Arrow Lake架构解析：酷睿Ultra处理器，能耗比主打超能课堂(337)

Arrow Lake与Lunar Lake有着相同的新一代CPU内核，包括Lion Cove P-Core和Skymont E-Core，所以它们被划为同一代产品，两者也是由多个模块组成并采用Foveros先进封装技术组合在一起，但除此之外两者其实就没啥相似的地方了。

Lunar Lake是由计算模块和平台控制模块所组成，计算模块包含CPU、NPU和GPU，内存控制器、媒体引擎、显示引擎、IPU也在里面，基本上就是一个传统单芯片CPU没了PCIe控制器，而平台控制模块则包含PCIe、USB、Thunderbolt 4、WiFi、千兆有线网络MAC，此外还有安全模块，它的功能和传统的PCH没啥差异。Lunar Lake还把两颗LPDDR5封装到CPU的PCB上让笔记本主板设计变得非常紧凑，同时还能提升内存频率并降低40%的功耗。

而Arrow Lake的结构则沿袭自Meteor Lake，可以说Arrow Lake才是Meteor Lake真正的继任者，CPU同样由计算模块、SoC模块、图形模块、IO模块这四大模块组成，也都用Foveros封装在基础模块上。此外Arrow Lake上也有一个填料模块，它的作用就把顶盖覆盖范围内没有运算模块的部分填满，因为模块和散热顶盖之间需要有充分接触，否则由于压力不同会对芯片造成损伤。

Arrow Lake的计算模块是肯定与Meteor Lake上的不一样的，核心规模比采用相同内核的Lunar Lake大得多，最高能到8P+16E。在Lunar Lake上，E-Core并不挂在环形总线上，与P-Core通信要走NOC总线，也不能使用P-Core的L3缓存，所以英特尔是直接把它们叫作LP E-Core的。而Arrow Lake的P-Core与E-Core都在一个环形总线内，可共享最多36MB L3缓存。

Arrow Lake的SoC模块大概就是Meteor Lake上的小改，里面的NPU依然是第三代的，不是Lunar Lake上的第四代NPU，与Meteor Lake的SoC模块相比新增了对PCIe 5.0的支持，至于LP E-Core，目前在今天发布的Arrow Lake-S桌面处理器上是没有的，其他的移动处理器不好说。显示模块使用的是与Meteor Lake相同的Xe-LPG架构，但规模减半，IO模块应该是不一样的，因为桌面平台需要提供完整的PCIe x16，而移动版只有PCIe x8。

关于Arrow Lake各模块的制程工艺，计算模块用的是台积电N3B，图形模块使用N5P工艺，SoC和IO模块则是N6工艺，除了计算模块制程与Meteor Lake不一样外其他都是一样的。

接下来我们先来回顾一下Lion Cove和Skymont两个内核。

现在Meteor Lake所用的Redwood Cove对于上代Golden Cove来说可以说是小修小改，但Arrow Lake与Lunar Lake上的Lion Cove改动还是蛮彻底的，首先它的缓存结构就有很大变化。在L1数据缓存与L2缓存之间加了一层缓存，原来的L1数据缓存现在变成了L0数据缓存，容量同样是48KB，加载延迟从5周期降低到4周期；新增的L1数据缓存是192KB，加载延迟9周期；Arrow Lake的L2缓存是3MB，比Lunar Lake的2.5MB更大，它们都比上代的2MB要大，但加载延迟从16周期降低到17周期。Lunar Lake上的四个P-Core共享12MB L3缓存，而Arrow Lake则是P-Core与E-Core共享36MB缓存。

用于管理缓存的子系统数据转换后备缓冲区(DTLB)深度从96页增加到128页，以提高其命中率。地址生成单元/存储单元(AUG/STA)从2组增加到3组，这一改动使加载/存储管道的数量达到平衡，各有三个，而上两代都是三个加载与两个存储管道。

