Intel Tiger Lake (Intel Core 11gen): core Willow Cove, grafica Xe-LP e 10nm SuperFin

Litografia, architettura Willow Cove, grafica integrata ed altri dettagli dei processori Intel Core 11gen, nome in codice Intel Tiger Lake, destinati ad equipaggiare moltissimi notebook mainstream, ultrasottili, premium e dual-screen a partire da fine 2020. Aggiornata con die e configurazioni.

Il 13 agosto si è tenuto l'Intel Architecture Day 2020, l'evento che rappresenta l'unico spazio di approfondimento tecnico con la stampa da quando Intel ha deciso di tagliare i costi e mettere fine alle sue conferenze IDF. Una specie di IDF in formato ridotto, che quest'anno peraltro è stato celebrato in versione virtuale a causa delle restrizioni per l'emergenza COVID. Un'edizione tuttavia particolarmente importante perché dedicata ad Intel Tiger Lake, la prossima ed attesissima famiglia di processori per notebook, della quale ci era stato dato un veloce assaggio a gennaio al CES 2020, e che ora conosciamo in dettaglio proprio grazie alle sessioni dell'Architecture Day.

Cogliamo l'occasione quindi per un approfondimento su Tiger Lake in attesa del lancio definitivo che avverrà agli inizi di settembre. Update: Trovate qui l'articolo sul lancio ufficiale dei nuovi processori per notebook, con le configurazioni finali, per tutte le informazioni tecniche sui processori Intel Tiger Lake continuate a fare riferimento al presente articolo.

Questi nuovi chip segnano anche un piccolo ma apprezzato cambiamento nella strategia di comunicazione tecnica di Intel: per la prima volta, Intel illustra il suo processore in termini di SoC e non di CPU, dedicando un ampio spazio ad altri sottosistemi integrati, come il motore video, l'image processing unit, la display engine ed altre componenti che in passato erano trattate in maniera meno organica.

Quello che sapevamo finora è che Intel Tiger Lake è il nome in codice dell'undicesima generazione di processori Intel Core (Intel Core 11Gen), la prima completamente realizzata a 10nm, un avanzamento litografico che ha causato un enorme ritardo nella tabella di marcia del chipmaker americano che non è riuscito a schiodarsi dai 14nm per ben 5 anni, dal 2015 al 2020. Difficoltà rese evidenti dalla mossa di combinare sotto l'ombrello dei Core 10th Gen, processori a 10nm (Ice Lake) e processori a 14nm (Comet Lake) per completare l'offerta e soddisfare la domanda.

Di questa impasse di Intel ha approfittato AMD per crescere nel segmento desktop ad alte prestazioni e per recuperare il distacco in ambito mobile. Un divario sicuramente colmato dal punto di vista delle prestazioni con le nuove APU AMD Ryzen Mobile serie 4000 ma non in termini di quota di mercato. La sensazione è che AMD non abbia saputo o voluto sfruttare pienamente l'occasione, lasciando ad Intel la possibilità di riguadagnare terreno con Tiger Lake.

Tiger Lake ovviamente indica una molteplicità di processori con prestazioni e profili termici differenti, e quindi è importante premettere che in questo articolo faremo riferimento prevalentemente ad un processore-tipo 4-core con TDP di 15W, serie low-voltage come quelli che troviamo spesso su notebook ultraslim o mainstream raffreddati a ventola. Le principali innovazioni introdotte con Tiger Lake riguardano:

• Litografia 10nm SuperFin
• Microarchitettura di core Willow Cove
• Grafica integrata Intel Xe-LP
• Supporto per Thunderbolt 4, USB 4, PCIe 4.0 e LPDDR5

10nm SuperFin

Con Tiger Lake, Intel dovrebbe finalmente completare la sua transizione al nodo dei 10nm, che era iniziata con la meteora Cannon Lake ed è rimasta solo parziale con Ice Lake, introducendo significativi miglioramenti intranodali che gli permetteranno di consolidarsi per tentare il prossimo salto ai 7nm EUV. Sicuramente una buona notizia, anche se un po' offuscata dal fatto che AMD ed i chipmaker ultramobile sono già al lavoro sul nodo dei 5nm.

C'è da rimboccarsi le maniche, e Intel ne è assolutamente consapevole tanto che persino le note stampa diramante a seguito dell'Intel Architecture Day 2020, insistono ripetutamente su questo mantra: "aumento delle prestazioni paragonabile a una completa transizione a nuovo processo produttivo"; "prestazioni delle CPU superiori a quelle di un passaggio generazionale".

