Intel Lunar Lake: le nuove CPU per i notebook del 2024

A meno di un anno dalla presentazione delle prime soluzioni Meteor Lake, Intel sceglie la cornice del Computex di Taipei per presentare la nuova generazione di architettura per sistemi mobile. Il nome è quello di Lunar Lake, processori che presumibilmente adotteranno la nomenclatura di CPU Core di 15-esima generazione anche se Intel non ha ancora rivelato quali saranno i nomi commerciali delle diverse versioni. Sono molte le caratteristiche mutuate dalle proposte Meteor Lake di precedente generazione, annunciate da Intel nel mese di settembre 2023, come quella di adottare un’architettura ibrida e di usare un design a tiles, cioè blocchi di silicio indipendenti collegati tra di loro con tecnologia Intel Foveros.

I primi notebook basati su questi processori giungeranno sul mercato verso la fine del terzo trimestre 2024, ma sarà solo durante la stagione di vendite natalizia che i vari produttori partner di Intel offriranno tutte le proprie nuove proposte. Facile in ogni caso prevedere che tra i padiglioni del Computex molti modelli verranno mostrati, per quanto ancora in forma di prototipo e non pronti del tutto per la vendita sul mercato.

Come detto, le CPU Lunar Lake utilizzano un'architettura di tipo ibrido per i core e un approccio a tiles, cioè a distinti componenti di silicio specializzati per uso e prodotti con tecnologie produttive differenti. Per questa nuova architettura Intel si è servita di 3 distinti processi produttivi: troviamo quello P1227.1 per il Foveros base tile, utilizzato per il montaggio e il collegamento degli altri tile. I due restanti blocchi sono costruiti dalla taiwanese TSMC utilizzando due diverse tecnologie produttive: N3B per il compute tile e N6 per l’SOC tile.

Skymont: gli E-Cores per la massima efficienza

Nei processori Lunar Lake sono presenti due differenti tipologie di core: da un lato quelli E-Cores, a più elevata efficienza, e dall'altro quelli P-Cores capaci di offrire una maggiore potenza di elaborazione per gli ambiti più gravosi. Questo approccio non è una novità per le ultime generazioni di processore Intel ma con Lunar Lake Intel è intervenuta implementando importanti novità, più evidenti per gli E-Cores.

In chiave generale, i nuovi E-Cores della famiglia Skymont vedono ampliate le proprie capacità di elaborazione con un engine incrementato tanto a livello di front end come di back end. Un esempio di questo è nell'aumento del 50% nel numero di decode clusters, passati ad un approccio 3x3-wide. Nel back end del core troviamo un incremento delle unità legate all’allocation, che passano da un’ampiezza di 6 all’attuale di 8, con le unità di retire raddoppiate da 8 a 16. Intel ha ridotto la latenza complessiva, così che il sistema sia nel complesso più rapido nel trovare le istruzioni successive da elaborare.

Altri interventi riguardano un aumento delle risorse per la gestione delle code, oltre a una maggiore profondità nella loro analisi. Le out of order windows sono aumentate da 256 a 416 entry, i registri fisici sono stati incrementati mentre i buffer per load e store sono ora più profondi.

Anche le prestazioni con i vettori sono state incrementate, utilizzando 4x128bit FP e SIMD vector per un raddoppio dei gigaflops/TOPs. Questo è avvenuto con una parallela riduzione della latenza e un aumento delle capacità di elaborazione con AI mettendo a disposizione un maggior numero di execution units dedicate.

A chiudere il quadro, le unità di Load e Store sono state aumentate: si è passati da 2 a 3 per le prime e da 2 a 4 per le seconde. La cache L2 condivisa tra i 4 core è presente in quantitativo di 4MBytes contro i 3MBytes della precedente architettura di E-Cores integrata nei processori Meteor Lake: la bandwidth è raddoppiata da 64 a 128 B/cycle e la velocità di trasferimento tra le cache L1 di ciascun core incrementata.

Questi nuovi E-Core della famiglia Skymont troveranno posto anche all'interno della prossima generazione di processori Intel per sistemi desktop, indicati con il nome in codice di Arrow Lake. L'implementazione degli E-Cores sarà ovviamente differente rispetto a quella adottata in Lunar Lake, andando a privilegiare scenari di utilizzo di tipo multi-threaded con più moduli montati sullo stesso die che condividono una cache last level (LLC) di dimensioni più abbondanti.

I nuovi E-Cores Skymont permettono di ottenere un incremento significativo delle prestazioni, variabile a seconda del tipo di pattern d’uso, rispetto a quello delle soluzioni di precedente generazione integrate nei processori Meteor Lake. Con lo stesso livello di potenza i nuovi core, utilizzando applicazioni single threaded, registrano infatti un incremento delle prestazioni del 70%, mentre allo stesso livello di prestazioni velocistiche i nuovi core richiedono un livello di potenza pari a 1/3 rispetto alla precedente generazione. E’ possibile raggiungere un raddoppio delle prestazioni incrementando ulteriormente la potenza, qualora lo specifico design del prodotto lo permetta e ve ne sia la necessità.

Passando ad un confronto multithreaded, che vede due core Meteor Lake di tipo E-Core confrontati con 4 core Skymont di nuova generazione, abbiamo un livello di prestazioni di 2,9 volte superiore a parità di potenza con un picco di 4x al massimo livello di consumo, oppure stesse prestazioni di picco dei due core di precedente generazione a una potenza che è pari a 1/3.

