Intel Panther Lake揭秘：混合架构能效突破
Intel Panther Lake混合架构能效突破，揭秘新型处理器技术。
十一长假前夕，Intel在美国亚利桑那州凤凰城举办了一场Tech Tour US技术之旅活动。
这也是继以色列(晶圆厂)、马来西亚(封装厂)、中国台北(电脑展)之后，第四次此类活动。
活动期间，我们参观了位于凤凰城的Fab 42/52晶圆厂，还提前了解了下一代酷睿Ultra处理器Panther Lake、下一代至强6+处理器Clearwater Forest的架构与技术细节，现在和大家分享！
首先强调一点，Panther Lake、Clearwater Forest此次解密的仅限架构设计、技术特性，而产品型号、规格参数、性能表现将在后续正式发布的时候公开。
【Intel 18A工艺与先进封装：四季度量产】
Panther Lake、Clearwater Forest是首个采用Intel 18A工艺的量产产品，这也是在美国本土最先进的制程工艺。
Intel 18A的技术特性之前已经讲了多次，如今量产在即，再做一次简单的回顾总结。
Intel 18A标志着半导体制程工艺的一次重大突破，尤其是它首次加入了两大全新革命性技术：RibbonFET全环绕晶体管、PowerVia背部供电。
二者结合，彻底颠覆了多年来的晶体管与晶圆结构，奠定了Intel称之为"埃米时代"的基础，在密度、性能、能效等各方面都带来了显著变化。
RibbonFET其实是GAA全环绕晶体管结构的一种实现方式，台积电、三星也都有类似的技术，但具体设计各有各的特色。
RibbonFET采用4条垂直堆叠的纳米带(Nano Ribbons)结构，使得栅极能够完全包围沟道，再加上沟道结构和栅极控制的优化，相比传统FinFET立体晶体管结构，驱动电流可增强20％，晶体管开关速度可提升15％。
同时，它还能有效减少漏电现象，支持八个不同的逻辑阈值电压，芯片设计也可以更加灵活。
另外，RibbonFET还融入了Intel的诸多工艺创新，包括全新的栅极光刻工艺、功函数工程优化、短沟道效应控制等等。
PowerVia背部供电就比较好理解了，就是将传统上位于晶圆正面的供电电路，转移到背面，这可是Intel独有的，也是第一家投入量产的，台积电和三星都不具备。
多年来，晶圆设计都是将信号线(Signal)、供电线(Power)混合分布在晶体管之上，也就是晶圆的正面，但随着晶体管尺寸不断缩小，信号线、供电线布线越来越拥挤，功耗能效、信号干扰等问题越来越凸显。
PowerVia将供电层移至晶体管或者说晶圆的背面，并在每个标准单元中嵌入纳米级硅通孔(nano TSV)，从而实现了供电线与信号线的分离，晶体管的供电路径变得更加直接高效。
这么做可以大大提高供电效率，减少损耗，降低芯片整体功耗；
可以有效减少压降(IR Drop)最多达30％，提升芯片运行频率最多6％；
可以减少甚至消除信号干扰，实现更好的信号完整性；
可以提升标准单元利用率最多达10％，进一步提高晶体管密度。
当然，单纯使用背部供电，成本会显著增加，但是Intel PowerVia是一个完整方案，同时还有一系列配套优化，包括减少金属层、遮罩数量、工序步骤，以及精简正面工艺等等，使得综合成本显著低于传统正面供电工艺。
按照Intel给出的数据，同样是M0-M2金属层直接印刷EUV工艺，PowerVia加持的Intel 18A对比Intel 3，遮罩数量减少了44％，工序步骤减少了42％。
RibbonFET、PowerVia两大变革结合，使得Intel 18A对比Intel 3综合能效提升最多15％、同等性能下功耗降低最多25％、芯片密度提升30％。
当然，这些指标只是工艺层面的，落实到处理器产品层面还要结合架构、规格的变化。
对于大家非常关心的18A量产进度，Intel也给出了明确的时间表。
目前，18A早在2024年第三季度就已经投入试产，目前正在美国亚利桑那州、俄勒冈州两地的工厂积极推进，缺陷密度不断降低，计划量产时间是今年第四季度，正好和Panther Lake的发布计划相符合。
Intel还强调，18A的良品率和Intel过往15年的工艺水平基本相当，甚至更好一些。
除了先进工艺，Intel还有着丰富的先进封装技术，可以分为EMIB、Foveros两大家族，各自又衍生出了不同的版本，满足不同的封装需求。
Panther Lake就使用了2019年便已量产、久经考验的Foveros-S 2.5D封装技术，结合EMIB，将不同模块(Die)堆叠封装在一个被动无源基础模块之上，实现高效互联互通，方便灵活放大或缩小规模，而且成本可控。
【Panther Lake整体布局设计：三大版本】
接下来，我们就看看Panther Lake的整体架构设计，通过这一节你可以了解到它的概况，想深入研究每个模块单元细节的可以继续往后翻。
注意，Panther Lake是一款专门定位移动市场的处理器，包括笔记本、二合一本、迷你机、掌机等，但没有桌面版，Intel桌面的下次更新要等到后年的Nova Lake。
