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2019-03-26 00:08 出处:其他 作者:柒十一 责任编辑:tangzicong

  [PConline 杂谈]从1983年起,英特尔就是全球最大的半导体公司了,不仅营收规模领先其他半导体公司,而且拥有地球上最先进的半导体工艺——没错,英特尔在半导体行业上的优势就是这么逆天,直到2017年,三星超过英特尔成为第一大半导体公司,并在2018年蝉联第一。但是三星半导体做大主要是靠过去两年存储芯片的大涨价实现的,这样做大并不长久,随着内存降价周期的到来,所以今年英特尔又要重新夺回第一的宝座了——越容易得到的就越容易失去,半导体这样需要技术积累的行业是容不得浮夸的。

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  英特尔在全球半导体领域的地位就相当于游戏中的守关“Boss”,其他半导体公司如果拿到击杀Boss的成就将是一个巨大的荣誉,但是通关游戏的玩家都知道击杀最后的Boss并不容易,一个不小心就会被Boss秒杀,三星超越英特尔的成就现在就被英特尔夺回去了,先一步英特尔的目标就是捍卫摩尔定律,证明自己的制造工艺依然是全球最先进的,没有之一,哪怕是10nm FinFET工艺也是要比其他家的7nm工艺更先进。

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  英特尔要想证明这件事也不容易,因为过去几年中,英特尔的制程工艺一直停留在14nm节点,被网友调侃为挤牙膏,而台积电。、三星已经先后量产了16/14、10nm及7nm工艺,单看制程工艺数字的话,英特尔似乎已经落后了两代以上了,以致于广大网友都默认了英特尔工艺落后的现实。

  事实真的如此吗?并不是,对英特尔工艺落后三星、台积电的认知只是存在于不了解技术细节的媒体及网友中,在半导体业内,虽然大家都看到了英特尔在10nm工艺上的延期问题,但没有人敢轻视英特尔的技术,英特尔在工艺及高性能架构上依然是领先的。

 

·都叫14nm工艺,技术水平并不一样

  英特尔是何时被人视为工艺不再领先的呢?是在14nm FinFET这一代上,在22nm节点上英特尔是全球第一家量产FinFET 3D晶体管工艺的,那时候台积电、三星还是28nm、32nm Bulk工艺,英特尔遥遥领先,不过2015年的时候三星、台积电也开始量产14nm FinFET及16nm FinFET工艺,看起来好像是追平了英特尔的14nm工艺,这也是“英特尔工艺落后”这一说法的起源。

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  但实际情况并非如此,英特尔作为摩尔定律的提出者以及最坚定的捍卫者,一直是严格遵守半导体工艺微缩定律的,他们的14nm工艺并不是台积电、三星的14/16nm工艺可比的,后两家的工艺是在20nm工艺上改良的,实际工艺水平是有水分的。

  从技术水平来看,英特尔的14nm工艺在栅极距(gate pitch)、鳍片间距(fin pitch)、金属栅距(metal pitch)等关键指标上都是遥遥领先于其他厂商的工艺的,所以在晶体管密度上英特尔的14nm工艺可以达到每平方毫米3750万个晶体管,而三星、台积电的工艺只有2900万、3050万个晶体管/平方毫米,只比20nm工艺好一点。

  所以在这一代工艺开始,三星的14nm工艺实际上应该是17nm工艺,台积电的16nm其实应该是叫19nm,制程工艺的命名已经变成了数字游戏,英特尔的14nm工艺密度是这两家的1.3倍多,优势很明显。

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  此外,英特尔的14nm工艺也不是一成不变的,实际上从2015年到2017年已经发展出了三代14nm工艺——14nm、14nm+及14nm++,性能及功耗一直在改良,性能提升了26%,功耗降低了52%,这也是为什么从Skylake处理器以来英特尔的酷睿处理器频率一直在提升,第一代14nm工艺的Skylake处理器酷睿i7-6700K的加速频率不过4.2GHz,最多4核8线程,而到了14nm++工艺的Coffee Lake处理器中,CPU核心数提升到了6核、8核,酷睿i9-9900K的单核、双核加速频率甚至达到了5.0GHz,这个提升幅度在改良版工艺中是无出其右的。

  如果英特尔学会耍滑头,他们的三代14nm工艺完全可以学三星、台积电那样分别命名为14nm、12nm、11nm工艺。

 

·制程工艺的数字游戏,三星、台积电带头坏了规矩

  英特尔在制程工艺竞争上为什么“落后”?与其说英特尔老实诚恳,不如说台积电、三星狡猾,利用了媒体及网友对技术的无知,当然英特尔在10nm工艺上的延期也给了他们的一个机会,把制程工艺变成了一场数字游戏,因为在20nm节点之后半导体工艺越来越难,对工艺节点的定义有了分歧,三星、台积电才有把落后工艺改成先进工艺的可能。

  经过多年的科普,现在的网友中很多人都知道了半导体工艺越先进,芯片的性能就越好,功耗还更低,核心面积还会减小,所以芯片的产能会增加,由此带来成本的下降,所以半导体工艺越先进自然是越好的,台积电、三星就是抓住了这样的心理将自家工艺命名为更先进的工艺,在营销上占了上风。

  但是对半导体制程工艺的命名,不论是国际组织ITRS《国际半导体技术蓝图》还是光刻机巨头ASML都是有严格标准的,而英特尔是严格遵守国际规则的,但三星、台积电在最小栅极线宽上玩起了数字游戏,但英特尔院士Mark Bohr表示线宽仅仅代表工艺节点,但要衡量这个工艺的好坏,Gate Pitch栅极间距、Fin Pitc鳍片间距、Fin Pitch最小金属间距、Logic Cell Height逻辑单元高度的参数更具参考意义。

