酷睿Ultra的高效能秘籍，英特尔Meteor Lake SOC模块架构浅析

在英特尔Meteor Lake架构浅析中，我们已经大致了解了CPU的整体布局，其中变化最大部分是UnCore中的SOC模块构成了Meteor Lake四个重要模块中的变化最大的部分。在Intel Tech Day 2023中，Meteor Lake SOC部分也被独立出来做单独解析。如果你只是对Meteor Lake希望有大致的了解，不妨移步笔者同时发布的《英特尔Meteor Lake架构浅析：一场分离式模块与3D封装的胜利》分析文章进行了解，如果想要在此基础上深挖一步，这篇文章兴许可以帮到你。

再见，Ring

在布局Meteor Lake SOC模块时，英特尔基于性能和功耗提出了四个主要设计原则，分别是：

1、对密集型计算IP进行重新划分，在不影响性能的前提下提升能效比；

2、对I/O进行扩展，为所有IP提供对应系统内存所需要的足够带宽；

3、为SOC引入一个低功耗LP E-Core；

4、重组电源管理算法。

在Meteor Lake之前，英特尔所有芯片设计、媒体编码器位置都跟图形IP捆绑，图形IP则跟CPU计算核心捆绑，进而形成Core complex的构建模式。这意味着所有IP都必须经过Ring总线实现对称布局，才能实现效率最大化。

但Ring总线承包所有IP数据传输，就意味着无论调用哪个IP，都需要激活所有IP，包括Ring总线，Core complex、图形和逻辑单元，从能耗的角度而言是非常大的浪费。

因此Meteor Lake首次将媒体部分和图形拆分，从Ring结构中移除，放进单独的SOC Tile中，不仅便于生产，有更好的经济性，在实际使用的过程中也更为省电。这时候如果执行不同的任务，只需要调用对应的模块就可以了，其他部分可以不参与工作。

举个最实际的例子，如果只用来播放视频，那么实际上只有显示模块和媒体编解码模块工作，其他IP处在关闭的状态，进而实现类似于MacBook用视频做续航宣传的效果。

SOC模块的重新布局，同时也可以带来带宽的高效分配。以往的Ring总线方式在高载荷下会出现带宽瓶颈，进而造成数据阻塞。这时候就要给IP设定优先级，指定不同的策略应对各种可能出现的应用场景。

但Meteor Lake使用了全新的SOC带宽扩展方式，使得所有IP的带宽分配是实时匹配的，消除了IP与IP之间，IP与Ring总线之间，IP与I/O之间的沟通瓶颈。不仅如此，英特尔还添加了一个I/O的缓存模块来管理I/O量和地址转换，确保执行次序可以被更好的进行。

但需要注意的是，IP的操作仍然需要计算单元的控制和协调，如果为了流媒体播放而启动Core部分的P-Core和E-Core，那就有本末倒置了。为此，英特尔特意在SOC Tile中引入了一个超低能耗的效能核，称为LP E-Core。

LP E-Core能耗非常低，虽然工作频率低于E-Core，但应对流媒体播放已经完全够用。

不仅如此，英特尔还对Meteor Lake的UnCore部分的电源管理进行了重新设计，不同的Tile会有各自的电源管理单元，并由一个主电源管理单元控制，进而实现实时可扩展的电源管理架构，为将来芯片设计电源管理奠定良好的基础。

合理运用每一个核心

Meteor Lake的第一个改变，就是利用Foveros封装技术缩短这4个Tile的距离，使其获得更高的内部带宽。同时SOC内部的IP由NOC总线进行连接。NOC总线特性是高带宽、快响应，并允许挂靠在上面的所有IP快速、低功耗的访问整个内存，包括Foveros封装连接的计算Tile和图形 Tile，也包括内部的E-Core、内存控制器、多媒体IP、NPU、IPU等等。

可以看到SOC Tile内部还拥有一个IO fabric总线用于连接I/O Tile，以及SOC内部的音频、有线与无线连接网络等IP，其中还包括2个安全模块，分别是新增加的芯片级SSE，另外一个是用于提升可靠性的CSME。

