CPU一哥放手一搏！最新一代10nm重新定義晶體管

在 8 月 13 日的 Intel 架構(gòu)日新聞發(fā)布會(huì)上，Intel 首席架構(gòu)師 Raja Koduri 攜手多位英特爾院士和架構(gòu)師，詳細(xì)介紹了 Intel 在六大技術(shù)支柱方面所取得的進(jìn)展。

其中，10 納米 SuperFin 技術(shù)，可以說是 Intel 有史以來最為強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng)，帶來的性能提升可與全節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換相媲美。

此外，Intel 還公布了 Willow Cove 微架構(gòu)和用于移動(dòng)客戶端的 Tiger Lake SoC 架構(gòu)細(xì)節(jié)，并首次介紹了可實(shí)現(xiàn)全擴(kuò)展的 Xe 圖形架構(gòu)。這些創(chuàng)新的架構(gòu)可服務(wù)于消費(fèi)類、高性能計(jì)算以及游戲應(yīng)用市場(chǎng)。

重新定義 FinFET，10nm SuperFin 史上最強(qiáng)

在 10nm 制程工藝上，Intel 可以說是“精心打磨”。在 TSMC、三星電子致力于向 7nm/6nm/5nm 甚至更高級(jí)別工藝挺進(jìn)的時(shí)候，Intel 最新的技術(shù)升級(jí)能帶來哪些改觀呢？
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經(jīng)過多年對(duì) FinFET 晶體管技術(shù)的改進(jìn)，Intel 正在重新定義該技術(shù)。據(jù)介紹，10nm SuperFin 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型 FinFET 晶體管與 Super MIM（Metal-Insulator-Metal）電容器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了 Intel 歷史上最強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng)。

SuperFin 技術(shù)能夠提供增強(qiáng)的外延源極 / 漏極、改進(jìn)的柵極工藝和額外的柵極間距，并通過以下方式實(shí)現(xiàn)更高的性能：

• 增強(qiáng)源極和漏極上晶體結(jié)構(gòu)的外延長(zhǎng)度，從而增加應(yīng)變并減小電阻，以允許更多電流通過通道。
• 改進(jìn)柵極工藝以實(shí)現(xiàn)更高的通道遷移率，從而使電荷載流子更快地移動(dòng)。
• 提供額外的柵極間距選項(xiàng)可為需要最高性能的芯片功能提供更高的驅(qū)動(dòng)電流。
• 使用新型薄壁阻隔將過孔電阻降低了 30％，從而提升了互連性能表現(xiàn)。
• 與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比，在同等的占位面積內(nèi)電容增加了 5 倍，從而減少了電壓下降，顯著提高了產(chǎn)品性能。值得一提的是，該技術(shù)由一類新型的“高 K”（Hi-K）電介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，該材料可以堆疊在厚度僅為幾埃厚的超薄層中，從而形成重復(fù)的“超晶格”結(jié)構(gòu)，據(jù)稱該技術(shù)現(xiàn)在領(lǐng)先于其他芯片制造商。

Intel 方面透露，10nm SuperFin 技術(shù)將運(yùn)用于代號(hào)為“Tiger Lake”的下一代移動(dòng)處理器中。Tiger Lake 正在生產(chǎn)中，OEM 產(chǎn)品將在今年跨年的假日季期間上市。

Intel 同時(shí)透露了下一代處理器技術(shù)的路線圖，將主要針對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行優(yōu)化，具體細(xì)節(jié)未表，會(huì)在現(xiàn)有 10nm SuperFin 基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。
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先進(jìn)封裝仍是重要的差異化優(yōu)勢(shì)

業(yè)界之前并沒有在先進(jìn)封裝上投入太多精力，但近年來情況發(fā)生了變化。先進(jìn)封裝已成為各公司打造差異化優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要方面，以及一個(gè)能夠提升性能、提高功率、縮小外形尺寸和提高帶寬的機(jī)會(huì)。封裝不僅僅是制造過程的最后一步，它正在成為產(chǎn)品創(chuàng)新的催化劑。
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當(dāng)今大多數(shù)封裝技術(shù)中使用的是傳統(tǒng)的“熱壓結(jié)合（thermocompression bonding）”技術(shù)，而“混合結(jié)合（Hybrid bonding）”正在成為這一技術(shù)的替代品。

