เส้นทางสู่ Intel Panther Lake (Core Ultra 300 Series) สถาปัตยกรรมซีพียูแบบไฮบริดรุ่นต่อไป

มีข่าวว่าอินเทลกำลังจะเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับซีพียู Panther Lake หรือที่ลือว่าจะมาในชื่อ Core Ultra 300 Series ในวันที่ 9 ตุลาคมนี้ (บ้านเราน่าจะเป็นวันที่ 10) วันนี้ก็เลยขอชวนคุณผู้อ่านมาติดตามเส้นทางของซีพียูที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบไฮบริดของอินเทลกันสักหน่อยครับ ดูความเป็นมาเริ่มต้นจนถึงปัจจุบัน ก็ถือว่าเป็นการทบทวนความรู้เดิมและเตรียมพร้อมก่อนจะไปเรียนรู้ข้อมูลใหม่ ๆ ในอีกสองสามวันข้างหน้าครับ

แต่เดิมอินเทลได้พัฒนาคอร์ประมวลผลแยกกันสำหรับแต่ละประเภทการใช้งานไว้ก่อนแล้ว สำหรับหน่วยประมวลผลประเภทต่าง ๆ โดยพัฒนาคอร์แบบประหยัดพลังงาน และคอร์ประสิทธิภาพสูง ซึ่งแต่เดิมก็ไม่ได้มีแนวคิดว่าจะนำมาใช้งานร่วมกันบนซีพียูตัวเดียวกัน แต่เป็นการแยกประเภทไปเลย

อย่างไรก็ตามพอมาถึงในยุคที่อุปกรณ์แบบพกพาต้องการประหยัดพลังงานมาก ๆ อินเทลจึงได้ทดลองนำคอร์ทั้งสองประเภทมาใช้งานร่วมกันภายในระบบเดียวกัน เริ่มต้นจาก Lakefield ที่ถือว่าเป็นต้นแบบและการทดลองแรกมีเฉพาะผลิตภัณฑ์บางกลุ่ม จากนั้นก็มี Alder Lake หรือ คอร์ เจนฯ 12 ซึ่งถือว่าเป็นการลงตลาดในระดับแมสของซีพียูแบบไฮบริดคือมีทั้งเดสก์ท็อปและโน้ตบุ๊ก จากนั้นก็ทำต่อเรื่อย ๆ กับ Raptor Lake, Meteor Lake, Lunar Lake และกำลังจะส่งต่อไปยัง Panther Lake

จุดเริ่มต้นของสถาปัตยกรรมไฮบริด

สถาปัตยกรรมไฮบริดของอินเทลเริ่มต้นขึ้นอย่างเป็นทางการด้วยชิป Lakefield (ประมาณ 5 ปีที่แล้ว) ซึ่งในขณะนั้นยังไม่มีการเรียกคอร์ว่า P-core หรือ E-core แต่มีคอร์ประเภทหนึ่งที่เน้นประสิทธิภาพเรียกว่า Big CPU และคอร์อีกอีกประเภทที่เน้นประหยัดพลังงานเรียกว่า Small CPU โดยมีจุดประสงค์หลักเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงสุดสำหรับผลิตภัณฑ์เฉพาะกลุ่ม อย่างไรก็ตาม จาก Lakefield ได้มีการเรียนรู้ที่สำคัญเกี่ยวกับการใช้งานด้านซอฟต์แวร์ การจัดการฮาร์ดแวร์ และการเปิดใช้งานระบบนิเวศซอฟต์แวร์ เพื่อให้รองรับแนวทางนี้ นอกจากเป็นการทดลองการผสมผสานคอร์ประมวลผลหลายประเภทแล้วในเวลานั้นยังเป็นการทดลองการผลิตชิปด้วยแนวคิดแบบ Stack + Modular คือการซ้อนทับกันของ Die และยังสามารถปรับเปลี่ยน Die หลายประเภทเข้าหรือออกตามความต้องการของชิปแต่ละตัวได้อีกด้วย

Alder Lake: ก้าวสำคัญสู่สถาปัตยกรรมไฮบริดเต็มรูปแบบ

Alder Lake หรืออินเทล คอร์ เจนฯ 12 ถือเป็นผลิตภัณฑ์ไฮบริดขนาดใหญ่ตัวแรกที่อินเทลนำเสนอ โดยเน้นการใช้ P-core และ E-core เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด การนำ E-core มาอยู่บนวงแหวน (ring) เดียวกันกับ P-cores และใช้เทคโนโลยีอย่าง Thread Director ช่วยในการจัดการการจัดสรรงาน (scheduling) ได้อย่างเหมาะสม และซีพียูระดับเรือธงมาพร้อมกับ 8 P-core และ 8 E-core รวมเป็น 16 เธรด นั้นได้รับการตอบรับที่ดี

การออกแบบระบบไฮบริดมีความซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับอินเทอร์เฟซและรูปแบบการจัดการพลังงานที่แตกต่างกันของ P-core และ E-core แม้ว่าคอร์ทั้งสองประเภทจะใช้ชุดคำสั่ง (ISA) เดียวกันเกือบร้อยเปอร์เซนต์ แต่ก็มีข้อกำหนดที่แตกต่างกัน โดย E-core มักจะมี CPU Clock หรือความถี่การทำงานที่ต่ำกว่าและเน้นการประหยัดพลังงานมากกว่า การจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพถือเป็นหัวใจสำคัญของความสำเร็จของสถาปัตยกรรมนี้

การพัฒนาของ E-core และ Low Power Island (LP E-core)

E-core ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ โดยเริ่มจาก Alder Lake, Meteor Lake, Arrow Lake และ Lunar Lake โดยมีทั้ง CPU Clock ของ E-core ที่เพิ่มขึ้นและและจำนวนของ E-core ที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้อินเทลยังได้พัฒนา “Low Power Island” ซึ่งเป็นส่วนที่แยกออกมาต่างหากบนชิปประมวลผล โดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานให้สูงสุดสำหรับการทำงานที่ไม่ซับซ้อน เช่น การดูวิดีโอหรือการประชุมออนไลน์ ซึ่งช่วยให้สามารถปิด P-core และ E-core ประหยัดพลังงานได้มากขึ้น หรือเวลาที่อยู่ในโหมด standby

ถ้าดูในรูปด้านล่างนี้ (กรอบสีเขียว) เราจะเห็นได้ว่า Low Power Island หรือ LP E-core นั้นจะแยกออกมาจาก Compute Tile ซึ่งเป็นตำแหน่งของแกนประมวลผลหลังอย่าง P-core และ E-core การทำแบบนี้จะทำให้ซีพียูสามารถทำการเปิด Compute Tile ลงไปได้แบบ 100% ในกรณีที่ไม่มีงานที่ต้องใช้เวิร์คโหลดขนาดหนัก โดยใช้การประมวลผลเบา ๆ ทำงานอยู่บน SoC Tile ที่เชื่อมต่อกับส่วนควบคุมต่าง ๆ แทน ทำให้ระบบทั้งหมดยังคงความสามารถในการประมวลผลไว้ได้ ไม่ว่าจะเป็นการแสดงผลบนหน้าจอ หรือการเข้าถึงข้อมูลในหน่วยความจำ (RAM) ก็ยังทำงานได้ตามปกติโดยไม่ได้รับผลกระทบ

Low Power Island ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยเริ่มจาก Meteor Lake ที่มี LP E-core สองตัว และขยายไปสู่ Lunar Lake ที่มี LP E-cores สี่ตัว เพื่อรองรับงานที่หลากหลายมากขึ้น การพัฒนานี้รวมถึงการปรับปรุงซอฟต์แวร์เพื่อให้สามารถใช้ประโยชน์จาก Low Power Island ได้อย่างเต็มที่ โดยมีแนวคิดการจัดสรรงานแบบ “Heteroscheduling” ซึ่งช่วยให้ระบบปฏิบัติการสามารถเลือกใช้คอร์ที่เหมาะสมที่สุดตามสถานการณ์ เช่น การใช้ LP E-core บน Low Power Island เมื่อต้องการประหยัดพลังงาน หรือย้ายไปใช้ P-core บน Compute Tile เมื่อต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

