

Från botten har vi Qualcomm, som bygger ut sin högpresterande smartphone-processorlinje i större kraftkuvert, för att kunna erbjuda skrivbordsklassprestanda med smarttelefonklassanslutning och batteritid. Med designen med Qualcomms processorer kan en användare mycket enkelt förvänta sig 24+ timmars batteritid, och med regelbunden kontorsanvändning laddar systemet bara en gång varannan dag. Qualcomm har fortfarande en ytterligare barriär i programvara som den arbetar mot.

Båda dessa riktningar konvergerar på något i mitten – något som kan erbjuda prestanda på skrivbordsklass, 24 timmars batterilivslängd, kapabelt spel, men har också ett komplett utbud av mjukvarustöd. Fortsätt hellre med att försöka få ner processorerna till den nivå som krävs, Intel har beslutat att vända sitt traditionella processorparadigm upp och ner och bygga en smartphone-klassprocessor för denna marknad, som matchar Qualcomm i sin nedifrån och upp-strategi samtidigt som man tittar på nya tillverkningstekniker för att göra det.

Denna processor design kallas ‘Lakefield’.

Lakefield at the Core och Atom

Under de senaste två decennierna har Intel haft två olika typer av x86 CPU-design.

Den stora kärnprocessorn

Intel kallar sin högeffektiva / högpresterande x86-design för “Core” -familjen. Detta kan göra det väldigt förvirrande att skilja mellan det allmänna konceptet för en processorkärna och en “Core” -baserad processorkärna.

Under årens lopp har kärnbaserade processorkärnor utformats för kraftkuvert från bärbara datorer med låg effekt hela vägen upp till de mest tjocka servrarna. Core-serien av processorkärnor implementerar mer komplex logik för att ge ytterligare acceleration, på bekostnad av fysisk storlek och kraft.

Den lilla Atom-processorn

Den andra typen av x86-design från Intel är dess mer energieffektiva implementering, kallad Atom. Med Atom-kärnorna förenklar Intel designen för att maximera effektiviteten för en given effekt eller en viss prestanda. Detta gör designen mindre, billigare för tillverkaren, men har en lägre toppprestanda än Core-designen. Vi ser vanligtvis Atom-design i strömbegränsade scenarier där prestanda inte är kritisk, till exempel IoT eller bärbara datorkonstruktioner.

Där Core möter Atom

Normalt kännetecknar vi en processorns kärndesign i termer av denna kraft och prestanda. På grund av variationen i designen ser vi var vissa mönster fungerar bäst, vid olika punkter för en given effekt eller för en given prestanda. När det gäller Intels senaste generation av Core- och Atom-hårdvara ser det ut så här om vi jämför en tråd mot en tråd:

Modifierad från Intels bilder

Från denna graf, som mäter Prestanda på den nedre axeln och effekten på sidaxeln, finns det en delningspunkt där varje design är bäst. När efterfrågan på prestanda är under 58% är Atom-designen den mest energieffektiva, men över 58% föredras en Core-design.

Homogena processorer (alla samma) vs.
Heterogena processorer (blandning av olika)

Nu i moderna processorer, särskilt i bärbara datorer, stationära datorer och servrar, upplever vi bara en typ av kärndesign. Vi har antingen alla Core eller alla Atom, och prestandan är utformad för att skala inom dessa homogena mönster. Det blir en enkel kurva att navigera, och när mer parallell prestanda krävs krävs fler av dessa typer av kärnor för att tillgodose slutanvändarens behov. Detta har varit fallet för dessa marknader under de senaste 30-50 åren.

Smartphoneutrymmet, under det senaste decenniet, har tagit ett annat tillvägagångssätt. Inom smarttelefonvärlden finns det kärnkonstruktioner listade som ‘stora’ och kärndesigner listade som ‘lilla’, på samma sätt som Intel har Core- och Atom-design.

Dessa smartphone-processorer kombinerar antal stora kärnor med antal små kärnor, så att det finns en inneboende fördel med att köra bakgrundsuppgifter på små kärnor, där effektivitet är viktigt, och användarupplevelsesrelaterade element på de stora kärnorna, där latens och prestanda är Viktig.

Komplexiteten hos en sådan heterogen smartphone-liknande design har många lager. Som standard startar de flesta föremålen på de små kärnorna och det är upp till antingen processorn eller operativsystemet att identifiera när läget för högre prestanda under ett användarupplevelsestund behövs. Det kan vara svårt att identifiera.

Sedan kommer också frågan när en arbetsbelastning faktiskt måste flytta från en typ av kärna till den andra, vanligtvis som svar på en begäran om en specifik prestandanivå – om kärnorna är utformade väsentligt annorlunda kan kraven på minnet sannolikt öka och det är upp till operativsystemet att se till att allt fungerar som det ska. Det finns också ett extra säkerhetselement, vilket är ett större ämne som inte omfattas av denna artikel.

