In occasione del proprio evento Innovation 2023, che si sta tenendo in questi giorni a San Jose, Intel annuncia ufficialmente i primi processori della famiglia Meteor Lake, nome in codice che identifica le CPU di nuova generazione dell’azienda americana. Il debutto di questi processori rappresenta un passaggio molto importante per Intel: si tratta dei primi costruiti con il nuovo processo Intel 4 che segue quello Intel 7 utilizzato per le precedenti generazioni di CPU Core, oltre che soluzioni che implementano importanti novit che vedremo poi portate avanti anche nelle CPU dei prossimi anni.

Per introdurre le soluzioni Meteor Lake per importante in primo luogo parlare di tecnologie produttive. La roadmap di Intel in tema molto ambiziosa: mettere a disposizione 5 nuovi nodi nel corso di 4 anni secondo questa scaletta di tempistiche:

• Intel 7: processo con produzione in volumi al momento attuale
• Intel 4: in ramping ora
• Intel 3: pronto per la produzione H2 2023
• Intel 20A: pronto per la produzione H1 2024
• Intel 18A: pronto per la produzione H2 2024

Se ora Intel ha in ramping i processori costruiti con tecnologia Intel 4, il prossimo passaggio gi alle porte con il processo Intel 3 che sar pronto per la prima attivit di produzione in questi mesi. Meteor Lake la prima architettura Intel a utilizzate il processo Intel 4, ma anche la prima a implementare molte importanti novit che sono tate rese accessibili sia grazie ad una forte rivisitazione dell’architettura, sia grazie all’utilizzo della tecnologia produttiva Intel 4. Il design alla base continua ad essere di tipo ibrido abbinando core performance a quelli efficient, ma integra nuove microarchitetture tanto per i core efficient come per quelli performance.

Meteor Lake costruita abbinando 4 tiles, sfruttando la tecnologia Foveros 3D. Per la prima volta integrata in una CPU Intel un NPU AI Engine per le elaborazioni di inference a bassa potenza, pensato in modo specifico per accelerare le sempre pi importanti e richieste elaborazioni di intelligenza artificiale senza avere impatti negativi su consumi. Non mancano i supporti nativi a reti Wi-Fi 6E e WiFi 7. L’IO Tile integra al proprio interno i controller Thunderbolt 4 e PCI Express Gen 5.0.

I vari tile sono collegati in modo indipendente al fabric, cos che non sia necessario accenderne uno affinch un altro venga utilizzato per una funzione specifica. Ogni IP pu quindi essere gestita in modo indipendente a livello di alimentazione, cos da minimizzare il consumo del processore nel complesso. Questa scelta di design ha portato a rivedere completamente il sistema di gestione del consumo implementando per ogni IP e Tile un power manager controller, che ne gestisce il consumo in modo specifico a seconda delle necessit di utilizzo.

Gestione energetica e Thread director

L’architettura a Tile delle CPU Intel Meteor Lake permette di ottimizzare la potenza di elaborazione e la gestione del risparmio energetico, grazie ad una struttura articolata basata su alcune ben precise scelte di design:

• architettura modulare e scalabile dei power management permette di ottenere la disaggregazione dei differenti elementi
• bandwidth ed efficienza sono migliorate grazie allo scalable fabric
• i differenti power management controllers presenti su differenti tiles operano in modo coordinato
• anche tra power management controllers del SoC e il software del sistema presente della coordinazione che ne migliora il funzionamento

Una peculiarit delle CPU Meteor Lake quella di implementare la cosiddetta Low Power Island, nella quale sono integrati due core efficient a bassa potenza della famiglia Crestmont che intervengono quando le elaborazioni da eseguire sono a basso carico. In questo modo viene ottimizzato il funzionamento complessivo del sistema, alla ricerca della massima efficienza energetica, in quanto i low power E-Cores. integrati nel SOC tile e non nel Compute tile, vengono utilizzati in background per lungo tempo sgravando i core pi potenti ed energivori da queste elaborazioni. Quando questi core vengono attivati possibile spegnere completamente il Compute tile nel quale si trovano gli altri core efficient e performance, a tutto vantaggio del contenimento dei consumi di sistema.

La presenza dei low power E-Core porta ad avere in Meteor Lake un’architettura che Intel definisce di tipo 3D Performance Hybrid, nella quale cio le 3 tipologie di core presenti si alternano nell’elaborazione ricercando, a seconda della condizione d’uso e del tipo di carico di lavoro richiesto, l’ideale bilanciamento. Tanto i core performance come quelli Efficient sono stati rivisti rispetto alle corrispondenti implementazioni nei processori Core di 13-esima generazione.