按照Intel的说法，Panther Lake的设计目标有三：
一是提高架构灵活性，满足更广阔的市场需求，进一步推广和普及AI PC；
二是性能的伸缩性，可满足计算、图形、AI等各种消费级负载的需求；
三是领先的能效，带来出色的每瓦特性能和续航时间。
Panther Lake在很大程度上可以视为Lunar Lake、Arrow Lake的结合体，融合了二者的众多设计和优点，尤其同时拥有前者的超高能效、后者的灵活性能。
最终，Panther Lake带来了超过50％的CPU、GPU性能提升，而且依然拥有极高的能效，做到了鱼与熊掌也可兼得，这在历史上是相当罕见的。
从这个意义上讲，Lunar Lake虽然没有直接的后继者，但是除了整合封装内存，其实很多设计都延续了下来，后边你会在Panther Lake上不断看到Lunar Lake的影子。
Lunar Lake架构的卓越无需多言，它第一次实打实地证明，x86架构也可以有极高的能效，能让笔记本拥有20小时以上的超长续航，足以媲美苹果。
Arrow Lake架构其实也很出色，性能不俗的同时能效非常好，尤其是在移动端，但是Intel最大甚至可以说唯一的失误，就是几乎原封不动把它也用在了桌面上，导致绝对性能远不如竞品，严重影响了产品和品牌的形象。
Panther Lake延续了Chiplets芯粒设计，但布局又发生了变化。
Meteor Lake、Arrow Lake都是计算、图形、SoC、IO四大模块组成，Lunar Lake简化为计算、平台控制器两部分。
Panther Lake则改成了计算、图形、平台控制器三个模块，统一封装在基础模块之上，还有一两个填料模块用于保持整体形状、压力的平衡。
计算模块自然就是各种计算引擎，主要就是CPU核心与缓存，同时还有内存控制器、NPU 5 AI引擎、Xe媒体与显示引擎、IPU 7.5图形处理引擎(也就是DSP)。
其中，CPU核心包括最多4个P核、8个E核、4个LPE核。
P核每个有自己的二级缓存，E核还是每四个一组共享二级缓存(4MB)，P核+E核组成"性能簇"，集体共享三级缓存。
LPE核单独组成"能效簇"，一如既往它和E核都是每四个一组共享二级缓存(4MB)、没有三级缓存，但是频率相对更低或者说能效更高，并拥有独立的电源管理和内存连接，放置在了一个单独的供电岛上。
Panther Lake还设计了一个单独的Home Agent(HA)，同时在性能簇、能效簇分别设计了一个Coherency Agent(CA)，从而加强不同核心的互通，保持整个系统所有核心、缓存的一致性。这俩也都是来自Lunar Lake。
除了二三级缓存，计算模块内还单独设置了内存侧缓存(MSC)。
这是从Lunar Lake上借鉴而来的，主要服务LPE核和I/O引擎，容量还是8MB，可以减少对系统内存的依赖，提升延迟与带宽，降低功耗。
MSC放置在计算模块里，所有的IP都可以高效地访问它，包括CPU、NPU、IPU、媒体与显示引擎、甚至是I/O，从而降低功耗、提升性能，有点像SLC系统缓存。
内存控制器放置在计算模块的边缘，支持两种内存，一是LPDDR5X，最高频率9600MT/s，最大容量96GB。
二是DDR5，最高频率7200MT/s，最大容量128GB。
另外，它也支持LPCAMM2内存形态，更加灵活，不像LPDDR内存那样是焊接在主板上的，可以拆卸、更换、升级。
NPU已经进化到第五代，但并没有盲目追求更高的算力，而是提高性能面积比、能效比，其中能效面积比提升了超过40％，并新增支持FP8精度。
INT8精度下，NPU 5的算力为50 TOPS，对比Arrow Lake-H上第三代的13 TOPS可谓翻天覆地，但对比Lunar Lake上第四代的48 TOPS几乎没变。
对比竞品，它和AMD Strix Point系列完全相同，远不及高通骁龙X2 Elite系列的80 TOPS。
因为在Intel看来，GPU始终都是AI运算的主要引擎，NPU只适合持续运行、追求极致能效的特定负载，不需要过高的算力。
IPU也就是DSP单元紧挨着LPE核能效簇，非常小，但变化很大，支持3个并发摄像头，基于AI的降噪、局部色调映射，基于硬件的交错式HDR，可拍摄1600万像素照片、120FPS慢动作视频，功耗也降低了1.5W。
Xe媒体与显示引擎没有和Xe GPU放在一起，而是安排在了计算模块内，同样挨着LPE能效簇，新增支持AVC(H.264)/AV1 10-bit编解码、索尼XAVC-H/HS/S编解码。
GPU核显做成了单独的一个模块，升级到最新Xe3架构，这也是该架构的首秀，领先于独立显卡。
核心数量也增加到最多12个，搭配12个光追引擎、16MB二级缓存，算力可高达120 TOPS。
相比之下，Lunar Lake、Arrow Lake GPU算力最高分别为67 TOPS、77 TOPS。
图形模块、计算模块之间，采用了第二代Fabric连接通道，两边各设置了一个D2D直连接口，确保彼此的高速低延迟连接，以及全系统的一致性。
这部分，同样继承自Lunar Lake。