前段进行了重新设计，分支预测块增加了8倍，获取区块从以前的64字节增加到128字节，解码器由6个增至8个，微指令队数量144条目增加到192条目，微指令缓存从4K扩大到5.25K，并让缓存读取带宽增加了50%。这些改进的目的是为了能够改进代码转换和执行的性能和功耗。

Lion Cove的乱序引擎划分成整数和矢量区域，都具有独立的确定和重命名功能，这样可以省下大量的硬件开销，并降低能耗提升性能。乱序引擎的分配/重命名从6个增加到8个，退出从8个增加到12个，深度指令窗口从512个增加到576个，执行端口从12个增加到18个。

整数执行引擎的ALU加法器从5个增加到6个，junp单元从2个增加到3个，shift单元从2个增加到3个，乘法器从单个64×64的单元变成了3个64位乘法器，这些改动能为复杂的操作提供更强大的算力。

矢量单元的SIMD ALU从3个增加到4个，拥有两个4周期延迟的256位FMA，同事还有两个256位除法器，和前一代相比，单精度和双精度计算的吞吐量都有大幅提高。

超线程在Arrow Lake和Lunar Lake上都被移除了，并不是英特尔把超线程关闭了，而是直接移除了。其实英特尔做了两个版本的Lion Cove，开启超线程能在相同芯片面积下增加30%的IPC，但代价是增加20%的功耗，这在数据中心这种追求线程密度的产品上是很好的，但在客户端处理器上情况就不一样了，经过三代混合架构处理器的实践，已经证明了E-Core是比超线程更高效的多线程加速手段。

超线程并不是免费的，它需要额外的芯片面积。一个没有超线程的Lion Cove和一个开启超线程的Lion Cove相比，能效比提升了5%，单位面积性能降低15%，但把性能、功率、芯片面积全算起来效费比提升了15%，再加上Lunar Lake是为低功耗设备而准备的，所以英特尔直接就删掉了这部分的电路，把节省出来的功耗和芯片面积来换取内核的更高时钟速度和IPC。

频率控制也变得更为精细，此前处理器核心的频率变化步进是100MHz，现在大幅缩小到16.67MHz，这自然提高了能效，某些情况下甚至能达到更高的频率。

当年英特尔在Alder Lake上引入的Gracemont架构E-Core，IPC是向Skylake看齐的，而Arrow Lake与Luner Lake上的Skymont，它的IPC则是向Raptor Cove看齐，而这Raptor Cove就是现在13/14代酷睿里面的P-Core。

Skymont与上代Crestmont相比，整数性能提升了38%，浮点性能提升了68%之多，只需要1/3功耗就能达到与Meteor Lake的SoC上两个LP E-Core同样的性能，同功率下单线程性能是原来的1.7倍，最大功率性能更是达到原来的两倍。

与Raptor Cove相比，Skymont的单线程整数与浮点性能都高出2%，达到了当时定下让Lunar Lake的E-Core性能匹配Raptor Lake的P-Core的设计目标。

再来看性能与功耗的对比曲线，Skymont能用更低的功耗实现与Raptor Cove同等的性能，在上图中框起来的那个区间内，在最佳情况下，Skymont只需要60%的功耗就可达到Raptor Cove的同等性能，在同功率下可实现20%的性能提升。当然了，Raptor Cove的功率上限比Skymont高得多，所以整体性能上限也比Skymont更高，毕竟两者的定位完全不一样。

Skymont的分支预测单元每周期预测范围从64字节翻倍到128字节，这加快了指令提取速度，现在最多可并行提取96个指令字节。解码方面，Skymont每周期解码指令从6条增加到9条，比Crestmont提高了50%，Uop队列从64提高到了96，这是x86历史上最宽最广的解码能力。

