英特爾沒(méi)輸！將用這些重磅技術(shù)“渡劫”！

自從英特爾2020年Q2財(cái)報(bào)中證實(shí)，7nm發(fā)布日期延期半年，量產(chǎn)推遲近一年后，業(yè)界對(duì)于英特爾的討論的聲音越來(lái)越大，一方面，交火目標(biāo)集中在14nm和10nm的制程更替不符合 “Tick-Tock”的規(guī)律；另一方面，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不斷壓縮制程精度的數(shù)字大小，從數(shù)字上來(lái)看Intel的比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手大。

作為稱霸半導(dǎo)體各大榜單的“老大”，其實(shí)這半年過(guò)的很辛苦，從股價(jià)被反超再到有人質(zhì)疑IDM模式，許多應(yīng)當(dāng)憑心對(duì)比整財(cái)年?duì)I收、凈利或從整體分析的點(diǎn)，都被無(wú)限放大，并被人稱“英特爾輸了”。

事實(shí)上，延期背后其實(shí)還潛藏著更令人期待的革新。就在昨夜，英特爾放出大招，在2020年架構(gòu)日上公布下一代“Tiger Lake”將用到升級(jí)版的10nm SuperFin技術(shù)，并順勢(shì)發(fā)布了1個(gè)全新封裝技術(shù)和5個(gè)全新架構(gòu)和配套軟件革新！

英特爾真的如大家分析的一樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩到后排去了嗎？21ic家今天來(lái)詳細(xì)剖析一下業(yè)界較為集中交火的幾個(gè)點(diǎn)。

01

英特爾到底發(fā)布了哪些重磅產(chǎn)品？

作為IDM廠商，最大的優(yōu)勢(shì)便是能夠一條線生產(chǎn)“產(chǎn)業(yè)鏈”的所有器件，而扎根于英特爾的“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。

也就是說(shuō)，與數(shù)據(jù)處理相關(guān)的所有器件都被英特爾承包了，越來(lái)越講求整體協(xié)同的半導(dǎo)體行業(yè)，整套的方案必然能發(fā)揮出更加出色的性能，畢竟“沒(méi)有人比我更懂我自己”。

“六大技術(shù)支柱”也是本次發(fā)布會(huì)圍繞的重點(diǎn)，具體發(fā)布的技術(shù)為：

1、制程：10nm SuperFin技術(shù)

這是一項(xiàng)可以完美媲美制程節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的技術(shù)，是一項(xiàng)從通道到互連的整個(gè)過(guò)程堆棧的創(chuàng)新，是英特爾增強(qiáng)型FinFET晶體管與Super MIM（Metal-Insulator-Metal）電容器的結(jié)合，將用于“Tiger Lake”的英特爾下一代移動(dòng)處理器中。

值得一提的是，Tiger Lake正在生產(chǎn)中，OEM的產(chǎn)品將在假日季上市。

圖1：SuperFin和Tiger Lake相輔相成

2、封裝：“混合模式”測(cè)試芯片

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)，混合結(jié)合是這一技術(shù)的替代品。

之前21ic家也曾經(jīng)介紹過(guò)英特爾封裝的兩“巨星”：其一是，EMIB、Foveros和兩個(gè)技術(shù)相結(jié)合的Co-EMIB技術(shù)，主要是將超過(guò)兩個(gè)不同的裸片進(jìn)行水平或垂直方向的疊加；另一個(gè)便是全方位互連技術(shù)（ODI），該技術(shù)可以為上下兩片裸片協(xié)調(diào)做到面積統(tǒng)一。

如今英特爾最新發(fā)布的“混合模式”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。

使用“混合結(jié)合（Hybrid bonding）”技術(shù)的測(cè)試芯片已在2020年第二季度流片。

圖2：英特爾封裝技術(shù)路線圖

3、架構(gòu)：CPU+獨(dú)立GPU+FPGA+AI加速器

①    Willow Cove架構(gòu)：

這項(xiàng)架構(gòu)主要針對(duì)的是最新處理器技術(shù)和10nm SuperFin技術(shù)，是英特爾的下一代CPU微架構(gòu)，在Sunny Cove架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提供超越代間CPU性能的提高，極大地提升了頻率以及功率效率。

值得注意的是，這一架構(gòu)重新設(shè)計(jì)了緩存體系結(jié)構(gòu)，引入到了更大的非相容1.25MB MLC中，并通過(guò)英特爾控制流強(qiáng)制技術(shù)（Control Flow Enforcement Technology）增強(qiáng)了安全性。

從結(jié)構(gòu)上看，通過(guò)保持低延遲的雙環(huán)微架構(gòu)、50%的LLC增加到非Cache，光纖的相干帶寬增加了2倍以上；從內(nèi)存上看，雙存儲(chǔ)子系統(tǒng)和高達(dá)86GB/s的內(nèi)存帶寬增加了整個(gè)內(nèi)存子系統(tǒng)的可用帶寬，支持LP4x-4267、DDR4-3200，最高支持LP5-5400體系結(jié)構(gòu)，另外英特爾®總內(nèi)存加密技術(shù)可抵御硬件攻擊。

圖3：Willow Cove架構(gòu)

圖4：Willow Cove架構(gòu)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)存

②    Tiger Lake CPU架構(gòu)：

最新架構(gòu)Tiger Lake最大的亮點(diǎn)就是，它是第一個(gè)SoC架構(gòu)中采用全新 Xe-LP圖形微架構(gòu)。得益于此，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、圖形性能巨大飛躍，以及整個(gè)SoC 中一整套頂級(jí) IP，如全新集成的Thunderbolt 4。

圖5：Tiger Lake的結(jié)構(gòu)和內(nèi)存

③    混合架構(gòu)：

Alder Lake是英特爾的下一代采用混合架構(gòu)的客戶端產(chǎn)品。Alder Lake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，以提供出色的效能功耗比。

④    Xe 圖形架構(gòu)

Xe圖形架構(gòu)系列產(chǎn)品便是英特爾最新推出的獨(dú)立顯卡所使用的架構(gòu)，目前首款基于Xe架構(gòu)的獨(dú)立圖形顯卡DG1已投產(chǎn)，并有望按計(jì)劃于2020年開(kāi)始交付；而首款針對(duì)數(shù)據(jù)中心的顯卡SG1（Server GPU）很快將會(huì)投產(chǎn)，并在今年晚些時(shí)候發(fā)貨，是4個(gè)DG1的聚合。

獨(dú)立顯卡Xe架構(gòu)一共有三種定位：

● Xe-LP（低功耗）：定位為PC和移動(dòng)平臺(tái)最高效架構(gòu)，DG1便是基于此種架構(gòu)。最高配置EU單元多達(dá)96組，新架構(gòu)設(shè)計(jì)上包括異步計(jì)算、視圖實(shí)例化、采樣器反饋、帶有AV1的更新版媒體引擎以及更新版顯示引擎等；在軟件優(yōu)化方面，將通過(guò)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)。

● Xe-HP：定位為數(shù)據(jù)中心級(jí)、機(jī)架級(jí)媒體性能架構(gòu)，能夠提供GPU可擴(kuò)展性和AI優(yōu)化，Xe HP將于明年推出。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，其功能類(lèi)似于多核GPU。

● Xe-HPG：定位為專用于游戲優(yōu)化的微架構(gòu)，Xe-HPG預(yù)計(jì)將于2021年開(kāi)始發(fā)貨。技術(shù)參數(shù)上，添加了GDDR6的新內(nèi)存子系統(tǒng)提高性價(jià)比，支持光線追蹤。是利用Xe-HP的擴(kuò)展性，結(jié)合了Xe-LP的微架構(gòu)變體。

圖6：Xe架構(gòu)中三種微架構(gòu)

⑤    數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

包括Ice Lake、Sapphire Rapids、224G-PAM4 TX收發(fā)器。

● Ice Lake是首款基于10nm的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，預(yù)期將于2020年底推出。

● Sapphire Rapids是英特爾基于增強(qiáng)型SuperFin技術(shù)的下一代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，將提供領(lǐng)先的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，包括DDR5、PCIe Gen 5、Compute Express Link 1.1等，預(yù)計(jì)將于2021年下半年開(kāi)始首批生產(chǎn)發(fā)貨。