Thread Director: ระบบจัดการการจัดสรรงานอัจฉริยะ

เมื่อมีคอร์ประมวลหลายแบบ อินเทลจำเป็นต้องเพิ่มสิ่งที่เรียกว่า “Thread Director” เข้ามา ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่อินเทลพัฒนาขึ้นเพื่อช่วยให้ระบบปฏิบัติการ (OS) สามารถจัดสรรงานไปยังคอร์ประมวลผลที่เหมาะสมที่สุดได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยอาศัยข้อมูลที่ได้รับจากฮาร์ดแวร์เกี่ยวกับประสิทธิภาพและข้อจำกัดของแต่ละคอร์ ระบบนี้จะส่ง “คำแนะนำ” (hint) ไปยัง OS เพื่อให้ตัดสินใจเลือกคอร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละเธรด (thread) ของงาน ลดภาระของ OS ในการต้องจัดการรายละเอียดปลีกย่อยของฮาร์ดแวร์แต่ละรุ่น กระบวนการของ Thread Director เองก็มีการปรับเปลี่ยนไปตามความเหมาะสมของสถาปัตยกรรมซีพียูในแต่ละรุ่นด้วยเช่นกัน

การพัฒนาสถาปัตยกรรมไฮบริดและ Thread Director ต้องอาศัยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับพันธมิตร โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ Microsoft ซึ่งเป็นผู้พัฒนาระบบปฏิบัติการหลัก Intel ได้ทำงานร่วมกับ Microsoft อย่างใกล้ชิดเพื่อพัฒนาอินเทอร์เฟซและกลไกการสื่อสารที่เหมาะสม เพื่อให้ OS สามารถใช้ประโยชน์จากคำแนะนำของ Thread Director ได้อย่างเต็มที่ นอกจากนี้ยังมีการทำงานร่วมกับผู้ผลิต OEM และผู้พัฒนารายอื่นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าซอฟต์แวร์และระบบสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่น

ประโยชน์ของ Thread Director และการจัดการพลังงาน

Thread Director ช่วยให้ผู้ใช้ได้รับทั้งประสิทธิภาพและความประหยัดพลังงาน โดยการจัดสรรงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงไปยัง P-cores และงานที่ไม่ซับซ้อนไปยัง E-cores นอกจากนี้ยังช่วยในการจัดการพลังงาน โดยสามารถแนะนำให้ OS ใช้ E-cores ที่อยู่ใน “Low Power Island” ซึ่งประหยัดพลังงานมากกว่า ในกรณีที่ระบบทำงานโดยใช้พลังงานแบตเตอรี่ การทำงานร่วมกันระหว่างฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ผ่าน Thread Director ช่วยให้ระบบสามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาวะแวดล้อมการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น การทำงานแบบเสียบปลั๊กหรือใช้แบตเตอรี่ เพื่อให้ได้ประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด

Intel ได้เปิดโอกาสให้ลูกค้า เช่น OEM สามารถปรับแต่งการทำงานของระบบได้มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของการจัดการพลังงาน ระบบสามารถรับ “เจตนา” (intent) จากแพลตฟอร์ม เช่น การเลือกโหมด “Cool and Quiet” หรือการแจ้งเตือนเมื่อระบบมีความร้อนสูงเกินไป เพื่อนำไปปรับการจัดการพลังงานและทรัพยากร เช่น ความถี่ของคอร์ ให้เหมาะสมกับความต้องการของผู้ใช้งาน โดยไม่กระทบต่อประสบการณ์การใช้งานที่คาดหวัง

ความท้าทายในการพัฒนาและเป้าหมายสู่ Panther Lake

ความท้าทายที่สำคัญในการพัฒนาสถาปัตยกรรมไฮบริดคือการรวมสองสถาปัตยกรรมไมโครที่แตกต่างกันบนชิปเดียว การจัดการการจัดสรรงานให้เหมาะสม และการพัฒนาระบบนิเวศซอฟต์แวร์ Intel ได้ใช้แพลตฟอร์มจำลอง (emulation platforms) เพื่อทดสอบและปรับปรุงอินเทอร์เฟซก่อนที่จะได้ชิปจริง ทำให้มั่นใจได้ว่าระบบจะทำงานได้อย่างถูกต้องตั้งแต่เริ่มต้น สำหรับอนาคต Intel มุ่งมั่นที่จะพัฒนาคอร์ประมวลผลให้มีความคล้ายคลึงกันมากขึ้น เพื่อให้การพัฒนาและการทำงานร่วมกันมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น และส่งมอบประสบการณ์การใช้งานที่ดียิ่งขึ้นให้กับผู้ใช้งาน

