英特爾全新晶體管性能提升可媲美節(jié)點(diǎn)升級(jí)！計(jì)算架構(gòu)新黃金十年開啟？

英特爾首席架構(gòu)師Raja Koduri和多位英特爾院士、架構(gòu)師在英特爾2020年架構(gòu)日上詳細(xì)介紹了英特爾在六大技術(shù)支柱方面的最新進(jìn)展。

首次展示了英特爾全新的10nm SuperFin技術(shù)，并首次介紹了可實(shí)現(xiàn)全擴(kuò)展的Xe圖形架構(gòu)，還有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)，先進(jìn)封裝技術(shù)、混合架構(gòu)等。

英特爾在架構(gòu)日上展示的制程&封裝、XPU架構(gòu)、內(nèi)存&存儲(chǔ)、互聯(lián)、安全、軟件的進(jìn)展，是否表明了英特爾開啟了計(jì)算架構(gòu)創(chuàng)新的黃金十年？

全新10nm SuperFin技術(shù)可媲美節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換

智能化時(shí)代快速增長的算力需求與先進(jìn)制程提升的速度之間的差距越來越大，晶體管的微縮也面臨著越來越多的物理極限挑戰(zhàn)，業(yè)界正通過技術(shù)創(chuàng)新去解決挑戰(zhàn)。

Raja Koduri表示，經(jīng)過多年對FinFET晶體管技術(shù)的改進(jìn)，英特爾正在重新定義該技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其歷史上最強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng)，帶來的性能提升可與完全節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換相媲美。

英特爾推出的全新晶體管技術(shù)10nm SuperFin技術(shù)實(shí)現(xiàn)了英特爾增強(qiáng)型FinFET晶體管與Super MIM（Metal-Insulator-Metal）電容器的結(jié)合。

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。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)。

Raja說：“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?！?/p>

據(jù)悉，10nm SuperFin技術(shù)將運(yùn)用于代號(hào)為“ Tiger Lake”的英特爾下一代移動(dòng)處理器中。搭載Tiger Lake移動(dòng)處理器的產(chǎn)品將在今年假日季上市。

晶體管技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，更為重要的可能是架構(gòu)創(chuàng)新。去年2017 年圖靈獎(jiǎng)的兩位得主 John L. Hennessy 和 David A. Patterson發(fā)表了一篇長報(bào)告《A New Golden Age for Computer Architecture》，詳細(xì)描述了引發(fā)計(jì)算機(jī)架構(gòu)新時(shí)代到來的種種變化，并且展望未來的十年將是計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)領(lǐng)域的“新的黃金十年”。

英特爾在2020年架構(gòu)日上展示了從CPU到GPU的多個(gè)架構(gòu)的最新進(jìn)展。

Tiger Lake與最新Willow Cove CPU及Xe GPU微架構(gòu)

Tiger Lake是英特爾第一個(gè)在SoC架構(gòu)中采用全新 Xe-LP圖形微架構(gòu)。Tiger Lake基于全新的Willow Cove CPU核，有顯著的頻率。GPU采用全新的Xe圖形架構(gòu)，每瓦性能效率有顯著提升。加上電源管理、結(jié)構(gòu)和內(nèi)存、I/O、顯示燈方面的提升，Tiger Lake的性能超越上一代CPU，并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的AI性能和圖形性能的飛躍。

Tiger Lake SoC架構(gòu)提升具體如下：

全新Willow Cove CPU核心—;—;基于10nm SuperFin技術(shù)進(jìn)步，顯著提升頻率。

新Xe圖形架構(gòu) – 具有高達(dá)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%。

IO—;—;集成TB4/USB4，CPU上集成PCIe Gen 4，用于低延遲、高帶寬設(shè)備對內(nèi)存的訪問。

顯示—;—;高達(dá) 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 —;—;多達(dá)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。

Willow Cove

Willow Cove基于最新的處理器技術(shù)和10nm的SuperFin技術(shù)的英特爾最新一代CPU微架構(gòu)。Willow Cove在Sunny Cove架構(gòu)的基礎(chǔ)上，極大地提升了頻率以及功率效率，實(shí)現(xiàn)超越代間CPU的性能提高。

另外，Willow Cove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，并通過英特爾控制流強(qiáng)制技術(shù)（Control Flow Enforcement Technology）增強(qiáng)了安全性。

Xe 圖形架構(gòu)

關(guān)注英特爾的人對Xe架構(gòu)并不陌生，英特爾在CES上也透露了首款針對PC的獨(dú)立圖形顯卡DG1。在今天的架構(gòu)日上，英特爾首次詳細(xì)介紹了可實(shí)現(xiàn)全擴(kuò)展的Xe圖形架構(gòu)。Xe圖形架構(gòu)有Xe-LP、Xe-HP、Xe-HPC三個(gè)系列，加上今天新推出的Xe微架構(gòu)變體Xe-HPG，目前已有四個(gè)系列Xe微架構(gòu)。

Xe-LP是針對PC和移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的最高效架構(gòu)。最高配置EU單元多達(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。

Xe-LP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。軟件優(yōu)化方面，Xe-LP將通過新的DX11路徑和優(yōu)化的編譯器對驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)。

