跳票數年10nm 終於現身,姍姍來遲的SuperFin能拯救英特爾嗎?
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跳票數年10nm 終於現身,姍姍來遲的SuperFin能拯救英特爾嗎?

2020 年 8 月 21 日

 
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姍姍來遲的 10nm 工藝能拯救英特爾嗎?

SuperFin是英特爾 10nm 最大的亮點,它是FinFET結構的升級版。英特爾將增強型FinFET晶體、Super MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器相結合,打造了全新的SuperFin,能夠提供增強的外延源極/漏極、改進的柵極工藝,額外的柵極間距。英特爾表示,這是該公司有史以來最為強大的單節點內性能增強, 10nm 工藝可以實現節點內超過 15 %的性能提升,帶來的性能提升可與全節點轉換相媲美。 換言之,在SuperFin技術的加持下,英特爾推出的 10nm 工藝效能可以等同於 7nm 。

有時,好事如同正義,雖會遲到,但還是會來。

本週二,英特爾的頂級工程師們罕見揭開“跳票”已久的Tiger Lake 10nm CPU微架構面紗,後者將出現在 9 月 2 日發布的產品中。設計師們為這款即將面世的Tiger Lake感到驕傲,不過仍被禁止討論處理器性能。這款被稱為英特爾第 11 代CPU的處理器,將與Xe Graphics 配對使用,並惠及服務器到遊戲的所有生態成員。英特爾首席架構師拉賈·科杜里(Raja Koduri)表示,他們還將採用 SuperFin 技術。

▲英特爾的處理器設計方法。

自從不得不推遲 7 奈米製造工藝之後,英特爾也不斷經歷著掙扎。今年早些時候,英特爾首席財務官喬治 · 戴維斯(George Davis)在摩根史坦利 3 月的會議上對投資者承認,公司已經落後於競爭對手台積電,要追趕上至少需要 2 年時間。本月,原首席工程官 Venkata Renduchintala辭職。更早的時候,著名晶片架構師吉姆·凱勒因個人原因離開英特爾。事實上,英特爾盯緊 7nm ,也與 10nm 製程多次延期有關,希冀藉此彌補 10nm 延期所造成的時間損失。如今看來,還是 10 nm 最先守得雲開見月明,未來幾年, 10nm 也將代表英特爾最佳工藝水平。

一、英特爾的掙扎:多次跳票的 10nm

早在 2013 年,英特爾就設想通過 2.7 倍密度的 SAQP、COAG、Cobolt 互連,以及 EMIB 和 Foveros 等新的封裝技術,讓 10nm 晶片成功接過 14nm 晶片接力棒。然而,在將 10奈米技術推向市場時遭遇延誤,並一再跳票。最初 10nm 工藝安排在 2016 年下半年,但是2015 年初,英特爾就推遲相關製造設備的安裝部署。當年 7 月,公司承認大規模量產推遲到 2017 年下半年,並臨時增加 Kaby Lake(七代酷睿),號稱工藝優化升級為 14nm +。隨後,Intel規劃了基本完整的 10nm 產品線,包括面向低功耗桌面和移動市場的Cannon Lake、針對高端桌面和服務器的Ice Lake、配合新工藝升級架構的的Tiger Lake。

2017 年初CES大展上,Intel首次展示了配備Cannon Lake處理器的筆記本,並保證會在當年晚些時候發布,但 Ice Lake、Tiger Lake都推遲到了 2018 年。 Intel不得不又增加Coffee Lake(八代酷睿),工藝再次優化為 14nm ++。2018 年 4 月,公司宣布由於良品率問題, 10nm 工藝大規模量產將推遲到 2019 年。2019 年初,英特爾在CES上正式公佈 10nm 製程落地並揭露更多相關細節。