Portando il confronto sul piano delle architetture desktop l’architettura Skymont si dimostra essere più efficiente di quella Raptor Cove, nome che identifica i P-Core integrati nei processori Raptor Lake per sistemi desktop. A parità di prestazioni la potenza è pari a 0,6 volte, mentre a parità di potenza Skymont riesce ad ottenere prestazioni del 20% superiori con applicazioni single threaded e servendosi di un solo core per le elaborazioni.

Lion Cove: i P-Cores per le massime prestazioni

Nei nuovi Performance Core Intel ha scelto, per le soluzioni client, di rimuovere la tecnologia HyperThreading così da massimizzare l’efficienza complessiva. La scelta è legata alla presenza degli E-Cores, che permettono di ottenere maggiore efficienza per quelle elaborazioni che non richiedono la massima capacità di elaborazione: quello che in precedenza veniva ottenuto scalando via hypertreading sui P-Cores ora viene direzionato verso gli E-Cores, rendendo sovrabbondante la presenza della tecnologia HyperThreading.

Questo nuovo approccio è spiegato anche con la differente modalità di intervento dell'Intel Thread Director: i thread vengono ora inviati per l'elaborazione direttamente agli E-Cores e spostati ai P-Cores solo nel momento in cui il carico di elaborazione richiesto ne giustifichi l'utilizzo. In questo modo si ottiene un funzionamento complessivamente più efficiente del processore, che tende ove possibile a sfruttare sempre al massimo i core più efficienti tra quelli a diposizione. La rimozione del supporto alla tecnologia HyperThreading in Lunar Lake punta proprio a sfruttare al meglio l'efficienza degli E-Cores, massimizzando di conseguenza l'efficienza dei P-Cores quando vengono chiamati in causa dalla specifica elaborazione ed evitando che entrino in funzione quando non indispensabile, così da meno incidere sui consumi complessivi.

I nuovo P-Cores vedono una gestione più granulare del risparmio energetico, permettendo di incrementare le frequenze di clock e mantenere frequenze di picco più elevate rispetto alla precedente generazione. Questo è stato ottenuto anche permettendo variazioni delle frequenze di clock non più a passi di 100MHz per volta ma i 16,67MHz, così da ottenere un maggior margine di ottenere la massima frequenza di clock sostenuta dal processore in uno specifico pattern di utilizzo.

Molte novità implementate negli E-Core Lion Cove riguardano il front end, con large prediction blocks aumentati sino a 8x con capacità di fetch incrementate, intervenendo anche a livello di bandwidth per le operazioni di decode. Sono di conseguenza aumentate anche le cache Uop e la queue Uop, così da bilanciare le superiori capacità del front end.

L’engine Out of Order è stato diviso in due domini per Integer e Vector, ciascuno con unità di renamings e schedulers indipendenti. Questo permette non solo di espandere le risorse in future interazioni in modo indipendente, ma anche di ridurre il consumo complessivo.

Rispetto alla precedente generazione l’ampiezza delle unità di alloc/rename è passata da 6 a 8, mentre la finestra per le deep instruction è stata incrementata da 512 a 576 con 18 execution ports contro le precedenti 12. E’ aumentata anche la capacità di elaborazione vettoriale, con il passaggio da 3 a 4 delle SIMD ALUs oltre ad un raddoppio dei dividers in virgola mobile

In Lion Cove troviamo una cache L0 da 48KB, una seconda cache L1 da 192KB e una cache L2 da 2,5/3MB. Nella precedente generazione Redwood Cove trovavamo solo una cache L1 da 48KB affiancata alla cache L2 da 2MB. A livello di sottosistema memoria è stato aumentato anche il numero di pagine DTLB, passato dalle precedenti 96 alle attuali 128, con un aumento da 2 a 3 delle STA AGU.

Tutto questo ha permesso di incrementare le prestazioni in media del 14% rispetto a Redwood Cove, con ricadute ancora più nette in termini di contenimento dei consumi a parità di potenza di elaborazione. Sarà interessante verificare come questi core si comporteranno anche all'interno delle future CPU per sistemi desktop, che Intel renderà disponibili nel corso dei prossimi mesi e che dovrebbero implementare una configurazione diversa rispetto a quella pensata per i sistemi notebook della famiglia Lunar Lake. 

Le CPU Intel della famiglia Lunar Lake giungono in commercio a un anno di distanza da quelle Meteor Lake, che con il brand Core Ultra hanno cambiato il mercato dei notebook. Le nuove arrivate saranno disponibili sul mercato in notebook di nuova generazione solo tra qualche mese, ma già da ora è ben evidente la direzione che Intel vuole dare: sempre più potenza di calcolo, offerta in modo da massimizzare l'efficienza riducendo i consumi ma senza che si debba scendere a compromessi. Da questo l'integrazione di una componente CPU con due tipologie di core, Efficient e Performance, che si adattano ai differenti scenari d'uso al meglio oltre alla nuova GPU Xe2 in grado di mettere a disposizione superiore potenza di calcolo tanto per la grafica 3D come per l'intelligenza artificiale.

A chiudere il pacchetto di novità la NPU, unità di elaborazione dedicata per l'intelligenza artificiale, che conferma quanto questo genere di elaborazioni siano diventate fondamentali per l'industria nel suo complesso.