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，具有可擴(kuò)展性和AI優(yōu)化。Xe-HP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，其功能類似于多核GPU。

架構(gòu)日上，英特爾展示了Xe-HP在單個(gè)區(qū)塊上以60 FPS的速率對10個(gè)完整的高質(zhì)量4K視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼。還展示了Xe-HP在多個(gè)區(qū)塊上的計(jì)算可擴(kuò)展性。

雷鋒網(wǎng)了解到，首款Xe-HP芯片已于實(shí)驗(yàn)室完成啟動(dòng)測試。目前，英特爾現(xiàn)在正在與關(guān)鍵客戶一起測試Xe-HP，并計(jì)劃通過Intel DevCloud使開發(fā)者可以使用Xe HP。Xe-HP產(chǎn)品將于明年推出。

Xe-HPG是英特爾推出的最新Xe微架構(gòu)變體，是為游戲優(yōu)化的微架構(gòu)。這個(gè)全新的微架構(gòu)結(jié)合了Xe-LP的良好的效能功耗比的構(gòu)建模塊，利用Xe-HP的可擴(kuò)展性對Xe-HPC進(jìn)行更強(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。據(jù)悉，Xe-HPG預(yù)計(jì)將于2021年開始發(fā)貨。

Xe架構(gòu)的產(chǎn)品將于今明兩年陸續(xù)推出。英特爾表示，首款Xe架構(gòu)產(chǎn)品DG1已投產(chǎn)，并有望按計(jì)劃于2020年開始交付。DG1現(xiàn)在可在英特爾DevCloud上供早期訪問用戶使用。

除了DG1，將很快投產(chǎn)，并于今年晚些時(shí)候發(fā)貨的Xe產(chǎn)品還有針對數(shù)據(jù)中心的Server GPU（SG1）獨(dú)立圖形顯卡。SG1將4個(gè)DG1聚合，可以很小的尺寸將性能提升至數(shù)據(jù)中心級(jí)別，實(shí)現(xiàn)低延遲、高密度的安卓云游戲和視頻流。

數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

Ice Lake

英特爾還有一款預(yù)期將于今年底推出的產(chǎn)品Ice Lake。Ice Lake是首款基于10nm的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器，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，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。

英特爾透露，Ice Lak系列中也會(huì)推出針對網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)和物聯(lián)網(wǎng)的變體。

Sapphire Rapids

當(dāng)然，英特爾也會(huì)基于增強(qiáng)型SuperFin技術(shù)推出下一代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器Sapphire Rapids，它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。

Sapphire Rapids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。另外，它也將延續(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。

英特爾預(yù)計(jì)Sapphire Rapids將于2021年下半年開始首批生產(chǎn)發(fā)貨。

除了CPU和GPU，英特爾的FPGA也在持續(xù)演進(jìn)。

混合架構(gòu)

特別值得一提的是，架構(gòu)日上英特爾還介紹了下一代采用混合架構(gòu)可客戶端產(chǎn)品Alder Lake。

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。

要開啟計(jì)算架構(gòu)的黃金新十年，除了需要晶體管技術(shù)以及架構(gòu)創(chuàng)新，也需要更先進(jìn)的封裝技術(shù)和統(tǒng)一的軟件平臺(tái)與之匹配。

封裝與軟件等進(jìn)展

封裝技術(shù)方面，英特爾使用“混合結(jié)合（Hybrid bonding）”技術(shù)的測試芯片已在2020年第二季度流片。

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?；旌辖Y(jié)合這項(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。

存儲(chǔ)技術(shù)方面，英特爾也有全面的產(chǎn)品能夠滿足不同的需求。

傳輸產(chǎn)品，英特爾有世界上第一臺(tái)下一代224G-PAM4 TX收發(fā)器。

軟件方面，今年7月，英特爾發(fā)布了其第八版的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。

架構(gòu)日上，英特爾宣布o(jì)neAPI Gold版本將于今年晚些時(shí)候推出。oneAPI Gold版是為開發(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。

雷鋒網(wǎng)小結(jié)

近來，關(guān)于英特爾的消息引發(fā)擔(dān)憂，包括7nm工藝延期，市值被英偉達(dá)超越等。作為一家以技術(shù)為核心競爭力的公司，英特爾在2020年架構(gòu)日上公布的晶體管到架構(gòu)，再到軟件和安全等的最新技術(shù)進(jìn)展和詳細(xì)解讀。不僅是英特爾讓外界看到其技術(shù)實(shí)力的一個(gè)好機(jī)會(huì)，更是回應(yīng)外界質(zhì)疑最好的方式。

Raja去年接受雷鋒網(wǎng)采訪時(shí)說：“我百分之百認(rèn)同未來十年是計(jì)算架構(gòu)的新黃金十年的觀點(diǎn)。在未來10年，我們將看到比過去50年多得多的架構(gòu)優(yōu)化和提升。通過軟件和硬件的結(jié)合，我們可以讓摩爾定律的提升變成十倍?！?/p>

芯片行業(yè)的競爭已經(jīng)升級(jí)，英特爾能否繼續(xù)引領(lǐng)？