“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

科学
“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术
麻省理工科技评论 2020-08-16

2020-08-16

一文了解芯片巨头英特尔2020年架构日。
芯片
一文了解芯片巨头英特尔2020年架构日。

本周五(8 月 13 日),在芯片巨头英特尔 2020 年的架构日(Architecture Day)新闻发布会上,其首席架构师拉贾·科杜里(Raja Koduri)携手多位英特尔院士和架构师,全面分享了他们一年半以来在软硬件等各个领域取得的各项技术进步。

尽管英特尔开发 7nm 芯片的进程受挫,但这次发布的基于 10nm 的 SuperFin 技术将芯片性能提升了约 20%,再加上 Willow Cove 微架构、用于移动客户端的 Tiger Lake SoC 架构细节、以及可实现全扩展的 Xe 图形架构等内容的发布,展示了英特尔这个全世界最大的半导体企业在消费类、高性能计算以及游戏应用市场等领域的巨大技术优势。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|英特尔 2020 架构日及其首席架构师拉贾·科杜里(Raja Koduri)(图片来源:Intel)

由于疫情原因,本次发布会在线上进行。但这次发布会披露的内容非常全面详实,而其中最为外界所关注的,便是其 10nm 新技术—— SuperFin 的发布。

英特尔是世界上为数不多的既可以设计、也可以制造芯片的公司,也是目前世界上最大的半导体公司。50 多年来,英特尔一直是半导体芯片领域的领头羊。

然而,随着芯片产业进入到了 7nm 时代,英特尔的进展却并不顺利。去年,他们曾承诺将在 2021 年推出 7nm 芯片,但在其于今年 7 月 24 日发布的 2020 年第二季度的财报中,7nm 的芯片生产将再度延迟到 2022 年、甚至是 2023 年,还将通过寻求外部工厂生产的方式来减少进度的延迟。

因此,尽管营收和净利润均超出了市场预期,但其股价还是出现了不可避免的大幅下跌,而其竞争对手的股价则大涨。投资者认为,英特尔的消息扩大了台积电的竞争优势。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|英特尔股价(图片来源:yahoo)

因此,有舆论认为,英特尔希望通过本周的这次架构日活动,发布 10nm 等技术进步来提振市场的信心。

尽管截止发稿时,这次架构日发布的积极内容尚未反应到股价上面来,但让10nm性能提升约 20% 的 SuperFin 技术本身,以及英特尔在 CPU、GPU、存储、软件等领域全方位的技术进展,还是非常值得关注。

SuperFin

英特尔宣称,经过多年对鳍式场效晶体管(Fin Field-Effect Transistor,FinFET)晶体管技术的改进,英特尔正在“重新定义”该技术,实现了其历史上最强大的单节点内性能增强,带来的性能提升可与完全节点转换相媲美,并将这一次的技术命名为了 SuperFin,意为“超级鳍”。

鳍式场效晶体管的诞生本身就是对传统晶体管结构的一次重大革新。鳍式场效晶体管之前的晶体管是二维的,门极只能在其一侧控制电路的接通与断开,而鳍式场效晶体管的门极则形成了类似鱼鳍的三维结构,可以于两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制,减少漏电,并大幅缩短晶体管的闸长。

而这次的 SuperFin——“超级鳍”中,英特尔实现了增强型鳍式场效晶体管晶体管与 Super MIM(Metal-Insulator-Metal)电容器的结合,在多个方向都对鳍式场效晶体管进行了优化,取得了非常可观的性能提升。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|SuperFin 是增强型鳍式场效晶体管晶体管与 Super MIM(Metal-Insulator-Metal)电容器的结合(图片来源:Intel)

在“重新定义”鳍式场效晶体管方面,首先,英特尔增强了源极和漏极上晶体结构的外延长度,从而进一步减小了电阻,以允许更多电流通过通道;其次,他们改进了栅极工艺,实现了更高的通道迁移率,从而使电荷载流子可以更快地移动;第三,还扩大了栅极间距,为需要最高性能的芯片功能提供了更高的驱动电流。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|英特尔 SuperFin 技术对鳍式场效晶体管进行的技术升级(图片来源:Intel)

而新型的 Super MIM(Metal-Insulator-Metal)电容器的采用,让其与行业标准相比,在同等的占位面积内,电容增加了 5 倍之多,这意味着产品性能的显著提升。英特尔宣称,这一行业领先的技术由一类新型的 Hi-K 电介质材料实现,该材料可以堆叠在厚度仅为几埃的超薄层中,从而形成重复的“超晶格”结构。再加上新型薄势垒(Novel Thin Barriers)技术采用,可以将过孔电阻降低了 30%,从而提升互连性能表现。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|英特尔 SuperFin 技术对鳍式场效晶体管进行的技术升级(图片来源:Intel)

这些进展,让 10nm 芯片的性能大幅提升了约 20% 之多。

约 20% 是什么概念呢?在之前的 14nm 时代,英特尔经过四次技术更迭(14nm、14nm+、14nm++、14nm+++、14nm++++)才实现了约 20% 的性能提升。而这次通过 SuperFin,一次性就完成了约 20%,进步速度远超外界想象。有媒体称,这意味着 SuperFin 已经成为速度更快、甚至可能是全球最快的晶体管。