對於長達數年的“跳票“,英特爾給出的解釋包括設想太自信、團隊之間目標不明確、管理混亂以至於計劃一拖再拖。事實上,也與英特爾IDM模式有關。英特爾是為數不多的IDM垂直整合型半導體公司。自己設計晶片架構、自己製造晶片、自己封裝晶片,其它晶片廠商幾乎做不到。這種模式的好處很明顯,英特爾能夠自主根據不同工藝開發不同的CPU架構。因為全自主,新工藝開發的架構可以最大化利用特定工藝優勢,達到更好的匹配與契合。但不足之處在於,將架構與工藝捆綁起來製約了靈活性。比如 10nm 延期之後,英特爾無法使用 14nm 工藝去生產 10nm 製程架構就是典型的例子。

如今,英特爾 10nm 終見曙光,彼時的三星、台積電早就有 10nm ,並已開始量產 7nm 。當然,各家工藝技術不同,沒有直接可比性。英特爾表示,自家 14nm 、 10nm 、 7nm 分別相當於台積電的 10nm 、7nm 、 5nm 。至少從字面看,英特爾在 10nm 製程節點已經做到與台積電 7nm 製程同樣的晶體管集成數量,但是性能究竟如何,仍然是用戶和市場說了算。

二、節點內超過 15 %的性能提升,SuperFin重新定義FinFET

姍姍來遲的 10nmCPU 也沒有讓市場空等, 10nm CPU創新性的使用了Super Fin工藝。幾年前,英特爾首應用了 22nm FinFET工藝,可以說是晶圓製造歷史上的一次重要革命。FinFET是晶圓製造工藝的一種,稱為鰭式場效應晶體管(Fin Field-Effect Transistor),其中的Fin在構造上與魚鰭非常相似,所以稱為“鰭式”,而FET的全名是“場效電晶體” 。FinFET的變革性意義在於將傳統晶體管的 2D 結構變為 3D 架構。傳統晶體管結構是平面的,所以只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開。但是在FinFET架構中,閘門被設計成類似魚鰭的叉狀 3D 架構,可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。這種叉狀 3D 架構不僅能改善電路控制和減少漏電流,同時讓晶體管的閘長大幅度縮減。

但FinFET工藝製造及其複雜,在英特爾的改良應用之下,台積電、三星等廠商才後續跟上。不過隨著製程的發展,FinFET也需要改良。昨日英特爾的揭露的下一代Willow Cove CPU升級了FinFET,它將增強型FinFET晶體、Super MIM(金屬-絕緣體-金屬)電容器相結合,打造了全新的SuperFin,能夠提供增強的外延源極/漏極、改進的柵極工藝,額外的柵極間距。

英特爾官方顯示,與FinFET相比,SuperFin架構性能主要優勢體現在如下方面:

  1. 增強源極和漏極上晶體結構的外延長度,從而增加應變並減小電阻,以允許更多電流通過通道。
  2. 改進柵極工藝,以實現更高的通道遷移率,從而使電荷載流子更快地移動。
  3. 提供額外的柵極間距選項,可為需要最高性能的晶片功能提供更高的驅動電流。
  4. 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。
  5. 與行業標準相比,在同等的佔位面積內電容增加了 5 倍,從而減少了電壓下降,顯著提高了產品性能。

該技術的實現主要得益於一類新型的高K電介質材料,它可以堆疊在厚度僅為幾埃米(也就是零點幾奈米)的超薄層中,從而形成重複的“超晶格”結構,這也是Intel獨有的技術。「這是該公司有史以來最為強大的單節點內性能增強, 10nm 工藝可以實現節點內超過15 %的性能提升,帶來的性能提升可與全節點轉換相媲美。」換言之,在SuperFin技術的加持下,英特爾推出的10nm 工藝效能可以等同於7nm 。

英特爾稱, 10nm SuperFin晶體管技術將在代號Tiger Lake的下一代移動酷睿處理器中首發,現已投產,OEM筆記本將在今年晚些時候的假日購物季上市。

三、發布遊戲專用GPU架構,與英偉達、AMD一較高下?

