全新晶體管：Intel 10nm吹響反攻號角

近日，Intel在其2020年架構(gòu)日中更新了他們在六大技術(shù)支柱方面所取得的進(jìn)展，揭秘了Willow Cove，Tiger Lake和Xe架構(gòu)以及全新的晶體管技術(shù)。這為我們展現(xiàn)了一個不服輸，甚至還在挑戰(zhàn)新領(lǐng)域的Intel。

SuperFin技術(shù)重新定義晶體管

Intel本次發(fā)布的全新晶體管技術(shù)是這次架構(gòu)日中的亮點之一。

一直以來，Intel在晶體管技術(shù)的發(fā)展中扮演著重要的角色。大約十年以前，晶體管結(jié)構(gòu)開始從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向FinFET。在這個轉(zhuǎn)變過程當(dāng)中，Intel是第一個將FinFET實現(xiàn)商業(yè)化的企業(yè)—;—;2011年，Intel將之用于22nm工藝的生產(chǎn)。兩年后，其他企業(yè)才跟進(jìn)有關(guān)FinFET的生產(chǎn)。從16/14nm開始，F(xiàn)inFET成為了半導(dǎo)體器件的主流選擇。時至今日，F(xiàn)inFET仍舊是現(xiàn)代納米電子半導(dǎo)體器件制造的基礎(chǔ)，支持著7nm，甚至是未來5nm、3nm的發(fā)展。

但在先進(jìn)工藝不斷向前發(fā)展的過程當(dāng)中，F(xiàn)inFET技術(shù)也需要不斷地進(jìn)行更新，才能滿足晶體管性能上的提升。因此，在Intel從14nm走向10nm的過程中，他再次重新定義了晶體管。

在本次架構(gòu)日當(dāng)中，Intel推出了10nm SuperFin技術(shù)。Intel稱，這是該公司有史以來最為強(qiáng)大的單節(jié)點內(nèi)性能增強(qiáng)，帶來的性能提升可與全節(jié)點轉(zhuǎn)換相媲美。換言之，在SuperFin技術(shù)的加持下，Intel推出的10nm工藝效能可以等同于7nm。

從Intel公布的信息中看，10nm SuperFin技術(shù)還實現(xiàn)了Intel增強(qiáng)型FinFET晶體管與Super MIM（Metal-Insulator-Metal）電容器的結(jié)合。據(jù)其官方資料顯示，Super MIM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。

Intel稱，該技術(shù)由一類新型的“高K”（ Hi-K）電介質(zhì)材料實現(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。

為什么說SuperFin技術(shù)重新定義了晶體管。這就要從單節(jié)點內(nèi)性能提升幅度的角度看。從Intel提供的數(shù)據(jù)來看，如今加強(qiáng)版14nm在性能上相比第一代已經(jīng)提升了超過20％，而這種提升幅度是經(jīng)過了四次修訂才達(dá)到的。但有了SuperFin技術(shù)，Intel的10nm做到這種提升卻只花了一代。因而，可以說這是相當(dāng)于一代制造工藝的飛躍。

從Intel的介紹中看，SuperFin技術(shù)無疑是推動其先進(jìn)制程快速向前發(fā)展的利器。在筆者看來，這也是Intel對市場質(zhì)疑其先進(jìn)工藝落后的回?fù)簦ㄇ安痪肐ntel公布了其第二季度財報，當(dāng)時Intel稱其7nm芯片考慮由其他企業(yè)代工，引起了市場質(zhì)疑其先進(jìn)工藝的水平）。

3D封裝技術(shù)的新進(jìn)展

眾所周知，先進(jìn)工藝的進(jìn)步需要相關(guān)企業(yè)對此進(jìn)行的投入越來越大，但在大規(guī)模投資下所誕生的制程微縮所帶來的單位成本降低的效益卻明顯下降，在這種環(huán)境下，先進(jìn)封裝成為了各大廠商競逐的新領(lǐng)域。

近幾年，異構(gòu)架構(gòu)的出現(xiàn)推動了先進(jìn)封裝的發(fā)展。在此期間，Intel發(fā)布了2.5D封裝 EMIB、3D封裝Foveros以及被視為是兩者結(jié)合的Co-EMIB。

在本次架構(gòu)日當(dāng)中，Intel介紹了繼Foveros后又一新的先進(jìn)封裝技術(shù)。Intel稱其為“混合結(jié)合（Hybrid bonding）”技術(shù)。Intel的官方資料顯示，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。這項新技術(shù)能夠加速實現(xiàn)10微米及以下的凸點間距，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。

據(jù)透露，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。

這些先進(jìn)封裝到底能解決什么樣的問題？從市場情況中看，異構(gòu)已經(jīng)成為了未來芯片發(fā)展的一種趨勢，越來越多的硬件將會集成到一塊芯片當(dāng)中，未來這種趨勢還將發(fā)展成將更多的IP集成到一塊芯片當(dāng)中。Intel將這種設(shè)計定義為“分解設(shè)計”。

如下圖所示，利用這種分解設(shè)計可以大幅縮短整個開發(fā)時間。眾所周知，采用新的工藝就意味著相關(guān)器件要重新進(jìn)行驗證，但隨著終端領(lǐng)域所需要的功能越來越大，越來越多的器件都將加入其中，這就導(dǎo)致開發(fā)或者是驗證的時間越來越長。

而采用這種分解設(shè)計則可以化繁為簡，先把它做成幾個大的部分，比如可以分為CPU、GPU、IO等（這些硬件可以采用不同的工藝），再分別進(jìn)行更新或驗證。舉例來說，CPU可能是一個已經(jīng)驗證過的，在這種分解設(shè)計下，CPU就不再需要重新驗證。而GPU則是要用更新的，但由于它與CPU是分離的，所以僅需要對GPU進(jìn)行重新驗證。這也就是說，不會因為CPU和GPU互相糾纏在一起，而出現(xiàn)新的Bug出現(xiàn)，這也就大大縮短了產(chǎn)品驗證的時間。

要達(dá)到這種設(shè)計效果，其中的互聯(lián)就變得尤為重要，而這就是先進(jìn)封裝所能解決的問題。EMIB、Foveros或是Co-EMIB能夠保障這些硬件能夠分解，又能保證它們在低功耗下?lián)碛凶銐虻臄?shù)據(jù)傳輸帶寬。也正是利用這些技術(shù)，Intel才能夠?qū)碜云渌?yīng)商的IP和處理節(jié)點混合并匹配到異構(gòu)封裝中，從而加快產(chǎn)品上市時間。

用產(chǎn)品驗證技術(shù)的價值

紙上得來終覺淺，產(chǎn)品才是驗證技術(shù)的真正價值所在。

而Intel的技術(shù)價值將在Tiger Lake中得以體現(xiàn)。據(jù)透露，Tiger Lake將由Intel全新的Willow Cove架構(gòu)提供動力，該架構(gòu)也是基于新的“ SuperFin”晶體管打造而成。

Intel指出，Tiger Lake將在關(guān)鍵計算矢量方面提供智能性能和突破性進(jìn)展。同時他也是Intel第一個采用全新 Xe-LP微架構(gòu)的SoC架構(gòu)，可以對CPU、AI加速器進(jìn)行優(yōu)化，使CPU性能得到超越一代的提升，并實現(xiàn)大規(guī)模的AI性能提升、圖形性能巨大飛躍，以及整個SoC 中一整套頂級IP，如全新集成的Thunderbolt 4。

Tiger Lake中所采用的Xe-LP是Intel面向PC和移動計算平臺的最高效架構(gòu)，擁有多達(dá)96個EU，并采用了包括異步計算在內(nèi)的新架構(gòu)設(shè)計，以提供更大的動態(tài)范圍和頻率提升。根據(jù)Intel提供的官方數(shù)據(jù)顯示，與Gen11相比，Xe-LP能夠在更低的功耗下，提供更高的性能。

當(dāng)然，Xe-LP只是Intel發(fā)展路線圖中的一部分。除此之外，Intel還提供了Xe-HP的更新版本，據(jù)介紹， Xe-HP是業(yè)界首個多區(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、機(jī)架級媒體性能，GPU可擴(kuò)展性和AI優(yōu)化。它涵蓋了從一個區(qū)塊（tile）到兩個和四個區(qū)塊的動態(tài)范圍的計算，其功能類似于多核GPU。據(jù)悉，該款GPU有望在2021年發(fā)布。

同時，Intel還發(fā)布了另一款GPU架構(gòu)：Xe-HPG。據(jù)介紹，它是專門針對游戲而設(shè)計。據(jù)Intel官方消息顯示，Xe-HPG添加了基于GDDR6的新內(nèi)存子系統(tǒng)以提高性價比，且將具有加速的光線跟蹤支持。因此，也有外媒猜測，這可能代表著Intel將首次圍繞著游戲所需的GPU，與AMD和Nvidia展開競爭。據(jù)透露，Xe-HPG預(yù)計將于2021年開始發(fā)貨。

除了Tiger Lake之外，Intel還在本次發(fā)布會中提到了另外一款產(chǎn)品—;—;Alder Lake。據(jù)介紹，該產(chǎn)品是Intel的下一代采用混合架構(gòu)的客戶端產(chǎn)品。Alder Lake將結(jié)合Intel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。

據(jù)此前消息顯示，集眾多新技術(shù)于一身的Tiger Lake將于今年當(dāng)中面市，而這也會是驗證Intel技術(shù)的時刻。

結(jié)語

其實除了在備受矚目的架構(gòu)、先進(jìn)制程與封裝、互聯(lián)等領(lǐng)域外，Intel還在安全、軟件、存儲方面都有了一些新的進(jìn)展。例如，在軟件方面，InteloneAPI的正式版本將于今年當(dāng)中面市。

自從2018年，Intel提出這六大支柱后，我們就可以看出，Intel早已不是那個依賴于某一單獨領(lǐng)域去領(lǐng)導(dǎo)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的企業(yè)了，將多個不同領(lǐng)域的技術(shù)組合起來而形成產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)力正在Intel身上凸顯出來。