在各厂家的 7nm 工艺性能达不到预期的情况下,英特尔 10nm 芯片约 20% 的提升显然非常了得。为了维持芯片性能的领先优势,英特尔已经表示,将不再仅仅只局限于自己的工厂,而是将考虑在第三方工厂中生产 SuperFin 芯片。这将是继 7nm 芯片之后,英特尔再一次表示将拥抱第三方工厂。

不过,宣称的约 20% 的性能提升还需要实打实的芯片生产出来、并进入实际应用才能落到实处。而且,随着明年其它厂商的 7nm 工艺芯片上市,甚至是更进一步的 5nm 技术的出现,英特尔通过 10nm 的 SuperFin 能建立多大的优势尚未可知。

不过,在发布了 SuperFin 之后,英特尔还畅想了再进一步的增强型 SuperFin 技术,可以进一步提升性能,并可以根据数据中心的应用场景进行优化。

10nm SuperFin 技术将首先应用于代号为“ Tiger Lake”的英特尔下一代移动处理器中。Tiger Lake 目前正在生产中。可以预期,有了 SuperFin 的加持,Tiger Lake 将在频率等方面有极大的性能提升。

而 SuperFin 只是这次架构日发布的第一项内容。SuperFin 之后,各种其它的技术进步接踵而至。

封装

在封装工艺方面,这次的架构日发布了全新的“混合结合(Hybrid bonding)”技术。封装是制程之外的另一种提高芯片集成度的关键技术,英特尔一直是封装技术的佼佼者。

当今大多数封装技术中使用的是传统的“热压结合(thermocompression bonding)”技术,混合结合是这一技术的升级。这项新技术能够将各晶片之间的距离从 50 微米缩短至 10 微米甚至更低,从而提供更高的互连密度、带宽和更低的功率。使用混合结合技术的测试芯片已在 2020 年第二季度流片。

Willow Cove 架构

Willow Cove 将是英特尔的下一代 CPU 微架构,而 Tiger Lake CPU 使用的就将是 Willow Cove 架构。

Willow Cove CPU 将基于刚刚提到的 10nm SuperFin 技术,相比于上一代的 Sunny Cove 架构,Willow Cove 性能将提升约 20%。

它还将重新设计的缓存架构引入到更大的非相容 1.25MB MLC 中(上一代为 512KB),并通过英特尔控制流强制技术(Control Flow Enforcement Technology)增强了安全性。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|相比于上一代的 Sunny Cove,Willow Cove 架构将大幅提高芯片的性能(来源:Intel)

Tiger Lake CPU

基于 Willow Cove 架构的下一代芯片 Tiger Lake 也自然将获得极大的性能提升。

除了 Willow Cove,Tiger Lake 还纳入了基于 Xe 图形架构的新型 GPU,可以对 CPU、AI 加速器进行优化,将使 CPU 性能得到超越一代的提升,并实现大规模的 AI 性能提升,并实现了图形性能的巨大飞跃。

Xe GPU

SuperFin 也为英特尔的 GPU 赋能。

这次架构日,英特尔详细介绍了经过优化的 Xe-LP(低功耗)微架构和软件,可为移动平台提供高效的性能。Xe-LP 是英特尔针对 PC 和移动计算平台的最高效架构,Xe-LP 入门级产品将首先作为搭载于 Tiger Lake 笔记本 CPU 中的核显,在今年晚些时候上市。

其最高配置 EU 单元多达 96 组,相比于上代 Gen11 大幅增加了 50%,并具有新架构设计,包括异步计算、视图实例化 (view instancing)、采样器反馈(sampler feedback)、带有 AV1 的更新版媒体引擎以及更新版显示引擎等。这将使新的终端用户功能具备即时游戏调整(Instant Game Tuning)、捕捉与流媒体及图像锐化的能力。

在软件优化方面,Xe-LP 将通过新的 DX11 路径和优化的编译器对驱动进行改进。这些都将带来游戏性能的大幅提升。

除了入门级的 Xe-LP,英特尔还发布了面向游戏玩家的 Xe-HPG、面向数据中心和 AI 应用的 Xe-HP、面向超算的 Xe-HPC 等整整一个系列的基于 Xe GPU 架构的产品。而首款基于 Xe 架构的独立图形显卡 DG1 已投产,并有望按计划于 2020 年开始交付。

还有更多……

这次的架构日,英特尔还发布了更多的东西。包括:

在过去两年“日子并不好过的”英特尔,一口气介绍了在其创新的六大技术支柱(制程与封装、XPU 架构、储存、互联、安全、软件)方面所取得的进展,覆盖面远超以往,光 ppt 就长达 233 页。

除了这些已经开发出的技术,英特尔还在畅想,在摩尔定律日渐失效的今天,要如何才能把计算能力进一步提高 100 倍,甚至 1000 倍?

针对这个问题,英特尔也给出了自己的答案——神经形态计算(Neuromorphic Computing),并展示了英特尔实验室在这一领域的软硬件创新。

“重新定义10nm”:性能提升约20%,英特尔架构日更新四大技术

图|英特尔的野望(来源:Intel)

这些面向今天和未来的技术展示,展现了英特尔依旧十分强大的技术实力,和在芯片相关软硬件领域的巨大野心。至于资本和消费市场是否买账,英特尔在与三星和台积电等竞争对手的较量中又将表现如何,就让我们拭目以待吧。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech