走进10nm时代！2019年英特尔芯片技术与产品展望

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2018年底和2019年初这一段时间，各大厂商纷纷发布年度新品规划和技术研发路线图。 英特尔 也不例外。令人欣喜的是，面对竞争对手的压力，英特尔今年公布的新技术、新产品信息丰富、干货满满，值得细细品味。英特尔展示了从现在到2021年甚至更远时间的处理器发展路线图，详细介绍了英特尔包括制程、架构、产品等方面的创新技术。 新架构、新起航 英特尔在路线图披露上不算是一个非常积极的公司，尤其是自Skylake之后，英特尔在路线图发布上就显得非常谨慎，往往只有几个简单的代号或者寥寥几句，没有对这些产品更详细的解释。不过在这一次，英特尔反倒大方披露了其直到2023年的架构发展路线图，包括酷睿微架构和Atom微架构两个部分，并且给出了数个核心架构代号（并非处理器代号）和一些改进方向，令人欣喜。 先来看酷睿微架构方面。首先出现的是2019年即将上市的全新Sunny Cove架构。这款架构的主要改进在于更高的单线程性能，全新的指令集优化和改进的可扩展性。此外，英特尔还详细介绍了Sunny Cove的变化，本文将在后文做出更详细的解读。值得一提的是，Sunny Cove首次加入了针对AVX-512的支持。目前已知将使用Sunny Cove架构，并搭配第十一代核芯显卡的处理器开发代号为Ice lake。 接下来的处理器架构被称为Willow Cove，它的推出时间应该在2020年，也有可能基于10nm或者10nm工艺的改进版本。英特尔宣称新的Willow Cove架构可能重新优化或重新设计了缓存部分，制造方面基于全新的晶体管优化方案，加入了新的安全设计等功能。 2021年即将推出的处理器架构被称为Gloden Cove。这款新架构的工艺目前未知，可能继续基于深度改进版本的10nm或者全新的7nm工艺。Gloden Cove在架构上的改进之处包括单线程性能的提升，AI性能的加强、网络性能和5G性能的优化，进一步提升安全性能等。 从英特尔这三代处理器改进来看，似乎Sunny Cove和Golden Cove的改进较为明显，都提及了单线程性能的提升、新的功能加入等。中间的Willow Cove则更像是工艺制程的改进和一些优化措施等，毕竟优化缓存是很难做到IPC大幅度增强的。这种方式有点类似于之前英特尔的Tick-Tock也就是一代架构、一代工艺的进步方式，现在虽然由于工艺研发越来越困难，很难再一年又一年的Tick-Tock规律性地发展下去，但是很显然，英特尔还是希望通过这样的方法带来处理器发展的进步。 酷睿微架构的内容结束后，接下来是Atom微架构的路线图了。实际上Atom面对的是功耗和体积敏感型市场，在性能、技术上要求不高，因此其技术发展和进步都没有酷睿微架构那么快。英特尔同样给出了三款Atom微架构代号，不过时间跨度从2019年拉长到了2023年。 英特尔展示了新的路线图，显示了其到2023年的发展计划。 在2019年，英特尔将推出架构代号为Tremont的Atom微架构，专注于单线程性能的提升、电池续航时间提升以及网络服务器性能，工艺方面很可能采用10nm技术。在Tremont之后，2021年英特尔将发布代号为Gracemont的新架构，继续专注于提升核心单线程性能，同时兼顾频率和适量性能的提升。这意味着，Atom处理器可能获得更宽的矢量计算能力或者新的矢量指令集。 接下来的2023年，由于过于遥远，英特尔也没有想好架构名称，只是简单地称之为“Next month”。这款新品将继续提升性能、频率和一些功能，但是并未明确描述。综上所述，英特尔展示的6款架构面向2个不同的系列，时间跨度也长达4年之久。需要说明的是，英特尔给出的只是微架构名称，并不是最终的商品名。比如Ice Lake采用的是Sunny Cove微架构，同时Ice Lake也只是酷睿处理器的研发代号，实际商品型号尚未公布。 另外值得一提的是，英特尔明确表示未来微架构将会和工艺制程脱钩，微架构不再依赖于制程，新的产品将使用合适的制程推向市场。因此我们有可能看到一些长寿的核心使用完全不同代的制程，当然也有可能一些长寿制程被应用在多个微架构上。英特尔做出这样决定的原因很可能是受到14nm转移到10nm时几乎无休止的延期带来的影响。 由于10nm的不断延后，从2015年发布的14nm Skylake开始，英特尔只能在14nm上不断地深挖工艺潜能，实际架构却几乎没有任何进步，包括后来的Kaby Lake、Coffee Lake等都深受其害。好在频率不断攀升带来了性能的提升，否则英特尔将面临更为麻烦的市场格局，这也是英特尔宣布微架构和工艺脱钩的原因之一。 