可以看到，SOC Tile在收纳各种IP的同时，实际上也承担了一定程度基板的功能，实现了与计算Tile，图形 Tile，IO Tile三个模块的高速连接，由于彼此并非完全的堆叠关系，所以英特尔将其成为2.5D和3D封装的融合设计。

SOC Tile如何提升效能？

在技术分享会中，英特尔多次强调了Meteor Lake以及SOC Tile高效能、低功耗的特性，那么他们是如何做到的呢？重点便在于每个Tile上都有专属的电源管理模块，并且相互之间都互相协同电源管理工作，包括上层炒作系统、软件协同，从而实现系统级别的完整电源管理。

与此同时，Meteor Lake引入低功耗岛（Low Power Island）的设计，它的特点是适用于轻型工作负载，调配计算Tile按需开启，并集成低功耗人工智能引擎，以及IP的调配和扩展。如果工作负载需求不高，低功耗岛就可以解决日常的工作问题，包括PC的睡眠、超低功耗模式等等，只有在负载提升之后，低功耗岛才会进一步调用其他IP和Tile，全速运行。

为了实现这个设计，英特尔在硬件和软件上都做了相关的能耗优化，包括DLVRs，电压控制，内部总线动态调节，针对不同工作负载释放性能等等。

三阶混合架构计算

由于SOC Tile中包含了额外的LP E-Core，在实际计算中，包含了三阶混合计算模式，即计算Tile中的P-Core和E-Core，以及SOC Tile中的LP E-Core，他们在能耗和性能上都会有不同的分配方式。

比如在运行较轻负载的时候，实际上可以让LP E-Core执行，在确保系统性能和响应速度的同时，维持低功耗，只有工作负载超出LP E-Core的范围，才会将其分配给计算Tile中的E-Core和P-Core。

重点在于不同任务负载是如何在不同核心之间进行切换的，这里就需要引入英特尔硬件线程调度器（Intel Thread Director，ITD）了。这里的ITD介于CPU硬件和Windows系统的中间层，用来反馈P-Core、E-Core和LP E-Core的实时运算能力，为系统调配提供一个推荐。

在这个过程中，以英特尔会对P-Core、E-Core和LP E-Core的每个时钟可以执行多少指令能力进行分类，即我们常说的IPC。在下图中可以看到英特尔将指令执行分成Class 3，Class 0，Class 1，Class 2上。

在每个时钟内：

Class 0表示P-Core与E-Core执行指令数量基本一致；

Class 1表示P-Core执行指令大于E-Core；

Class 2表示P-Core执行指令远大于E-Core；

Class 3表示E-Core执行指令大于P-Core。

根据图片右侧的反馈表格展示，每一纵列的EE代表能效表现分数，Perf代表性能表现分数，当分数最高，就代表英特尔硬件线程调度器IDT对系统进行的推荐，系统则可以通过EE分数和Perf分数在效能和效率之间进行抉择。

重点在于，这个推荐是实时更新的，因此系统也拥有自己的主动选择权，从而挖掘效能和场景应用中的更多可能性。

Meteor Lake上的ITD的改变就是额外考虑了LP E-Core的可能性。例如系统同时分配了4个线程工作，在P-Core负责完2个高载荷线程之后，另外2个低载荷线程会进而分配给E-Core，如果2个低载荷线程会长时间持续运行，则会被ITD建议进一步分配到LP E-Core中。

同样，这样的运行方式是可逆的。即使LP E-Core中如果正在运行2个低载荷程序，但很快获得了高性能进程需求，那么原本LP E-Core中的线程也会交还给E-Core乃至P-Core运行，Meteor Lake ITD在不同场景下展现出了核心调配的灵活性。

不仅如此，随着NPU引入Meteor Lake，AI性能得到进一步加强，但不意味着Meteor Lake中只有NPU处理AI应用。事实上，图形、CPU也会承当对应的AI性能加速，因此英特尔硬件线程调度器ITD在其中也要考虑到AI引擎特性和分配方式，从而帮助AI获得更高效的运行表现。