除SuperFin架構,英特爾也揭露了“混合結合(Hybrid bonding)”這一先進封裝技術。如今異構已經成了未來晶片發展的一種趨勢,越來越多的硬體甚至IP將會集成到一塊晶片當中。英特爾提出的封裝技術實際上就相當於一種分解設計,化繁為簡,晶片分為CPU、GPU、IO等,再分別更新或驗證,這樣就可以避免CPU和GPU糾纏一起出現bug的問題。要達到這種設計效果,其中的互聯就變得尤為重要,“混合結合”解決的就是分解設計中的互聯問題,能夠加速實現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。

據透露,使用“混合結合(Hybrid bonding)”技術的測試晶片已在 2020 年第二季度流片。英特爾的這些技術都在下一代酷睿處理器Tiger Lake中體現。據英特爾透露,Tiger Lake將由英特爾全新的Willow Cove架構提供動力,Willow Cove就是基於 10nm 的SuperFin技術。英特爾指出,Tiger Lake將在關鍵計算矢量方面提供智能性能和突破性進展。它是英特爾第一個採用全新 Xe-LP微架構的SoC架構,可以對CPU、AI加速器進行優化,在AI性能、圖形性能上有所提升。Xe-LP是Intel面向PC和移動計算平台的最高效架構,擁有多達 96 個EU,並採用了包括異步計算在內的新架構設計,以提供更大的動態範圍和頻率提升。 Xe-LP之外,英特爾還推出了其他兩款架構版本,Xe-HP和Xe-HPG。

據介紹Xe-HP面向數據中心市場,是業界首個多區塊(multi-tiled)、高度可擴展的高性能架構,可提供數據中心級、機架級媒體性能,GPU可擴展性和AI優化。它涵蓋了從一個區塊(tile)到兩個和四個區塊的動態範圍的計算,其功能類似於多核GPU,有望在 2021 年發布。Xe-HPG專門針對遊戲而設計,添加了基於 GDDR6 的新內存子系統以提高性價比,新增了遊戲及時調整和遊戲銳化兩個新功能,同樣預計同樣在 2021 年發布。值得注意的是,這可能代表著英特爾將首次圍繞遊戲所需的GPU,意味著英特爾打算在這個領域AMD、英偉達一較高下。

所以現在Xe GPU的架構就變成了Xe LP、Xe HPG、Xe HP及Xe HPC四大金剛了,未來會覆蓋核顯到HPC超算在內的多個場景。

除了Tiger Lake之外,英特爾還在本次發布會中提到了另外一款產品——Alder Lake。據介紹,該產品是英特爾的下一代採用混合架構的客戶端產品。 Alder Lake將結合英特爾即將推出的兩種架構——Golden Cove和Gracemont,並將進行優化,以提供出色的效能功耗比。

軟體oneAPI Gold版本將於今年晚些時候推出,為開發人員提供在標量、向量、距陣和空間體系結構上保證產品級別的質量和性能的解決方案。

四、10nm 能拯救英特爾嗎?

英特爾晶片製造工藝的擠牙膏很大程度上拖累了晶片進程。英特爾表示正在嘗試改變其晶片設計與製造的結合方式,暗示它可以使用外部製造商(例如合約晶片製造商台積電)來製造其晶片。Koduri將此新策略稱為“系統彈性設計”。此前有消息傳出英特爾已經在台積電下了不少訂單,不過是GPU訂單。從Super Fin工藝的推出來看,英特爾還是會把CPU製造緊緊的抓在自己手裡,並且作為一大核心優勢。

從目前揭露出的性能看,英特爾的 10nm Super Fin架構的確在技術上前進了不小的一步。但有業內人士認為,相比它的競爭對手們,英特爾還是遲了,即便在SuperFin的加持下, 10nm 也只能是達到 7nm 的技術水平。最大的不確定性在於,英特爾目前的技術進展還處於“PPT階段”,市場上還沒有任何英特爾 10nm 產品的消息。那麼,在Super Fin加持的英特爾 10nm 是否能如期上市,上市表現究竟會如何?還得等市場驗證。

36氪⟫授權轉載

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