同时Skymont引入了Nanocode的新功能，它允许每一个解码集群可以独立处理多个微代码流，把类似的微代码段组合在一起，以实现更高的并行性。

乱序执行引擎的分配队列从6宽度增加到8宽度，退出队列从8宽度增加到16队列， 新增依赖中断机制，可有效降低延迟。重排序缓冲区从之前的256个条目扩展至416个条目，物理寄存器文件、保留站和加载/存储缓冲区也得到扩展，这些改动可提高并行性和降低延迟。

执行引擎的调度端口增加到26个，拥有8个整数ALU，3个Jump接口，每周期可执行3个加载操作，这些均比上一代增加了50%，提升了整体的并行处理能力。

矢量单元现在拥有4个128位浮点与SIMD矢量，这使得Gigaflops和TOPs算力直接翻倍，增加的执行单元有助于提升AI方面性能。FMUL、FADD、FMA经过重新设计降低了延迟，FP舍入现在支持硬件加速。

加载/存储管道数量从原来的都是两个变成了现在拥有3个加载管道和4个存储管道，L2缓存TLB的大小从3096增加到4192，Skymont依然是四个核心共享4MB L2缓存，但现在L2缓存带宽番了一倍，这让核心之间通信速度翻倍，并降低了内存延迟并提高了数据吞吐量。

虽然在Lunar Lake上Lion Cove与Skymont的性能提升相当明显，但到了Arrow Lake-S上由于是桌面处理器，所以功耗上限要高得多，实际上英特尔此前给出过性能与功耗曲线，两个新内核的IPC优势在低功耗区间优势较大，但随着功耗上升增幅就会减少，所以现在Arrow Lake-S给出的IPC提升其实是要比Lunar Lake时要小的，但对比现在的13/14代酷睿处理器，提升还是很明显的。P-Core的IPC提升相对要少一些，Lion Cove比Raptor Cove只有9%的提升，但E-Core的提升非常大，Skymont对比Gracemount提升了32%之多。

Arrow Lake计算模块内的核心排列也有所变化，从最初的12代酷睿开始，处理器内的P-Core集中放一边，而E-Core则集中放另一边的，到了Arrow Lake上，每个E-Core集群都会被两个P-Core左右夹着，这样设计的好处就是可以把发热量大的P-Core分散布置，这样就可把热源分散，有利于散热。

缓存方面，Arrow Lake明显变得更大了，和Raptor Lake相比，L3缓存的总容量依然是36MB没变，每组E-Core集群的L2缓存也是4MB，但P-Core的L2缓存从2MB增大到3MB，所以总L2缓存容量从32MB增大到40MB，这使得Arrow Lake的L2缓存总容量比L3缓存还大。

Arrow Lake的核显与Lunar Lake不一样，没有使用最新的Xe2架构，依然是Meteor Lake上的Xe-LPG，这是单纯的产品定位问题，Arrow Lake无论桌面和移动平台，大多数都是搭配独显使用的，所以不需要那么好的核显。

当然了对比现在Raptor Lake处理器上的Xe-LP核显，Xe-LPG也是有升级的，加入了光追单元，不过Arrow Lake-S的核显只有4组Xe核心，所以性能是有限的，但Xe-LPG支持DP4a指令，支持XeSS可提升游戏帧率。不过由于XMX引擎的缺失，所以XeSS的效率是肯定没A系列独显以及Lunar Lake上的核显那么高的。

多媒体引擎对比Raptor Lake也有升级，现在最高支持8K 60Hz 10bit的HDR视频解码以及8K 120Hz 10bit的HDR视频编码，支持包括VP9、AVC、HEVC、AV1以及其他的传统格式。

显示方面，最多可支持4屏输出，支持HDMI 2.1、DP 2.1以及完整的eDP 1.4的输出规范，分辨率最高支持一个8K60 HDR，或者4个4K60 HDR，或者是更高刷新率的1080p或者1440p 360Hz。