● 英特爾現(xiàn)在擁有世界上第一臺(tái)下一代224G-PAM4 TX收發(fā)器，展現(xiàn)了其在先進(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。

4、軟件：oneAPI Gold版本

oneAPI Gold版本將于今年晚些時(shí)候推出，為開(kāi)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。英特爾于7月發(fā)布了其第八版的oneAPI Beta，為分布式數(shù)據(jù)分析帶來(lái)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(kù)。 DG1獨(dú)立GPU當(dāng)前在英特爾®DevCloud上可供部分開(kāi)發(fā)人員使用，其中包含DG1文庫(kù)和工具包，來(lái)使他們能夠在擁有硬件之前就開(kāi)始使用oneAPI編寫(xiě)DG1相關(guān)的軟件。

圖7：oneAPI 整體框架

02

仍然是圍繞數(shù)據(jù)進(jìn)行創(chuàng)新

上文也有提及在先進(jìn)制程上的兩大交火點(diǎn)，誠(chéng)然，先進(jìn)制程數(shù)字做的越來(lái)越好看，也是先進(jìn)的一種表現(xiàn)，但英特爾所考慮的方向并非如此。

為何自從14nm后，便沒(méi)有遵循“Tick-Tock”規(guī)律？根據(jù)英特爾的解釋，在技術(shù)升級(jí)上，英特爾考慮的是市場(chǎng)的用量和數(shù)據(jù)的需求量?，F(xiàn)如今，在5G、AIoT以及數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展下，數(shù)據(jù)量到2025年會(huì)暴增到175ZB，市場(chǎng)需求的并不是單一節(jié)點(diǎn)的制程升級(jí)，而是XPU+存儲(chǔ)+先進(jìn)封裝+的一整套數(shù)據(jù)解決方案。

這種數(shù)據(jù)解決方案也就照應(yīng)了英特爾之前反復(fù)強(qiáng)調(diào)的：“英特爾早已不再只是一家以PC為中心的公司，而是轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)為中心的公司?！?

21ic家認(rèn)為，一味較真制程精度數(shù)字大小并不是評(píng)判性能的唯一標(biāo)準(zhǔn)，英特爾的IDM模式的優(yōu)勢(shì)在于整套系統(tǒng)發(fā)揮的性能。

單拿最新的Tiger Lake這一SoC架構(gòu)來(lái)說(shuō)，高達(dá)112Gbps的先進(jìn)封裝技術(shù)、媲美節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換的10nm SuperFin技術(shù)、高達(dá)96個(gè)執(zhí)行單元的Xe圖形架構(gòu)、約86GB/s內(nèi)存帶寬、高斯網(wǎng)絡(luò)加速器GNA 2.0專用IP、CPU上集成PCIe Gen 4……這些統(tǒng)統(tǒng)都放在一個(gè)SoC架構(gòu)中，單做加法就早已遠(yuǎn)超同級(jí)產(chǎn)品水平，何況這種架構(gòu)還進(jìn)一步突破了性能。

除此之外，無(wú)論是性能上來(lái)講，還是從穩(wěn)定性、適配性、更替性上來(lái)說(shuō)，一整套方案都具有天生的優(yōu)勢(shì)。另外，整套系統(tǒng)的協(xié)同作戰(zhàn)還有一個(gè)好處，即開(kāi)發(fā)者可用一套軟件一站開(kāi)發(fā)，這便是oneAPI，隨著版本更迭至Gold，全新架構(gòu)也都被囊括其中。

當(dāng)然，這也不是說(shuō)制程節(jié)點(diǎn)就沒(méi)有必要發(fā)展了，接下來(lái)就剖析一下英特爾最新發(fā)布的SuperFin技術(shù)。

03

反復(fù)打磨的精品10nm制程

時(shí)下先進(jìn)制程技術(shù)方面，使用的均為FinFET（Field-effect transistor）技術(shù)，7nm是FinFET的物理極限，但得益于深紫外（DUV）和極紫外（EUV），制程得以突破7nm、5nm，另外臺(tái)積電還表示，決定仍讓3nm制程維持FinFET架構(gòu)。