Il riferimento è alla tecnologia SuperFin che viene etichettata come "il maggiore avanzamento intranodale nella storia di Intel" e che si sostanzia nella combinazione del design FinFET (di quarta generazione) con la tecnologia di condensatore SuperMIM di Intel. I nuovi transistor ad effetto di campo hanno una architettura ridisegnata dei terminali source e drain che riduce la resistenza e migliora il passaggio di corrente nel canale, e che si accompagna a miglioramenti alla struttura del gate che assicurano una maggiore mobilità del canale.
Inoltre Intel ha allargato il gate pitch (passo) con l'obiettivo di supportare una maggiore corrente di pilotaggio per certe funzioni del chip che richiedono le massime prestazioni.

Altre innovazioni comprendono una barriera sottile che riduce la resistenza del 30% migliorando le prestazioni di interconnessione, e la nuova tecnologia di condensatore Super MIM (metallo-isolante-metallo) che utilizza materiali all'avanguardia ad alta costante K per migliorare di 5 volte la capacità a parità di ingombri rispetto agli standard di settore.

Tutti questi miglioramenti ed ottimizzazioni permetterebbero di aumentare del 17% le prestazioni dei transistor rispetto al processo produttivo a 10nm di Ice Lake e, secondo quanto dichiara Intel, sarebbero nel complesso equivalenti ad una riduzione di processo produttivo.

I sempre ben informati colleghi di Anandtech riportano che i progettisti di Intel si erano trovati a decidere come migliorare Tiger Lake rispetto agli attuali Ice Lake, scegliendo fra due possibili strade, una che passava per l'aumento delle istruzioni per ciclo (più difficile) ed una che prevedeva un miglioramento in efficienza per raggiungere frequenze più alte. Con poche sorprese s'è scelto di incamminarsi per la seconda via, che in realtà è quello che Intel ha sempre fatto con il modello Tick-Tock: tutte le novità in ambito litografico hanno lo scopo di rendere necessario un minore voltaggio a parità di frequenza di clock per consentire di raggiungere una frequenza superiore a parità di profili termici. Dove Ice Lake arriva ad un massimo di 4GHz, Tiger Lake raggiunge i 5GHz per core su un TDP di 15W.

I Core di Tiger Lake sono basati su una nuova microarchitettura chiamata Willow Cove che dovrebbe segnare un reale progresso rispetto alla microarchitettura di core utilizzata da Intel per le ultime generazioni di processori mobile ma che in realtà è solo una evoluzione dell'architettura Sunny Cove di Ice Lake. Sunny Cove aveva portato con sé un miglioramento delle prestazioni in single threading del 15-20% e nuove istruzioni dedicate ai calcoli delle reti neurali; Willow Cove aggiunge gli avanzamenti litografici intranodali dei quali abbiamo parlato, nuove funzioni di sicurezza e un redesign della cache.

La cache L2 passa da 512 KiB 8-way (inclusiva) a 1,25 MiB 20-way (non inclusiva) con un aumento di capacità di oltre due volte che dovrebbe ridurre la frequenza dei read miss (mancanza in lettura) ma al costo di una maggiore latenza. Tuttavia il passaggio alla cache non inclusiva ha vantaggi e svantaggi perché migliora la velocità ma richiede di effettuare un controllo di coerenza aggiuntivo. La cache L1 resta invece invariata, mentre la cache L3 passa da 8MiB 16-way a 12MiB 12-way sempre sul processore Tiger Lake tipo a quattro core che stiamo utilizzando come punto di riferimento per questo articolo.

Intel calcola che la possibilità di raggiungere frequenze di picco più alte del 20% e le modifiche alla struttura della cache si traducano in un incremento di prestazioni del 10-20% rispetto a Sunny Cove. Per rientrare nei profili termici senza causare surriscaldamento e thermal throttling, Intel ha dotato i nuovi processori di una nuova tecnologia Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) che prevede un controllo più capillare sui vari blocchi che compongono il processore con la possibilità di raggiungere stati di sospensione con temperature e consumi sempre più bassi. Persino i sensori termici, le interfacce PCIe e USB adesso hanno propri thermal domain indipendenti, mentre più efficienti regolatori Fully Integrated Voltage Regulator (FIVR) assicurano la massima efficienza a basso carico di sistema.

Insomma non c'è nulla di rivoluzionario ma più che altro un tuning su vari profili che ha permesso di ottenere un boost di prestazioni sul core, che però andrebbe disperso se le memorie non fossero in grado di tenere il passo. In questa chiave acquista una fondamentale importanza il controller di memoria che era stato già aggiornato con il supporto per i moduli DDR4 3200 e LPDDR4X 3733 in Ice Lake e che con Tiger Lake guadagna il supporto per fino a 32GB di memoria LPDDR4X-4266 o LPDDR5-5400 con una bandwidth massima di 86,4 GB/s. Le memorie LPDDR5 sono attualmente in uso su alcuni dei migliori smartphone di ultima generazione e rappresentano il massimo in termini di efficienza e velocità, ma il costo è ancora troppo alto e difficilmente vedremo queste memorie montate su notebook di fascia mainstream. Potremmo invece finalmente avere notebook ultraslim premium con memorie LPDDR5.