根據(jù) Intel 的最新發(fā)布，使用“混合結(jié)合”技術(shù)的測(cè)試芯片已在 2020 年第二季度流片，這項(xiàng)新技術(shù)能夠加速實(shí)現(xiàn) 10 微米及以下的凸點(diǎn)間距，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。

通過一系列基礎(chǔ)工具，包括將 EMIB 和 Foveros 技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用（Co-EMIB）、全方位互連（ODI）技術(shù)、和全新裸片間接口（MDIO）技術(shù)，Intel 仍在不斷將先進(jìn)封裝技術(shù)與制程工藝相結(jié)合，通過將芯片和小芯片進(jìn)行封裝，在新的多元化模塊中將各種 IP 和制程技術(shù)與不同的內(nèi)存和 I/O 單元進(jìn)行混搭，實(shí)現(xiàn)更靈活的芯片架構(gòu)。

下一代 CPU 微架構(gòu) Willow Cove 曝光

Willow Cove 是 Intel 的下一代 CPU 微架構(gòu)，基于最新的處理器技術(shù)和 10nm SuperFin 技術(shù)，在 Sunny Cove 架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提供超越代間 CPU 性能的提高，在頻率以及功率效率也有極大地提升。

它還將重新設(shè)計(jì)的緩存架構(gòu)引入到更大的非相容 1.25MB MLC 中，并通過 Intel 控制流強(qiáng)制技術(shù)（Control Flow Enforcement Technology）增強(qiáng)了安全性。

關(guān)于 Intel 的 Tiger Lake，之前就盛傳會(huì)在顯示技術(shù)、I/O 技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新。根據(jù)最新的發(fā)布來看，這些傳言都得到了驗(yàn)證。作為首個(gè)在 SoC 架構(gòu)中采用全新 Xe-LP 圖形微架構(gòu)的處理器，Tiger Lake 在關(guān)鍵計(jì)算矢量方面提供了智能性能和突破性進(jìn)展，它可以對(duì) CPU、AI 加速器進(jìn)行優(yōu)化，將使 CPU 性能得到超越一代的提升，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的 AI 性能提升、圖形性能飛躍，以及整個(gè) SoC 中一整套頂級(jí) IP，如全新集成的 Thunderbolt 4。
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Tiger Lake SoC 架構(gòu)提供：

• 全新 Willow Cove CPU 核心 - 基于 10nm SuperFin 技術(shù)，提升頻率。
• 新 Xe 圖形架構(gòu) - 具有 96 個(gè)執(zhí)行單元（EUs），每瓦性能效率顯著提高。
• 電源管理 - 一致性結(jié)構(gòu)中的自主動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS），提高了全集成電壓穩(wěn)壓器（FIVR）效率。
• 結(jié)構(gòu)和內(nèi)存–一致性結(jié)構(gòu)帶寬增加 2 倍，約 86GB/s 內(nèi)存帶寬，經(jīng)驗(yàn)證的 LP4x-4267、DDR4-3200；LP5-5400 架構(gòu)功能?。
• 高斯網(wǎng)絡(luò)加速器 GNA 2.0 專用 IP，用于低功耗神經(jīng)推理計(jì)算，減輕 CPU 處理。運(yùn)行音頻噪音抑制工作負(fù)載情況下，采用 GNA 推理計(jì)算的 CPU 利用率比不采用 GNA 的 CPU 低 20%。
• I/O- 集成 TB4/USB4，CPU 上集成 PCIe Gen 4，用于低延遲、高帶寬設(shè)備對(duì)內(nèi)存的訪問。
• 顯示 -64GB/s 的同步傳輸帶寬用于支持多個(gè)高分辨率顯示器。到內(nèi)存的專用結(jié)構(gòu)路徑，以保持服務(wù)質(zhì)量。
• IPU6-6 個(gè)傳感器，具有 4K 30 幀視頻、27MP 像素圖像；最高 4K90 幀和 42MP 像素圖像架構(gòu)功能。