Arrow Lake上的NPU依然是Meteor Lake上的NPU3，所以这里也不太多介绍了，由于Arrow Lake-S桌面平台，所以有更高的功耗冗余，NPU算力从11.5 TOPS提升到了13 TOPS。而Arrow Lake的核显只可提供8 TOPS的算力，CPU的算力反而是最高的，有15 TOPS，平台整体AI算力为36 TOPS。

大家应该都发现Arrow Lake的NPU算力远没达到微软Copilot+PC的40 TOPS要求了，实际上英特尔此前和各软件开发商沟通过，即使以Meteor Lake现在的NPU算力，目前在市场上还没有被充分利用到。但AI也是未来的新兴趋势，所以英特尔还是把NPU放到了台式机处理器上。也考虑到对于台式机用户来说大多数会搭配高性能独显使用，所以目前Arrow Lake搭配的NPU是综合各种因素考虑得出的结果。

说完了Arrow Lake-S的技术部分，接下来我们来看看酷睿Ultra 200S系列处理器，与以往一样，首发的只有K系列产品，包括酷睿Ultra 9 285K、酷睿Ultra 7 265K/KF、酷睿Ultra 5 245K/KF。

和14代酷睿一样，酷睿Ultra 9是8P+16E，酷睿Ultra 7是8P+12E，酷睿Ultra 5则是6P+8E，新的酷睿Ultra处理器依然包含Thermal Velocity Boost、Turbo Boost Max 3.0和Turbo Boost 2.0三层加速技术，当中酷睿Ultra 9是全部都支持的，而酷睿Ultra 7则不支持TVB，而酷睿Ultra 5则只支持Turbo Boost 2.0。

当然了对于用户来说，知道具体型号的不同核心的睿频频率就够了。最顶级的酷睿Ultra 9 285K处理器P-Core单/双核睿频频率是5.7GHz，全核睿频频率5.4GHz，E-Core的全核睿频频率4.6GHz。酷睿Ultra 7 265K的P-Core单/双核睿频频率是5.5GHz，全核睿频频率5.2GHz，E-Core的全核睿频频率4.6GHz。酷睿Ultra 5 245K的P-Core单/双核睿频频率是5.2GHz，全核睿频频率5.0GHz，E-Core的全核睿频频率4.6GHz。

核显方面，酷睿Ultra 9/7的核显频率是2.0GHz，而酷睿Ultra 5的频率是1.9GHz。

酷睿Ultra 200S处理器支持CUDIMM内存，与之前的UDIMM DDR5内存不同，CUDIMM集成了时钟驱动器，不仅提升了内存的极限频率，还增强了系统的整体稳定性，让内存模块能够在更高频率下保持稳定的运行状态。酷睿Ultra 200S处理器最高支持JEDEC标准的DDR5-6400内存，如果使用支持XMP的CUDIMM内存的话频率可轻松达到8000MHz+，支持ECC，最大可支持单根48GB的内存，最大内存容量192GB。

新一代处理器更换了LGA 1851平台，首发的只有Z890主板，扩展能力非常丰富，Arrow Lake-S处理器本身可提供20条PCIe 5.0和4条PCIe 4.0，和两个Thunderbolt 4接口，当中SoC模块可提供4条PCIe 5.0和4条PCIe 4.0，IO模块则可提供16条PCIe 5.0与两个Thunderbolt 4，这16条PCIe可拆分成x8+x8或x8+x4+x4，这比12到14代酷睿只能拆成x8+x8灵活多了，有效增加了PCIe 5.0 M.2接口的数量。

而Z890 PCH可提供24条PCIe 4.0，平台可用PCIe通道数量多大48条，当中有20条是PCIe 5.0。USB接口和SATA数量与Z790没区别，最多14个USB接口，当中最多可提供5个USB 20Gbps，10个USB 10Gbps，10个USB 5Gbps，SATA接口数量最多8个。

PCH整合的网络设备和上代一样依然是千兆有线以及WiFi 6E无线，通过扩展，平台可最多提供4个Thunderbolt 5口，2.5GbE有线和WiFi 7无线网络。