Update: Nessuno dei primi 9 processori Intel Tiger Lake in commercio supporta le memorie LPDDR5, questa funzione arriverrà soltanto successivamente su nuove CPU Tiger Lake che non sono state ancora rese ufficiali.

Su Tiger Lake debutta per la prima volta anche la GPU proprietaria Intel Xe, la stessa architettura di GPU che verrà utilizzata per le prime schede grafiche dedicate Intel, qui in versione integrata Xe-LP con un massimo di 96EU. Intel dichiara un incremento di prestazioni del 200% rispetto alla GPU integrata Intel Gen11 di Ice Lake (che aveva un massimo di 64EU e che era già un enorme passo in avanti rispetto a quella di Comet Lake), quindi se queste stime fossero confermate, avremmo finalmente dei coprocessori grafici integrati in grado di rivaleggiare con le GPU dedicate in ambito notebook.

Update: Attenzione, i processori Intel Core 11th Gen integrano una GPU Iris Xe sono sui modelli Core i5 ed i7, mentre i Core i3 continuano ad avere una GPU Intel UHD Graphics 11gen.

Il merito è anche da attribuire al nuovo processo litografico che permetterà alla GPU Xe-LP di raggiungere frequenze di 1650 MHz e frequenze di picco di 1800 MHz. Il resto dell'incremento deriva dall'architettura Xe che è completamente diversa rispetto a quella delle precedenti GPU Intel. Prima ciascuna execution unit aveva 8 ALU in configurazione 4+4, adesso ha 10 ALU in configurazione 8+2, dove il primo blocco è dedicato alle operazioni sui numeri in virgola mobile e sugli interi, il secondo alle operazioni sui numeri in virgola mobile ed alcune funzioni speciali che Intel chiama "Extended math".

Nell'architettura Xe, le EU non sono più indipendenti ma sono combinate a coppie in una single thread control unit, con il beneficio di una maggiore semplificazione nello scheduling dei thread che si traduce in una maggiore efficienza energetica. Mancano per il momento unità dedicate al calcolo dei tensori che Intel potrebbe implementare in prossime versioni delle sue GPU.

Oltre ai miglioramenti architetturali, le GPU Xe-LP includono anche un sottosistema video con accelerazione hardware della decodifica del formato AV1, HEVC con Screen Content Coding, capacità di playback video 8K ed in generale un maggiore throughput del 200% in encoding e decoding, supporto per HDR e Dolby Vision.

Il sottosistema dedicato al display inoltre adesso è in grado di gestire fino a 4 display 4K in contemporanea, una modifica utile per la nuova generazione di portatili dual-screen in arrivo che occuperebbero due di quelle pipeline per i soli schermi integrati. La risoluzione massima supportata è 8K ed il refresh rate massimo di 360Hz, quindi possiamo aspettarci notebook da gioco con display sempre più veloci e notebook per creativi con pannelli in altissima definizione.

Ci sono anche sorprese in materia di acquisizione di foto e video, perché l'Image Processing Unit IPU6 di Tiger Lake supporta fino a 6 sensori, acquisizione video 4K ad un massimo di 90fps e immagini con risoluzione massima di 42MP. Altro primato di questo chip è quello di essere il primo a supportare la nuova interfaccia PCIe 4.0 collegata direttamente alla CPU anche se non è stato svelato il numero delle linee PCIe 4.0. Si ritiene che possano essere 8 o più probabilmente solo 4 e che verranno impiegate prevalentemente per le future generazioni di drive SSD PCIe 4.0 NVMe.

Tiger Lake include anche un motore inferenziale Gaussian and Neural Engine 2.0 che ha il compito di alleggerire il processore da compiti come la riduzione del rumore in chiamate, registrazioni audio e nell'acquisizione di comandi vocali per gli assistenti come Cortana ed Alexa. Facile immaginare che sui prossimi PC portatili possa continuare e diventare ancora più stretta l'integrazione con gli assistenti vocali di Microsoft e di Amazon della quale avevamo avuto qualche avvisaglia nella prima metà del 2020 e che divide i nostri lettori, fra chi è entusiasta e chi è totalmente contrario all'invadente presenza degli assistenti virtuali anche sui notebook.