P-Cores – Redwood Cove

Efficienza migliorata
Maggiore bandwidth per core package
Performance monitoring unit migliorata
Feedback Intel Thread Director migliorato

E-Cores Crestmond

Miglioramenti in termini di IPC rispetto a precedente generazione
AI acceleration
Enhanced Branch Prediction
Enhanced Feedback Intel Thread Director

A governare il funzionamento delle differenti tipologie di core integrate nelle CPU Meteor Lake troviamo l‘Intel Thread Director, una componente hardware che messa a cavallo tra lo scheduler del sistema operativo e i core Efficient e Performance. E’ il suo intervento che stabilisce quale task debba essere inviato, e quindi elaborato, da quale tipologia di core cos da massimizzare le prestazioni quando richiesto o minimizzare il consumo energetico.

Intel 4, il nuovo processo produttivo

Intel 4 il processo produttivo di nuova generazione adottato da Intel per la costruzione dei processori della famiglia Meteor Lake. Si tratta di una evoluzione molto importante per Intel, che in questo modo riuscita ad ottenere poco meno di un raddoppio dell’area delle librerie high-performance rispetto a quanto messo a disposizione con il processo Intel 7 (lo spessore incrementato da 240 a 408 nanometri).

Le altre novit a livello costruttivo del processo Intel 4 vedono una riduzione dei fin dai precedenti 4 agli attuali 3, una riduzione dello spazio tra i gate ETE, uno scaling di 0,88x del FinPitch sceso a 30 nanometri oltre all’implementazione della seconda generazione di dummy gate removal e di contact on active gate

La tecnologia produttiva vede l’utilizzo di 18 strati metallici, con 5 interconnessioni che ora sono effettuate in enhanced copper” rispetto a quelle in rame e in cobalto adottati con Intel 7. Lutilizzo di litografia EUV (Extreme Ultra Violet) ha permesso di ridurre il numero di maschere del 20% rispetto al processo Intel 7, con una positiva ricaduta sui tempi di produzione che si sono ridotti del 5% circa.

Il risultato finale di tutto questo lavoro di ottimizzazione un miglioramento superiore al 20% dell’efficienza energetica complessiva dei processori costruito con tecnologia Intel 4 rispetto a quelli basati su processo Intel 7.

Foveros Packaging

Uno degli elementi tecnici alla base dei processori Intel Meteor Lake l’utilizzo della tecnologia Foveros per il packaging dei vari componenti, grazie alla quale Intel pu montare sullo stesso package die di silicio differenti tra di loro per tecnologia produttiva e finalit di utilizzo attraverso una interconnessione ad elevatissima bandwidth.

Nel corso degli anni l’evoluzione delle tecnologie produttive e del design dei processori ha trasformato lo scopo di utilizzo del packaging, inizialmente utilizzato per creare connessioni tra processore e scheda madre oltre che proteggere il die fisicamente. La sua evoluzione lo ha portato a diventare strumento attraverso il quale permettere linstallazione di differenti package e unit di elaborazione sullo stesso processore garantendo bandwidth elevata e al contempo efficienze energetica.

Negli ultimi anni Intel ha reso disponibili diverse tecnologie di packaging per i propri prodotti, a partired a quella Foveros multi strato adottata con i processori della famiglia Lakefield con uno stacking 3D di tipo active-on-active.

L’evoluzione successiva rappresentata dalla tecnologia EMIB: Embedded Multi-die Interconnect Bridge, tecnologia utilizzata oggi nelle CPU Xeon della famiglia Sapphire Rapids. Sua successiva evoluzione quella Co-EMIB, che combina EMIB con tecnologia Foveros. Un esempio di questo la GPU Intel Data center GPU Max Ponte Vecchio.

In Meteor Lake le necessit specifiche di Intel hanno portato ad utilizzare la tecnologia Foveros, sfruttandone i benefici in termini di potenza contenuta e elevata densit nelle interconnessioni die-to-die direttamente nel silicio. La struttura prevede l’integrazione di 4 differenti tile per la componente grafica integrata, il SoC (System on a Chip), la CPU e il tile specifico per l’I/O.

L’integrazione di tile differenti permette di ottimizzare la produzione di ogni specifico tile: la superficie pi contenuta, infatti, permette di ottenere una resa superiore per ogni wafer grazie ad una pi ottimale gestione dell’area complessiva a disposizione. La tecnologia Foveros offre inoltre maggiore flessibilit in termini di design del prodotto: infatti possibile sostituire un tile con altro, magari con tecnologia produttiva pi sofisticata, senza dover per questo modificare i restanti tiles del processore.