全新10nm工艺 密度再创新高 英特尔的工艺在进入22nm后速度就慢了下来。2013年英特尔在14nm工艺初试上就遇到一些问题，量产显著低于目标值，直到2014年初这个问题才得以初步解决，产能才开始进入爬坡，并且最终的产能直到2015年才逐步提高到和之前22nm相当的程度，这已经比最初的预计晚了接近2年之久。 在14nm之后的10nm上，英特尔认为会在2016年底的Cannon Lake上推出新的工艺，实际上直到2019年初，英特尔还没有开始大规模生产10nm的产品，产能爬坡更是无从谈起。从英特尔之前的路线图来看，10nm产品的产能释放可能会进一步延期至2019年下半年，甚至2020年。 10nm延期如此之久的主要原因是英特尔在技术上过于激进。根据英特尔有关工艺制程的算法，英特尔在14nm节点的晶体管密度为37.5 MTr/平方毫米，但是在10nm节点，英特尔希望这个数据可以提升到100.8 MTr/平方毫米，增长了2.7倍之多。英特尔给出了一张表格，里面列出了每一代英特尔制程的相关晶体管密度数据。值得一提的是，14nm++的密度数据相对降低的原因是因为英特尔为了获取更高的频率，从而放宽了一些电路的要求。 在有关10nm的逻辑库方面，英特尔披露称自己已经准备了10种不同类型的10nm库，分别面向不同的应用领域，其中包括短库（HD，高密度）、中高库（HP，高性能）、高库（UHD，超高性能）等。库越短，功率越低，密度越高，峰值性能也就越低。最终的芯片往往是不同类型库的合成，较短的库往往使用于对成本敏感的部分，比如IO或者非核心部分。较高的库通过较低的密度和较高的驱动电流，用于驱动设计中最关键的部分。 因此英特尔实际上只有高密度库的密度达到了100.78MTr/平方毫米，比如英特尔给出了三个典型数据分别是密度、Fins和单元高度，高密度库的数据分别是100.78MTr/平方毫米、8nm和272nm；中高库分别是80.61MTr/平方毫米、10nm和340nm；高库则是67.18MTr/平方毫米、12nm和408nm。 另外，英特尔在晶体管的另一个关键属性，鳍片的性能方面也有了一些进展。早期的FeinFET使用单栅极，随后发展成三栅极，英特尔在22nm中使用三栅极设计以提高总的驱动电流。随后英特尔还引入了新的参数也就是鳍片间距，用于衡量临近鳍片之间的距离。相应的，如果鳍片通过多个门，那么门之间的距离被称为门间距。 理论上来说，鳍片和金属栅极之间的接触越多、鳍片之间的距离越小，那么泄露就越少、性能就越好。这里包含了很多复杂的问题，不仅仅是驱动电流的改善，而且还存在诸如寄生电容和栅极电容等问题。 从10nm与14nm的工艺对比表中数据来看，英特尔在10nm上大幅度增加了鳍片高度，减少了鳍片间距、门间距等关键性参数，同时还提高了密度。另外鳍片宽度被缩减至7nm，甚至小于制程的典型数值，鳍片宽度和间距越小，意味着寄生电容越不容易存在。而在“不同厂商工艺的典型数据差异”这张表格中还展示了不同厂商、不同代次工艺之间的差别。这里重点比较了英特尔和台积电、三星16/14nm之后的变化。 10nm工艺和前代工艺的性能对比 这个表中展示了不同工艺的CPP和MPP两个关键数值以及最终面积，单位分别是纳米和平方纳米，可以用作衡量不同工艺所能达到的密度，也可用于衡量不同工艺下晶体管的典型尺寸。从这个指标来看，台积电和三星的7nm工艺比英特尔的10nm只稍微密集了一点，这就是为什么英特尔认为自己的10nm工艺依旧具有竞争力的原因之一，但是需要注意的是，CPP和MPP是不可以衡量整个工艺全貌的，毕竟还有很多其他的参数，比如鳍片、电流值等，这里只是做一些简单的说明。 英特尔展示其工艺密度发展情况 英特尔10nm工艺相对14nm工艺的改进 最后英特尔也给出了2张图片用于展示工艺的进步。第一张图显示在45nm工艺下为100平方毫米的芯片，在10nm工艺下只有7.6平方毫米，这是工艺的巨大进步。另一张图片显示10nm工艺的动态电容比14nm工艺低，但是就晶体管性能而言，14nm++依旧是最出色的，10nm和10nm+都无法超越14nm++的水平。 英特尔展示22nm、14nm和10nm工艺下三栅极晶体管的栅极情况。 总的来说，目前英特尔所给出的任何10nm产品都基于早期的10nm工艺，新的Ice Lake大规模量产时间被放在了2019年底，将采用10nm+的工艺生产。这意味着2019年12月的产品可能在单纯衡量晶体管的性能参数方面要落后于2017年10月的14nm++，好在芯片面积会降低很多，这将是一个显著的优势。

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