而從3nm切換2nm這個(gè)階段，由于晶體管溝道進(jìn)一步縮短，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)將會(huì)遭遇量子隧穿效應(yīng)的限制。業(yè)界普遍認(rèn)為GAA-FET（gate-all-around Field-Effect Transistor）將會(huì)是3nm FinFET之后的路。

不過(guò)在這一過(guò)程中，F(xiàn)inFET其實(shí)在技術(shù)上仍然有完善的空間，且不說(shuō)要到2nm階段才要轉(zhuǎn)向新的設(shè)計(jì)，何況早有證實(shí)，英特爾10nm性能與臺(tái)積電7nm性能相當(dāng)。在技術(shù)加持下，英特爾的10nm SuperFin性能或許比想象中還要更強(qiáng)大。

SuperFin其實(shí)是兩種技術(shù)的疊加，即Super MIM（Metal-Insulator-Metal）電容器+增強(qiáng)型FinFET晶體。

從參數(shù)上來(lái)看，增強(qiáng)型FinFET擁有M0和M1處關(guān)鍵層0.51倍的密度縮放、單元更小晶體密度更高、通孔電阻降低2倍、最低的兩個(gè)金屬層提高5-10倍電遷移。

圖8：FinFET的革新

而在Super MIM方面，使用新型薄壁阻隔將過(guò)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。 該技術(shù)由一類(lèi)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)。 這是一項(xiàng)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)，領(lǐng)先于其他芯片制造商的現(xiàn)有能力。

圖9：SuperMIM技術(shù)被應(yīng)用

事實(shí)上，2011年起Intel便率先在第三代酷睿處理器上使用22nm FinFET，引導(dǎo)FinFET成為主流。不難發(fā)現(xiàn)，英特爾繼續(xù)推進(jìn)FinFET技術(shù)改良，反復(fù)打磨10nm制程，保證在這一制程節(jié)點(diǎn)取勝后再穩(wěn)步進(jìn)入下一制程節(jié)點(diǎn)。

但仍需注意的是，制程在命名之中也存在一些“貓膩”，這被行業(yè)人士稱之為“納米游戲”。2017年，Intel時(shí)任工藝架構(gòu)和集成總監(jiān)Mark Bohr便發(fā)文呼吁晶圓廠商們要建立一套統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)給先進(jìn)的制程命名，需要注意的是Mark Bohr還是電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的院士，并榮獲2012年IEEE的西澤潤(rùn)一獎(jiǎng)和2003年IEEE的安迪·格魯夫獎(jiǎng)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，代工廠的納米節(jié)點(diǎn)命名和英特爾所命名的并不能直接進(jìn)行比較。20世紀(jì)60年代到90年代末，制程節(jié)點(diǎn)指的還是柵極長(zhǎng)度，但其實(shí)從1997年開(kāi)始，柵極長(zhǎng)度和半節(jié)距就不再與過(guò)程節(jié)點(diǎn)名稱匹配，之后的制程節(jié)點(diǎn)只是代表著摩爾定律所指的晶體管密度翻倍。

很多情況下，即使晶體管密度增加很少，仍然會(huì)為自己制程工藝命名新名，但實(shí)際上并沒(méi)有位于摩爾定律曲線的正確位置。

實(shí)際上，英特爾確實(shí)在2017年引入了晶體管每平方毫米以及SRAM單元尺寸作為客觀的對(duì)比指標(biāo)，臺(tái)積電7nm為90 MTr/mm2，而英特爾的10nm為100 MTr/mm2，這也就能解釋為什么英特爾的10nm和7nm性能相當(dāng)。

臺(tái)積電營(yíng)銷(xiāo)負(fù)責(zé)人Godfrey Cheng其實(shí)曾經(jīng)也親口承認(rèn)，從0.35微米開(kāi)始，工藝數(shù)字代表的就不再是物理尺度，而7nm/N7只是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的屬于而已，此后還會(huì)有N5等說(shuō)法。同時(shí)，他表示也確實(shí)需要尋找一種新的語(yǔ)言來(lái)對(duì)工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行描述。

