一、背景介紹
Lakefield是英特爾于2019年推出的高性能低功耗3D微架構。
Lakefield瞄准低功耗市場，其TDP僅爲7W，旨在與具有類似功耗範圍的ARM産品競爭。
ARM 已經在十年前就已經部署了 big.Little，但英特爾和 AMD 此前一直堅持基于單 CPU 設計構建的多核 CPU。Lakefield 將 1 個 Ice Lake“大”CPU 核心與 4 個 Tremont“小”CPU 核心組合在一起。
Lakefield 是一種混合處理器，采用了兩種不同的處理器微架構和使用 Foveros 的堆疊封裝 Lakefield featured two different processor microarchitectures and a stacked package using Foveros. 該計算芯片采用英特爾10 納米工藝制造，具有高性能和高能效。該芯片具有所有與計算相關的 IP。它包含一個Sunny Cove 大核心和一個由Tremont 小核心組成的四核集群。
該芯片還集成了 IPU 5.5、Gen11圖形和媒體以及 Gen 11.5顯示引擎和四信道（16 位）LPDDR4x 內存。IPU 5.5 支持最多 6 個 16 MP 連接攝像機，而 Gen 11.5 顯示器支持 4 個管道和兩個分辨率爲 8K @ 60 Hz 或 4K @ 120 Hz 的顯示器。
Lakefield是Intel首款量産的三維集成電路單ISA 五核異構多核架構。該 SoC 的計算芯片直接位于使用英特爾Foveros面對面 3D 集成技術的基礎芯片上。然後， PoP內存位于通過焊線連接的計算芯片頂部。整個 SoC 是一個尺寸爲 12 mm x 12 mm x 1 mm 的單一封裝。
Lakefield 定位是滿足台式機/筆記本電腦和智能手機的要求，包括高性能內核、始終在線功能、始終在線連接以及超低 2-3 毫瓦範圍的待機功耗。
詳細來說，Lakefield 主計算芯片采用英特爾10 納米工藝制造，具有高功率和高效率功能，而基礎芯片則采用該公司的22 納米 (22FFL) 工藝制造，具有超低功耗功能。Lakefield 的待機功耗比上一代提高了 1/10，圖形性能提高了 50%，核心總面積減少了 40%，其高度減少了 40%。
英特爾于 2019 年首次推出 Lakefield 和 Foveros 3D 封裝。其設計類似于提拉米蘇：兩個 DRAM 層堆疊在計算芯片頂部，計算芯片依次堆疊在具有高速緩存和 I/O 的基礎芯片頂部。最後，它們被堆疊到中介層上，通過硅通孔 (TSV) 在各層之間發送數據。
Lakefield 處理器規格
處理器
英特爾酷睿 i3-L13G4
英特爾酷睿 i5-L16G7
圖形
英特爾超高清顯卡
英特爾超高清顯卡
核心/線程
5/5
5/5
圖形執行單元
48
64
緩存
4MB
4MB
基准時鍾
0.8GHz
1.4GHz
Max single-core turbo clock
2.8GHz
3.0GHz
Max all-core turbo clock
1.3GHz
1.8GHz
記憶
4,267MHz LPDDR4X
4,267MHz LPDDR4X
TDP（PL1/PL2）
7W/9.5W
7W/9.5W
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二、lakefield die floorplan 基本介紹
下面是lakefield的floorplan
1.DDR單元，總共4個channel的DDR模組，其中north及south方向，各有兩個16bit DDR模組，如下圖
2.CPU和GPU單元。左右大塊是GPU單元，右邊是CPU單元，小核心tremont core在中間靠下方。
3.顯示單元。右上方顯示方面的，DP及DPHY
4.ISP單元. 在右下方區域，占據了大塊面積
Lakefield 計算芯片采用具有單個大核和四個小核的混合架構。該架構采用單 ISA，因此在大核心上禁用AVX和AVX-512，以實現核心之間工作負載的無縫遷移。大型Sunny Cove核心專爲高性能和突發性工作負載而設計，而輕量級和線程應用程序可以利用Tremont核心來實現更高的能效。
這種方案有利于更大限度的壓榨性能，提高能耗比，增加電池使用時間，適用于移動端，很明顯和ARM的big/little core類似。
三、dieshot 細節分析
具體工藝來說，在英特爾的 10 納米工藝上，四個Tremont核心及其 1.5 MiB二級緩存適合單個Sunny Cove核心的硅區域。單個Sunny cove核心在性能/功率曲線的高端可産生最佳的功率性能效率，但在低端則輸給Tremont核心。同樣，四個Tremont內核的多線程功能比Sunny Cove內核擴展了 100% 以上，同時能效更高。
芯片專爲實現超低功耗始終開啓功能而設計。該芯片集成了供電、安全、存儲、音頻、USB 2 和 3、UFS3、PCIe Gen3、ISH、I3C、SDIO、CSE、TC SS、SPI/I2C。以下是各部分die size面積大小統計。橫屏看更方便
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的面積單獨計算如下
density（MB/mm^2)
SRAM
1.675987565
Lakefield 動態地向操作系統/軟件提供有關工作負載的功耗和性能特征的反饋。表現出性能或高響應能力的工作負載將被指示在Sunny Cove核心上進行調度。同樣，後台線程也會收到在Tremont核心上進行調度的指示。該反饋可用于操作系統動態遷移線程，以提供最佳的功率和功率效率。
四、總結
英特爾寫道：“采用英特爾混合技術的英特爾酷睿處理器（代號爲“Lakefield”）是我們 xPU 戰略和持續架構創新的一個重要裏程碑。” “他們展示了混合 x86 CPU 和新封裝技術的潛力，可顯著減小電路板尺寸，同時提供英特爾酷睿性能。”
通過將核心架構和壓縮組件融合到一個封裝中，Lakefield 有望最大限度地延長電池壽命，並創造出一種新的超薄個人電腦類別。其單個高功率“Sunny Cove”核心只會在繁重的工作負載下啓動，而四個“Tremont”效率核心則適合輕量級操作。兩者之間的切換將大大提高移動設備的電池效率。將系統內存移至CPU封裝上還降低了電路複雜性，從而有助于縮小主板尺寸。下圖可以看到主板非常小巧，完全能放到平板機器中。
另外，Lakefield 使用電源管理集成電路(PMIC)，而不是像Ice Lake等同時代産品那樣使用分立式VR或FIVR。爲了支持 Lakefield，需要兩個 PMIC - 一個用于計算芯片，另一個用于基礎芯片（CSC 和 WRC），如下圖所示
整體來說，雖然lakefield生命周期很短，但是不失爲一個值得學習的案例，不管是封裝和混合架構的芯片設計。