I slutändan bygger en design med både stora kärnor och små kärnor mycket på vad vi kallar schemaläggaren. Detta är ett program inuti operativsystemet som hanterar där olika bakgrundsprocesser, användarupplevelseshändelser eller saker som videoredigering och spel ordnas. Smartphone-marknaden har arbetat med olika typer av schemaläggare och optimerat designen i över ett decennium som nämnts. För Intel och AMD har pressen på heterogena schemaläggare varit en långsam process i jämförelse, och det blir väldigt mycket ett kyckling- och äggproblem – det finns inget behov av en optimerad heterogen schemaläggare om det aldrig finns en heterogen processor i marknadsföra.

Så varför ta upp allt detta?

Lakefield är den första x86 heterogena processorn.

I sin marknadsföring kallar Intel detta för en ‘hybrid’ CPU, och vi kommer att börja se logotyper som identifierar detta som sådant. Kärnan i sin design kombinerar Lakefield en av de stora kärndesignerna med ett kluster av fyra mindre Atom-mönster, allt i en enda kiselbit. I normalt x86-processorsamtal är detta i huvudsak en ‘penta-core’ design, som vanligtvis kommer att kallas en 1 + 4-implementering (för en stor kärna och fyra små kärnor).

Intels mål med Lakefield är att kombinera fördelarna med den energieffektiva Atom-kärnan med de bättre användarupplevelseelementen som tillhandahålls av den mer kraftfulla men bättre topp med stora Core. Som ett resultat sitter den mitt i Intels traditionella homogena mönster som bara innehåller en typ av x86-design – någonstans ovanför ‘all Atom’ 0 + 4-designen och någonstans under ‘all Core’ 4 + 0-designen (faktiskt , det är närmare 0 + 4).

Baserat på våra samtal med Intel och de små demonstrationer som vi hittills har sett, är det bästa sättet att överväga den nya Lakefield-processorn att betrakta den som en av de äldre fyrkärniga Atom-processorerna, med fördelarna med prestanda med en enda kärna av en stor kärna. Kluster av fyra mindre Atom-processorer kommer att ta hand om tunga lyft och parallella prestandaförfrågningar, eftersom det finns fyra av dem, medan den stora kärnan svarar när användaren laddar en applikation, eller rör vid skärmen eller rullar en webbläsare.

Att vara en ny form av x86 hybrid-CPU är inte det enda Lakefield tar med till bordet.

Nu, bara för någon form av förtydligande, har vi redan haft viss erfarenhet av dessa typer av hybrid-CPU-design på operativsystem som Windows. Qualcomms Windows på Snapdragon-bärbara datorer, som Lenovo Yoga, använder en 4 + 4-design med Snapdragon-smarttelefonchips, och Qualcomm har varit tvungen att arbeta mycket med Microsoft för att utveckla en lämplig schemaläggare som kan hantera arbetsbelastningar mellan de olika CPU-designerna.

Huvudskillnaden för vad Qualcomm har gjort och vad Intel gör med Lakefield är i mjukvarusupport – Qualcomm-processorer kör “Arm” -instruktioner, medan Intel-processorer kör “x86” -instruktioner. De flesta Windows-programvara är byggda för x86-instruktioner, vilket har begränsat Qualcomms effektivitet när det gäller att tränga in på den traditionella bärbara marknaden. Qualcomms design möjliggör faktiskt ‘x86-översättning’, men dess omfattning är begränsad och det finns en prestationsstraff, men är ett pågående arbete. Poängen är att även om vi inte tidigare har haft en hybrid-CPU-schemaläggare för Windows på ett x86-system, har det hittills lagts mycket arbete på av Microsoft när vi arbetade med Qualcomm.

Visualisering av heterogena CPU-mönster

Inte i någon form av skala

Här är några exempel på mobila processorer, från Intel och Qualcomm, med kärnorna i grönt. Till vänster finns Intels egen Ice Lake-processor med fyra stora kärnor. I mitten finns Intels Lakefield, som har två staplade kiseldörrar, men det är den översta som har en stor kärna och fyra små. Till höger finns Qualcomms Snapdragon 8cx, som för närvarande används i Windows på Snapdragon-enheter, som använder fyra prestandakärnor och fyra effektivitetskärnor, men också integrerar ett smarttelefonmodem ombord.

I den här artikeln, på de följande sidorna, kommer vi att titta på Intels nya Lakefield-processor i detalj, täcka den nya flerkärniga designen, diskutera chiplets och Intels nya die-to-die-bindningsteknologi som heter Foveros, konsekvenserna av en sådan design på bärbar datorstorlek (samt att titta på de offentligt avslöjade Lakefield-bärbara datorerna som kommer till marknaden), döskott, förmodade prestationsnummer, termiska innovationer och framtiden för Lakefield. Data för den här artikeln kommer från vår forskning samt intervjuer med Intels tekniska personal och Intels egna presentationer på Lakefield vid evenemang som HotChips, Architecture Day, CES, IEDM och ISSCC. En del information dissekeras med hjälp från David Schor från Wikichip. Vi täcker också några av Intels innovationer med omfattningen av andra halvledarföretag, varav några kan vara konkurrenter.