這意味著，Tiger Lake 將比基于 Sunny Cove 架構(gòu)的上一代 Ice Lake 處理器實(shí)現(xiàn)飛躍，也使得與 AMD 基于 Zen3 架構(gòu)處理器的競(jìng)爭(zhēng)更加充滿看點(diǎn)。
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根據(jù) Intel 此次釋放出來的 CPU 架構(gòu)路線圖來看，Alder Lake 是下一代采用混合架構(gòu)的客戶端產(chǎn)品，它將結(jié)合英特爾即將推出的兩種架構(gòu)——Golden Cove 和 Gracemont，并將進(jìn)行優(yōu)化，以提供更好的效能功耗比。

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Xe 圖形架構(gòu)奠定基礎(chǔ)，首款針對(duì)數(shù)據(jù)中心的獨(dú)立 GPU 發(fā)布

基于 Xe 圖形架構(gòu)，Intel 詳細(xì)介紹了經(jīng)過優(yōu)化的 Xe-LP（低功耗）微架構(gòu)和軟件，可為移動(dòng)平臺(tái)提供高效的性能。

Xe-LP 是 Intel 目前針對(duì) PC 和移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的最高效架構(gòu)，最高配置 EU 單元達(dá) 96 組，并具有新架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括異步計(jì)算、視圖實(shí)例化（view instancing）、采樣器反饋（sampler feedback）、帶有 AV1 的更新版媒體引擎以及更新版顯示引擎等。

這將使新的終端用戶功能具備即時(shí)游戲調(diào)整（Instant Game Tuning）、捕捉與流媒體及圖像銳化。在軟件優(yōu)化方面，Xe-LP 將通過新的 DX11 路徑和優(yōu)化的編譯器對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。

據(jù)介紹，首款 Xe-HP 芯片已于實(shí)驗(yàn)室完成啟動(dòng)測(cè)試，將于明年推出，功能類似于多核 GPU。Xe-HP 是業(yè)界首個(gè)多區(qū)塊（multi-tiled）、高度可擴(kuò)展的高性能架構(gòu)，可提供數(shù)據(jù)中心級(jí)、機(jī)架級(jí)媒體性能，GPU 可擴(kuò)展性和 AI 優(yōu)化。涵蓋了從一個(gè)區(qū)塊（tile）到兩個(gè)和四個(gè)區(qū)塊的動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算。

針對(duì)低功耗系列的 Xe-LP，可以說是一個(gè)入門級(jí)的獨(dú)立 GPU 架構(gòu)。而 Xe 微架構(gòu)的變體——Xe-HPG，是一種專為游戲優(yōu)化的微架構(gòu)，結(jié)合了 Xe-LP 效能功耗比的構(gòu)建模塊，利用 Xe-HP 的可擴(kuò)展性對(duì) Xe-HPC 進(jìn)行了更強(qiáng)的配置和計(jì)算頻率的優(yōu)化。同時(shí)，Xe-HPG 添加了基于 GDDR6 的新內(nèi)存子系統(tǒng)以提高性價(jià)比，且將具有加速的光線跟蹤支持。

Xe-HPG 預(yù)計(jì)將于 2021 年開始發(fā)貨。在高端游戲市場(chǎng)，是否能與 AMD 的 RDNA 2 或英偉達(dá)的 Ampere 系列一較高下，值得關(guān)注。

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飽受期待的還有 Intel 在獨(dú)立 GPU 方面的創(chuàng)新，此次曝光的有 Server GPU（SG1），是 Intel 針對(duì)數(shù)據(jù)中心的首款基于 Xe 架構(gòu)的獨(dú)立圖形顯卡。SG1 通過實(shí)現(xiàn) 4 個(gè) DG1 的聚合，可以以很小的尺寸將性能提升至數(shù)據(jù)中心級(jí)別，以實(shí)現(xiàn)低延遲、高密度的安卓云游戲和視頻流。SG1 將于今年晚些時(shí)候發(fā)貨。

同時(shí)，首款基于 Xe 架構(gòu)的獨(dú)立圖形顯卡 DG1 也已投產(chǎn)，它是 Intel 首款基于 Xe-LP 微架構(gòu)、針對(duì) PC 的獨(dú)立圖形顯卡。有望按計(jì)劃于 2020 年開始交付。DG1 現(xiàn)在可在 Intel DevCloud 上供早期訪問用戶使用。