基本上而言，英特尔硬件线程调度器遵循了高能效，与Windows高度匹配，软硬件适配等诸多特点。也是Meteor Lake高效率执行的核心砝码。

图形与媒体模块

最后来聊一下图形GPU与媒体模块。在Meteor Lake中，包括图形GPU Tile的Xe LPG Graphics，而前面提到的多媒体引擎Xe Media Engine、Xe Display Engine分配在SOC Tile中，Display PHY显示信号输出分配在IO Tile中。

现在Meteor Lake最高能够支持8K 60FPS 10bit HDR解码和8K 30FPS 10bit HDR编码，编码格式包括VP9、AVC、HEVC和其他传统格式，也包括最新的AV1编解码。

SOC Tile中Xe Display Engine则进一步对显示功耗做了优化，并对显示全路径压缩，以提供最好的输出方案和功耗控制。就制式而言，Meteor Lake现在能够支持HDMI 2.1和DisplayPort 2.1以及完成的eDisplayPort 1.4输出，分辨率最高支持到8K 60FPS HDR，或者外接4个4K 60FPS HDR，再或者更高刷新率的1080p、1440p视频输出。

图形Tile的Xe LPG Graphics在几个性能关键点上都有2倍的性能提升，包括提升了图形Tile的主频，使用更低电压，互联缓存进行优化。Meteor Lake上的图形Tile现在拥有8个GPU核心，有128个Vector Engines，可以提供相较之翻倍的几何图形渲染管线，以及更高的Pixel和Samplers能力，并增加了8个硬件光线追踪单元。

从特性上来看，Meteor Lake的Xe LPG Graphics具备了英特尔独立GPU的一些特性，包括对DirectX 12 Ultimate的优化，光线追踪性能加强，双倍率HiZ，异步拷贝等独立显卡特性，并增加了乱序采样功能，进一步增加准确率。

新的核显光线追踪能在游戏、生产力、科学研究拥有不错的表现，以Blender为例，可以获得相对CPU两倍以上的性能提升。

另一个较大变化则是Meteor Lake带来了全新的Wi-Fi 7支持，带来了更高的数据吞吐率和多路并发性能，并且支持蓝牙5.4规范，并支持最新的蓝牙LE Audio传输。英特尔表示已经和微软展开合作，引入新的音频编码规范，并结合到BTLE中，可进一步降低功耗、延迟，并提升音频品质，并对已经市售的BTLE Audio产品提供很好的支持。

英特尔连接管理软件ICPS则在Meteor Lake上已经升级到了3.0版本，将进一步在无线设备和有线网络连接上做进一步提升，英特尔Unison多设备互联软件还将支持跨生态系统和跨设备种类，包括Windows、macOS、iOS、iPad OS等多个平台。

Wi-Fi Sensing则是针对笔记本Wi-Fi和硬件新增的感知技术，用于判断人员是否靠近，从而做出对应的系统判断，比如唤醒、降低功耗等等。按照英特尔的说法，Meteor Lake会持续落地超过30项新技术，从传感器、摄像头到音频都会不断深化体验。

写在最后：笔记本升级蓄势待发

从SOC Tile微架构设计可以明显感觉到，Meteor Lake对省电和高效能是认真的，负责计算的Core部分如今只占据整个Die面积不到1/3的面积，Meteor Lake从设计之初就是奔着加强移动PC体验、延长续航、提升效能比的目标去的，不免让人对即将到来的笔记本电脑在续航、效能、AI以及图形上的体验充满期待。

相比起增强计算核心，Meteor Lake更注重主流趋势功能的顺畅体验，也正因为Meteor Lake与台式机CPU设计需求不再完全重合，从而催生了14代酷睿与酷睿Ultra产品线并行的局面。无论如何，更好的iGPU图形性能、以及对日常AI场景的优化，都足以让酷睿Ultra成为新一轮笔记本升级的卖点。