ทั้งหมดที่นำเสนอมานี้ก็คิดว่าน่าจะพอทำให้คุณผู้อ่านได้เห็นแนวทางในการพัฒนาซีพียูที่ใช้สถาปัตยกรรมแบบไฮบริดของอินเทลกันมากขึ้นแล้วนะครับ และอย่างที่กล่าวไว้ในต้นบทความว่าอีกสองสามวันเราได้เห็นการเปิดเผยข้อมูลที่มากขึ้นของ Panther Lake ซึ่งจะเป็นซีพียูสำหรับแล็ปท็อปหรือโน้ตบุ๊กรุ่นถัดไปของอินเทล ซึ่งในเบื้องต้นอินเทลเคยเปิดเผยมานิดหน่อยในงานของ Acer ว่า Panther Lake จะเป็นการผสานประสิทธิภาพของ Core Ultra H/HX (Arrow Lake-H) ที่มุ่งเน้นเรื่องประสิทธิภาพ และ Core Ultra 200V (Luna Lake) ที่เน้นการประหยัดพลังงาน เข้าด้วยกันนั่นหมายความว่าต่อไปบนแพลตฟอร์มแล็ปท็อปอินเทลจะมีสถาปัตยกรรมเดียวนั่นคือ Panther Lake เท่านั้น ซึ่งก็เป็นเรื่องดีเพราะเราไม่ต้องไปเสียเวลาเปรียบเทียบคุณสมบัติในการทำงานในเชิงลึกมากนัก

อ้อ! แต่ก็จะลืมไม่ได้เพราะในอนาคตอินเทลเองก็จะมีซีพียูเพิ่มขึ้นมาอีกหนึ่งสายการผลิตนั่นก็คือชิป SoC ที่ใช้ CPU x86 ของอินเทล รวมกับ iGPU ที่เป็น RTX ของ NVIDIA เข้ามาอยู่ในสมการด้วย แต่กว่าจะถึงวันนั้นก็คงจะมีเวลาอีกสักปี เอาเป็นว่าตอนนี้เรามาตั้งตารอการมาของ Panther Lake กันก่อนดีกว่าครับ

---

ภาคผนวก รหัสคอร์ซีพียู ที่แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างของการใช้ P-core, E-core และ LP E-core

ชื่อรหัสของ P-Core และ E-Core ของ Intel มีการเปลี่ยนแปลงตามแต่ละเจเนอเรชัน โดยเริ่มต้นจาก Golden Cove และ Gracemont ใน Alder Lake จนถึง Lion Cove และ Skymont ใน Arrow Lake และ Lunar Lake

P-Core (Codename)

Generation	Codename	ปีเปิดตัว
Alder Lake	Golden Cove	2021
Raptor Lake	Raptor Cove	2022
Meteor Lake	Redwood Cove	2023
Arrow Lake	Lion Cove	2024
Lunar Lake	Lion Cove (Refresh)	2024
Panther Lake (คาดการณ์)	Cougar Cove	2025+

E-Core (Codename)

Generation	Codename	ปีเปิดตัว
Alder Lake	Gracemont	2021
Raptor Lake	Gracemont (Refresh)	2022
Meteor Lake	Crestmont	2023
Arrow Lake	Skymont	2024
Lunar Lake	Skymont (Refresh)	2024
Panther Lake (คาดการณ์)	Darkmont	2025+

• Golden Cove เป็น P-Core รุ่นแรกที่ใช้ในสถาปัตยกรรม Hybrid ของ Intel
• Gracemont เป็น E-Core รุ่นแรกที่เน้นประหยัดพลังงานและรองรับงานเบา ๆ
• Lion Cove และ Skymont เป็นชื่อรหัสล่าสุดที่ใช้ใน Arrow Lake และ Lunar Lake ซึ่งเป็นเจเนอเรชันใหม่ที่ใช้ Intel 3 node และเน้นประสิทธิภาพสูงในอุปกรณ์พกพา

LP E-Core (Codename)

Generation	LP E-Core Codename	สถาปัตยกรรมหลัก
Meteor Lake	Crestmont	Intel 4
Lunar Lake / Arrow Lake	Skymont	Intel 20A

• Crestmont: ปรากฏใน Meteor Lake ซึ่งเป็นชิปแบบ Multi-Tile ตัวแรกของ Intel โดย LP E-Core อยู่ใน SoC Tile
• Skymont: เป็นรุ่นต่อไปที่ใช้ใน Arrow Lake และ Lunar Lake โดยเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพต่อวัตต์และรองรับงาน AI เบื้องต้น
• รองรับ VNNI (Vector Neural Network Instructions) สำหรับงาน AI เบื้องต้น
• ไม่รองรับ AVX-512 เพื่อประหยัดพลังงานและลดความซับซ้อนของวงจร