Intel 顯卡指揮中心（IGCC）也增加了新功能，包括即時(shí)游戲調(diào)整和游戲銳化。即時(shí)游戲調(diào)整是一個(gè)專用于游戲的驅(qū)動(dòng)，可以比以前更快地推送修復(fù)和優(yōu)化給最終用戶。而游戲銳化使用感知自適應(yīng)銳化，通過一種基于計(jì)算著色器的自適應(yīng)銳化算法提高游戲中的圖像清晰度。此功能對(duì)于使用分辨率縮放以平衡性能和圖像質(zhì)量的游戲尤其有用，是 IGCC 中的一項(xiàng)可選功能。

10nm Ice Lake 年底推出，下一代超算 CPU 仍內(nèi)置 AI 加速

數(shù)據(jù)中心處理器方面，首款基于 10nm 的至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器 Ice Lake 將于今年底推出。Ice Lake 產(chǎn)品將在跨工作負(fù)載的吞吐量和響應(yīng)能力方面提供強(qiáng)勁性能。它將帶來一系列技術(shù)，包括全內(nèi)存加密、PCIe Gen 4、8 個(gè)內(nèi)存通道等，以及可加快密碼運(yùn)算速度的增強(qiáng)指令集。Ice Lak 系列中也會(huì)推出針對(duì)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)的變體。

Sapphire Rapids 是 Intel 基于增強(qiáng)型 SuperFin 技術(shù)的下一代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，將提供眾多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，包括 DDR5、PCIe Gen 5、Compute Express Link 1.1 等。

據(jù)悉，Sapphire Rapids 將是美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室“極光”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（Aurora Exascale）中使用的 CPU，它將延續(xù)英特爾的內(nèi)置人工智能加速策略，使用一種名為先進(jìn)的矩陣擴(kuò)展（AMX）的新加速器。Sapphire Rapids 預(yù)計(jì)將于 2021 年下半年開始首批生產(chǎn)發(fā)貨。

FPGA 方面，Intel 展示了下一代 224G-PAM4 TX 收發(fā)器，以示其在先進(jìn) FPGA 技術(shù)上的不斷創(chuàng)新和連續(xù)三代收發(fā)器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
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oneAPI Gold 版本將于今年晚些時(shí)候推出

Intel 在軟件領(lǐng)域的策略是“一個(gè)架構(gòu)”，圍繞架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展。7 月發(fā)布的第八版的 oneAPI Beta，為分布式數(shù)據(jù)分析帶來了新的功能和提升，包括渲染性能、性能分析以及視頻和線程文庫。

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oneAPI Gold 版本將于今年晚些時(shí)候推出，為開發(fā)人員提供在標(biāo)量、矢量、距陣和空間體系結(jié)構(gòu)上保證產(chǎn)品級(jí)別的質(zhì)量和性能的解決方案。

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結(jié)語

在 2018 年的 Intel“架構(gòu)日”上，Intel 就提出了扎根于六大技術(shù)支柱——制程和封裝、架構(gòu)、內(nèi)存和存儲(chǔ)、互連、安全、軟件，將通過橫跨這六大技術(shù)的全方位計(jì)算創(chuàng)新，驅(qū)動(dòng)計(jì)算性能的指數(shù)級(jí)提升。

究其原因，不斷變化的市場(chǎng)和摩爾定律的現(xiàn)狀要求 Intel 必須進(jìn)行技術(shù)戰(zhàn)略變革，需要從傳統(tǒng)的“Tick-Tock”戰(zhàn)略模式走向更成熟、更適應(yīng)未來的新模式。

從這些最新公開的信息看，Intel 這六大技術(shù)支柱都在同步進(jìn)展中，并在引領(lǐng)業(yè)界進(jìn)入一個(gè)更多元的計(jì)算世界。而不論是晶體管創(chuàng)新，還是架構(gòu)升級(jí)，或是先進(jìn)封裝技術(shù)，全方位的計(jì)算創(chuàng)新才能滿足海量數(shù)據(jù)爆發(fā)對(duì)計(jì)算力的更高要求。