但從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，在引入SuperFin技術(shù)之前，英特爾10nm技術(shù)便與臺(tái)積電7nm性能相當(dāng)，所以大膽猜測(cè)在引用這項(xiàng)技術(shù)之后，或許能夠媲美6nm也不是不可能。而這項(xiàng)搭載這項(xiàng)技術(shù)的Tiger Lake正在生產(chǎn)中，OEM的產(chǎn)品將在假日季上市，所以說(shuō)英特爾其實(shí)在制程上并沒(méi)有落后。

04

從整個(gè)生態(tài)上來(lái)講

摩爾定律是英特爾的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出的，當(dāng)時(shí)的理論是每隔18-24個(gè)月晶體管數(shù)量將增加一倍，而隨著技術(shù)發(fā)展這一發(fā)展似乎逐漸放緩；而時(shí)至2000年，登納德縮放比例定律（Dennard scaling）逐漸進(jìn)入瓶頸，頻率很難再進(jìn)一步改善，此時(shí)所有CPU和計(jì)算機(jī)最多只能到達(dá)2~4Ghz的速度，并且維持了10年之久仍未有提升；為提升應(yīng)用性能，后使用多核CPU，使得問(wèn)題從硬件轉(zhuǎn)向軟件，但由于阿達(dá)姆爾定律，效能功率沒(méi)有辦法進(jìn)一步提升。

到這種境地之下，到底有什么方法“渡劫”？事實(shí)上摩爾在提出摩爾定律之時(shí)，也提出了在摩爾定律接近物理極限時(shí)要轉(zhuǎn)向異構(gòu)計(jì)算。

這也便引申了上文的話題，英特爾面向的一直是數(shù)據(jù)，實(shí)際上單單通過(guò)制程精度已然不是增加計(jì)算速度最快的方法。

通過(guò)英特爾近幾年集中發(fā)布的新品也不難發(fā)現(xiàn)，這幾年英特爾反而更貼近FPGA、eASIC、ASIC、AI加速器、獨(dú)立GPU，而這些恰恰是異構(gòu)計(jì)算中不可或缺的一部分。聯(lián)結(jié)這一切的軟件生態(tài)，便是oneAPI。

最簡(jiǎn)單的證明方法就是用一張圖來(lái)概括如今的英特爾，無(wú)論是從營(yíng)收上逐步靠攏數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還是從整個(gè)生態(tài)上來(lái)講，英特爾對(duì)于數(shù)據(jù)的整體方案上重視程度越來(lái)越高了：

圖10：英特爾的六大支柱和各項(xiàng)技術(shù)

從英特爾角度來(lái)看客戶，客戶自80年代開(kāi)始，逐步追求數(shù)字化、聯(lián)網(wǎng)化、移動(dòng)化、云端化，而未來(lái)客戶2.0追求的則是沉浸式體驗(yàn)的智能化，這催生了IP/SoC方法論的變更。

過(guò)去，單片的SoC開(kāi)發(fā)3-4年，硅片中可以發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)錯(cuò)誤并且不可重復(fù)使用，而通過(guò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)裸片的互連和IP相結(jié)合的方式，不僅縮短了研發(fā)時(shí)間、減少錯(cuò)誤率，可復(fù)用性也逐漸成為現(xiàn)今最佳的方式。

而這也正是英特爾目前強(qiáng)調(diào)的方向，種種優(yōu)勢(shì)這也足以說(shuō)明建立強(qiáng)大生態(tài)才是時(shí)下最應(yīng)做好的事情。

圖11：IP/SoC方法論正在改變

文行至此，仍需強(qiáng)調(diào)，英特爾在制程方面的演進(jìn)還是跟隨市場(chǎng)的需求，其著眼的關(guān)鍵點(diǎn)仍然是整體的生態(tài)和良好整體數(shù)據(jù)處理能力。繞回制程來(lái)說(shuō)，在架構(gòu)和技術(shù)的支持下，英特爾的10nm也遠(yuǎn)比想象中強(qiáng)大的多，最終的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)仍然需要從整套發(fā)揮的性能上來(lái)講。