La roadmap interna di Intel prevede una ulteriore evoluzione delle tecnologie di packaging dei processori nel prossimo foturo, a partire da quella Foveros Direct che permetter di ottenere una sensibile riduzione del bump pitch grazie a connessioni copper-to-copper: ne beneficier la densit complessiva oltre al contenimento dei consumi. A seguire troveremo il Class Core Substrate, approccio evolutivo che permetter di migliorare ulteriormente la gestione energetica e la densit di elaborazione dei futuri processori di casa Intel.

Sempre pi spazio per l’elaborazione dell’AI

L’evoluzione di mercato spinge sempre pi verso sistemi che siano dotati di una elevata potenza di elaborazione locale, nel client come nell’edge, andando a diminuire il ruolo che possono avere i grossi sistemi nei datacenter per gestire elaborazioni che siano pi circoscritte. Per questo motivo Intel ha implementato in Meteor Lake una elevata potenza di calcolo a livello di elaborazioni di Intelligenza Artificiale, anticipando di fatto una richiesta che si sta gi in parte evidenziando legata all’elaborazione da parte di client e edge a scapito del puro approccio cloud.

Da questo nasce e si sviluppa una strategia multi piattaforma per elaborare l’intelligenza artificiale: CPU, GPU e NPU operano in parallelo, scelte in funzione del tipo di elaborazione che deve essere svolta. La NPU particolarmente adatta a gestire l’AI quando siano in gioco elaborazioni a complessit ridotta che si sviluppano per lunghi periodi di tempo, con le quali si ottiene un evidente beneficio in termini di risparmio energetico a fronte di un tempo di elaborazione nel complesso contenuto.

In Meteor Lake Intel ha implementato, nella componente GPU, il supporto al set di istruzioni DP4A per l’accelerazione delle elaborazioni di intelligenza artificiale. Accanto a questo trova spazio la NPU, sviluppata con un mix di fixed function e programmable compute cos da offrire velocit efficienza energetica e flessibilit nellelaborazione. Integra al proprio interno 2 neural compute engines, una inference pipeline e un DSP programmabile.

La GPU in Meteor Lake

La componente GPU integrata nei processori Intel Meteor Lake punta, nelle intenzioni dell’azienda, ad abbinare un raddoppio delle prestazioni velocistiche per Watt consumato, offrendo un set di funzionalit grafiche che sia al top di quanto richiesto dalle pi recenti applicazioni tanto videoludiche come di produttivit personale.

Il design interno basato su un’architettura disaggregata, nella quale i componenti legati alla parte grafica sono disposti in differenti tile.Nel SoC Tile presente l’Xe media engine, che integra al proprio interno due MFX ciascuno con un modulo per encoding e uno per decoding. Sempre nel SoC Tile presente l’Xe Display Engine, dotato di 4 display pipes delle quali 2 sono di tipo a basso consumo; presente una nuova modalit a bassa potenza per media playback.

Il display engine dotato di supporto HDMI 2.1 e DP 2.1 20G oltre che eDP 1.4; permette di gestire quale massimo la risoluzione 8K60 HDR, oppure sino a 4 flussi video 4k60H HDR salendo sino ad una frequenza di refresh di 360Hz con risoluzione di 1080p e 1440p.

Il Graphics Tile quello all’interno del quale risiede la componente GPU, indicata con il nome di XeLPG: questo il nome della GPU integrata in Meteor Lake. Nel confronto con la GPU di precedente generazione, indicata con il nome di XeLP, troviamo nel nuovo arrivato prestaizoni che raddoppiano a parit di consumo grazie a clock superiore, GPU pi ampia in termini di unit di elaborazione e con maggiore efficienza architetturale.

L’aumento della frequenza di clock stato reso possibile dalla tecnologia produttiva a 5nm adottata per questo componente, delegata alla taiwanese TSMC per la produzione; la GPU stata ampliata grazie all’integrazione di 8 core Xe, ai 128 vector engines contro i 96 precedenti, alla presenza di 2 geometry pipelines contro la singola precedente, all’aumento da 6 a 8 dei samples e da 3 a 4 dei pixel backends. Questa GPU integra inoltre per la prima volta in un’architettura integrata il supporto al Ray Tracing, grazie a 8 unit di elaborazione dedicate.