Arrow Lake处理器的设计目标是提升每瓦性能，要降低40%的整体平台功耗，并带来比上代15%的多线程性能提升，同时保持优秀卓越的游戏性能，并让处理器游戏时温度降低10℃。

上图是酷睿Ultra 9 285K的官方性能测试，单线程性能整体较酷睿i9-14900K提升了8%，和锐龙9 9950X相比则平均高出4%。

酷睿Ultra 9 285K多线程性能整体较酷睿i9-14900K提升了15%，和锐龙9 9950X相比则平均高出13%。

如果看性能功耗曲线的话，酷睿Ultra 9 285K只需要125W的功耗就能发挥出酷睿i9-14900K在250W时的多线程性能，拥有相当强大的代与代每瓦性能提升。

酷睿Ultra 9 285K有着优秀的媒体引擎以及出色的软件支持，所以在视频编解码方面的测试可大幅领先对手，出色的多线程性能也在不少创作类软件中发挥出比对手更好的性能。

游戏性能方面，酷睿Ultra 9 285K并不能全面领先上代的酷睿i9-14900K，整体表现两者性能差异不大，但酷睿Ultra 9 285K能以更低的功耗发挥出同等的游戏性能。

这是官方的游戏功耗测试，酷睿Ultra 9 285K在不同游戏中的整体平台功耗要比酷睿i9-14900K低得多，最高可降低165W之多，平均降幅有73W其实也不低，不过需要注意的是这是平台整体功耗并不是CPU本身的功耗降幅，单论CPU功耗的话肯定不会降这么多的。

CPU功耗的降低自然会带来温度的下降，因此酷睿Ultra 9 285K的游戏时温度要比酷睿i9-14900K下降不少，至少也有10℃的下降，最多可降低17℃，平均降幅在13℃左右，对散热的需求明显降低。

不过与锐龙9 9950X对比游戏性能就不算很乐观了，只能说各有千秋，其实很多游戏帧率都是打平的。

至于Arrow Lake的AI性能，这里就不多说了，毕竟这是桌面处理器，和独显相比CPU的AI算力确实不算高，但NPU的引入确实可以降低部分AI应用的功耗，比如上图的人脸和动作识别类应用，NPU就能用较低的占用与功耗实现同样的功能，只不过目前适配NPU的AI应用确实不算多，这得等软件慢慢更新发展。

Arrow Lake虽然没超线程，但E-Core的IPC提升非常大，所以它依然可提供比Raptor Lake更出色的多线程性能，依然改进的重点是能耗比，仅需一半的功率就能发挥出Raptor Lake相同的性能。平台扩展能力比上代有了大幅提升，现在CPU可提供24条可用PCIe通道，当中有4条PCIe 5.0与4条PCIe 4.0是为SSD而准备的，PCIe 5.0 x16也可拆分成x8+x4+x4，也就是说平台在使用独显的同时可连接三个PCIe 5.0 M.2 SSD，这比上代只能扩展一个强多了。此外现在CPU可提供两个Thunderbolt 4口，这让Thunderbolt 4在台式机普及垫下基础，但我不确定板厂未来中低端Intel 800系主板会不会把这两个口做出来。

最后提一下未来的Arrow Lake-H与HX，它们都会在明年第一季度上市，大概率在CES 2025就能看到它们，Arrow Lake-HX就是Arrow Lake-S改封装，没啥好说的。Arrow Lake-H则最多6P+8E，NPU与Arrow Lake-S一样，核显变成了带XMX引擎的Xe-LPG架构，而且规模比Arrow Lake-S的大一倍，有8组Xe核心和8MB L2缓存，在XMX引擎的加持下核显的AI算力达到77 TOPS，比现在的8 TOPS高了不是一点半点，由于有着更高的功率，所以比Lunar Lake上的Xe2核显算力还高，但3D图像性能就不太好说了。