Questa nostra panoramica delle caratteristiche dei processori Intel Tiger Lake è infatti utile per prefigurare funzioni e lineamenti dei laptop che arriveranno sul mercato a partire dalla fine del 2020: notebook più veloci e potenti ma anche sempre più sottili, sia che si tratti di ultrabook sia che si tratti di dual-screen. Una riduzione dello spessore che contribuisce a rendere i portatili più leggeri ed eleganti ma che comporta sempre sfide in termini di varietà e numero di interfacce disponibili sui lati. Per questa ragione Tiger Lake introduce per la prima volta la tecnologia Thunderbolt 4, una interfaccia combinata che rappresenta la naturale evoluzione di Thunderbolt 3 da quando le sue specifiche sono confluite in quelle della USB 4. Thunderbolt 4 è compatibile con USB 4, si può inserire dappertutto perché ha il formato USB-C e permette di collegare una enorme varietà di periferiche esterne per dati, video, audio con il massimo della velocità e delle funzionalità attualmente possibili.

Come abbiamo evidenziato nella pagina dedicata a Willow Cove, la microarchitettura di core di Tiger Lake non cambia molto rispetto a quella di Ice Lake e questa considerazione potrebbe far dubitare della portata innovativa dei nuovi processori. Per dissipare questi dubbi, alla convention Hot Chips 2020, Intel ha pubblicato maggiori informazioni sul die di Tiger Lake mettendolo a confronto con quello di Ice Lake.

Dal grafico si capisce chiaramente che, nonostante i core della CPU abbiano poche differenze, il resto del die è stato completamente (o quasi) riprogettato. In pratica i blocchi completamente nuovi corrispondono esattamente ai componenti del SoC che avevamo esaminato in seguito all'Intel Architecture Day: controller di memoria con supporto per LPDDR5, nuova GPU, I/O di ultima generazione con Thunderbolt 4, USB 4 e PCIe 4.0, display engine e IPU6. Molti di più sono i blocchi aggiornati, lasciando solo una manciata di blocchi invariati, tanto da poter concludere senza alcun dubbio che Intel Tiger Lake è un processore completamente nuovo.

Configurazioni

Update: Il contenuto della sezione "Configurazioni" è parziale. Si riferisce a informazioni trapelate prima del lancio ufficiale. Per un elenco completo dei nuovi processori Intel Core 11 Gen o Tiger Lake serie U (UP3) e serie Y (UP4) andate a leggere questo articolo.

Anche le CPU Intel Core Gen11 mantengono la ripartizione su tre fasce di prestazioni e di efficienza termica con Tiger Lake-Y per il segmento ultra-low-voltage, Tiger Lake-U per quello intermedio e Tiger Lake-H per quello full voltage.

I processori Intel Tiger Lake-Y hanno un TDP compreso fra 4,5W e 9W, 4 core e 8 thread, e come già succede oggi sono destinati a laptop ultrasottili ed ultraportatili che possono essere potenzialmente dissipati in maniera passiva. La GPU integrata è una Intel Gen12 Xe di fascia GT2, mentre secondo anticipazioni, il controller di memoria dovrebbe supportare solo moduli LPDDR4X. Se il dato fosse confermato sarebbe un vero disappunto perché le memorie LPDDR5 sarebbero perfette per la categoria di dispositivi alla quale questi chip si rivolgono.

Le varianti Intel Tiger Lake-U, fra le quali rientra anche il quad-core tipo che abbiamo usato come riferimento nel corso del nostro articolo, hanno un TDP compreso fra 15W e 28W, richiedono dissipazione attiva e rappresentano il perfetto bilanciamento fra portabilità, consumi e prestazioni. Anche in questo caso la GPU integrata è una Intel Xe Gen12 GT2, ma il controller di memoria è il grado di supportare le nuove LPDDR5 seppure ci si aspetti che queste memorie possano essere effettivamente montate su un numero risicatissimo di portatili premium.

Tiger Lake-U sarà il primo chip ad essere disponibile in volumi, seguito poi dai modelli a voltaggio standard (tipicamente 35W-65W) Tiger Lake-H che hanno fino ad 8 core 16 thread. I processori Tiger Lake-H sono destinati a notebook da gioco e per creativi ad alte prestazioni e saranno gli ultimi ad arrivare sul mercato, presumibilmente nella prima metà del 2021.

Update: Grazie a Geekbench disponiamo dei processor number dei primi processori Intel Tiger Lake disponibili in commercio e qualche informazione aggiuntiva sui sistemi che li ospiteranno:

Tutti i PC vendor adotteranno immediatamente la nuova piattaforma Intel, ed infatti nelle ultime ore sono numerossissimi i sistemi Acer, DELL, Lenovo etc. che sono stati aggiunti al database dei test e che hanno Intel Tiger Lake a bordo. Sono quasi tutti equipaggiati anche con sistema operativo Windows ma nell'elenco figura anche Google Volteer, una board di sviluppo per chromebook, laptop e convertibili con Chrome OS che a partire dal 2020 rientrano nel programma Intel Project Athena al pari delle altre categorie di PC portatili.