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  为了更好地衡量半导体工艺技术水平,英特尔院士Mark Bohr提出了新的定义标准,如上图所示,英特尔表示使用标准的NAND+SFF(扫描触发器)公式才能更准确地估算逻辑晶体管的密度。

  不过台积电、三星显然是不会听英特尔建议的,他们已经从制程工艺命名的数字游戏中尝到好处,怎么可能现在自废武功去削弱自己在市场营销上的优势呢?所以改变这个问题的关键还是得靠英特尔早点拿出10nm工艺。

 

·英特尔10nm工艺一个打俩:直面友商7nm工艺

  在10nm工艺上,英特尔是走过弯路的,主要是技术指标定的太高,导致量产困难,所以进度是落后了,但是高指标的背后意味着英特尔的10nm工艺技术优势强大,它不仅比友商的10nmnm工艺更先进,比其他两家的7nm工艺也不遑多让。

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  半导体工艺一般的微缩水平是0.7x,换算成面积之后就是新一代工艺的晶体管面积为前代的0.49x,也就是说晶体管密度翻倍就是正常的摩尔定律进化水平了,而在14nm节点上,英特尔实现了2.5倍的晶体管密度,在10nm节点上他们的步子更大了,实现了2.7x倍的晶体管微缩,比业界标准的2x水平高出很多。

  除此之外,TechInsight此前分析了英特尔首款10nm芯片酷睿i3-8121,发现10nm工艺使用了第三代FinFET立体晶体管技术,晶体管密度达到了每平方毫米1.008亿个(符合官方宣称),是目前14nm的足足2.7倍!

  另外,Intel 10nm的最小栅极间距(Gate Pitch)从70nm缩小到54nm,最小金属间距(Metal Pitch)从52nm缩小到36nm,同样远胜对手。

  事实上与现有其他10nm以及未来的7nm相比,Intel 10nm拥有最好的间距缩小指标。

- BEOL后端工艺中首次使用了金属铜、钌(Ru),后者是一种贵金属

- BEOL后端和接触位上首次使用自对齐曝光方案(self-aligned patterning scheme)

- 6.2-Track高密度库实现超级缩放(Hyperscaling)

- Cell级别的COAG(Contact on active gate)技术

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  总之,在10nm工艺上英特尔的工艺技术在性能、功耗、密度、核心面积等方面依然是业界顶级水平的。

 

·10nm工艺遇到Sunny Cove架构:

  尽管有过延期,不过英特尔的10nm工艺已经确定在2019年量产了,这两年的进展也顺利多了。为了更好地发挥10nm工艺的优势,英特尔还推出了全新的内核架构Sunny Cove,将会用于10nm Ice Lake冰湖处理器中。

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  根据英特尔所说,SuunyCove架构主要改进是:

·增强的微架构,可并行执行更多操作。

·可降低延迟的新算法。

·增加关键缓冲区和缓存的大小,可优化以数据为中心的工作负载。

·针对特定用例和算法的架构扩展。例如,提升加密性能的新指令,如矢量AES和SHA-NI,以及压缩/解压缩等其它关键用例。

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  与14nm工艺的Skylake架构相比,Sunny Cove架构在前端解码及后端执行管线等微架构上都做了增强。

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  在前端单元中,Sunny Cove的L1数据缓存从32KB增加到48KB,增加了50%,L2缓存、uop缓存、二级TLB缓存都加大了。

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  在执行方面,Sunny Cove的寻址单元从目前的4个增加到5个,执行单元的接口从8个增加到10个,L1 Store带宽翻倍。

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  此外,Sunny Cove还提高了智能性,分支预测单元准确率更高,并改进了延迟。

  最后,Sunny Cove架构还在加密、安全等特定应用上做了加强,最早之前有爆料称7-Zip的解压缩性能提升了75%,整体性能非常值得期待。

 

·捍卫摩尔定律的又一大招:Foreros 3D封装

  在升级10nm工艺及Sunny Cove架构之后,英特尔这一次还祭出了更强力的杀手锏——Foreros封装技术,这是一种3D封装技术,可以根据需要将不同工艺、不同架构的芯片单元整合到一起,实现性能与能效的灵活配置。

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  根据英特尔所说,该技术提供了极大的灵活性,因为设计人员可在新的产品形态中“混搭”不同的技术专利模块与各种存储芯片和I/O配置。并使得产品能够分解成更小的“芯片组合”,其中I/O、SRAM和电源传输电路可以集成在基础晶片中,而高性能逻辑“芯片组合”则堆叠在顶部。

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  英特尔预计将从2019年下半年开始推出一系列采用Foveros技术的产品。首款Foveros产品将整合高性能10nm计算堆叠“芯片组合”和低功耗22FFL基础晶片。它将在小巧的产品形态中实现世界一流的性能与功耗效率。

 

总结:

  摩尔定律已经提出50多年了,过去一直是指导半导体工艺发展的金科玉律,也是英特尔保持技术领先的关键。在14nm到10nm工艺节点之间,英特尔虽然遭遇了生产延期的考验,但是巨人的转身也是很可怕的,英特尔的10nm工艺技术非常先进,以致于不仅完胜其他家的10nm工艺,对阵他们的7nm工艺也不落下风。

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  在10nm之外,英特尔还推出了Sunny Cove架构以及Foreros 3D封装技术,英特尔高级副总裁、边缘计算解决方案首席架构师及架构、图形解决方案总经理Raja Koduri此前表示英特尔在处理器、架构、存储、互连、安全和软件等六个工程领域都实现了创新。

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