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再争龙头宝座 英特尔全力冲刺半导体市场
处理器、显示晶片、记忆体三路进击

【作者: 籃貫銘】2019年01月08日 星期二

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2019年对英特尔(Intel)来说,将是个力求重返荣耀的一年,这个曾经的半导体市场龙头,除了在晶片制程微缩的竞赛上落後台积电和三星,去年自家的14奈米处理器的出货也不太顺畅,10奈米产品计画也因故延迟。虽然其资料中心处理器和基频晶片在去年略有斩获,但失去宝座的酸涩,让他们势必要想办法追讨回来。


在去年12月的架构日(Architecture Day)上,英特尔就一举揭露了多项先进技术,包含10奈米的处理器架构,以及新的3D封装技术等;而在产品策略上,也重申将持续朝向数据为核心「Data-Centric」的应用方针。


此外,英特尔也宣布将着手扩厂,同时结束其下晶圆代工的业务,其目标很明显,就是要全力发展下世代的半导体技术,不仅要在制程上跟上领先者,同时也要在运行性能方面,进一步拉开与竞争者间的差距。


10奈米处理器架构「Sunny Cove」

首先,就是去年延迟的10奈米处理器有了更详尽的技术细节。作为下一代的处理器,代号「Sunny Cove」的处理器架构除了采用10奈米制程外,同样也使用新的设计架构,而其思维,就是要针对新世代应用在AI、资料压缩与数据加密的性能上,带来最隹的优化效果。


根据英特尔的说法,「Sunny Cove」将会比前一代更深入、更广泛,也更智慧(Deeper, Wider, and Smarter),而其在技术的推进上,则是进一步提升IPC(performance-per-clock)效能,包含增加专用的寄存器与指令集(AES与SHA-NI),来加速对AI运算的速度。


在硬体方面,10奈米制程理所当然的增加了整体的运算效能,但在新的设计构构理,英特尔则是又提了处理器本身的平行运算能力,同时也增加了暂存与快取的容量,包含L1增加了50%,L2也将依据产品线做不同的提升;而在执行埠(execution ports)也由原先的8个扩增至10个,此外,在储存频宽上也做了增加,一个运算循环能执行两个储存序。



图1 : 代号「Sunny Cove」的处理器除了采用10奈米制程,更大幅增加了快取与平行执行性能,以针对新世代应用带来最隹的优化效果。
图1 : 代号「Sunny Cove」的处理器除了采用10奈米制程,更大幅增加了快取与平行执行性能,以针对新世代应用带来最隹的优化效果。

值得一提的是,此次英特尔特别在快取记忆体上下足了工夫,线性位址空间(linear address space)由48 bits提升至57 bits,同时实体的位址空间也增加到52 bits。


而根据英特尔的发展蓝图,新的「Sunny Cove」架构将会运用在下一代的资料中心(Xeon)与消费型(Core)的处理器上,预计在今年开始出货,但目前没有更确切的时间表。


第11代整合显示晶片技术

自从第一代的整合型显示晶片约在2000年推出之後,英特尔的整合型GPU就势如破竹,一路占据了多数的消费型PC平台,而最新公布的整合型显示晶片已是其第11代产品(但前一代是第9代,没有第10代)。


同样预计在2019年与CPU一起推出,第11代的产品在性能上也同样有明显的提升,英特尔大幅增加了强化执行单元,从原本的24个倍增至64个,让浮点运算效能提升到超过1 Tera FLOPS。此外,第11代的整合显示晶片也大幅强化了对游戏执行的能力,包含支援区块式成像(tile-based rendering)技术,以及Sync技术。


另一方面,由於采用了更先进的制程,新款整合晶片的体积也进一步缩小,仅有前代的75%,但运算资源却是增加了两倍。此外也强化了在影片编解码的支援上,例如:HEVC,以支援4K影片串流,以及8K内容的创作。虽然其性能仍不能跟独立显卡相提并论,但对於笔记型电脑与文书型PC来说,绝对是绰绰有馀。


而除了发表最新一代的整合显示晶片技术外,英特尔也揭露了其次世代的显示晶片架构━「Xe」。这个代号「Xe」的GPU架构预计将在2020年推出,性能将一举达到Peta FLOPS的等级。而根据英特尔的计画,该款GPU将具有即将的可扩展性(scalability),能够支援从AI/资料中心,到重度用户、中阶产品,与整合型的入门用户,而这似??也透漏了在这个架构下,也许传说的英特尔独立显示晶片即将问世。


业界首款3D逻辑晶片堆叠技术

在主流产品的进度更新之後,英特尔也首度展示了其最新的3D晶片技术━「Foveros」。而不同於过去的3D晶片堆叠技术,Foveros是可达成逻辑晶片对逻辑晶片的整合技术。



图2 : 「Foveros」而不同於过去的3D晶片堆叠技术,是可达成逻辑晶片对逻辑晶片的整合技术。
图2 : 「Foveros」而不同於过去的3D晶片堆叠技术,是可达成逻辑晶片对逻辑晶片的整合技术。

英特尔甚至强调,Foveros技术的问世是该公司在3D封装上的一大进展,是继EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)2D封装技术之後的一大突破。


英特尔表示,Foveros的问世,将为装置与系统整合高性能、高密度、低功耗的矽晶片处理技术开辟一条可行的道路。Foveros预期可以扩增超越传统被动中介层(interposers)的晶片堆叠,同时首次把记忆体堆叠到如CPU、绘图晶片和AI处理器等,这类高性能逻辑晶片之上。



图3 : 英特尔强调,Foveros技术的问世是该公司在3D封装上的一大进展。
图3 : 英特尔强调,Foveros技术的问世是该公司在3D封装上的一大进展。

此外,英特尔也强调 ,新技术将提供卓越的设计弹性,尤其当开发者想在新的装置外型中置入结合不同类型记忆体和I/O元素的混合IP区块。它能将产品分拆成更小的「微晶片(chiplets)」结构,让I/O、SRAM和电源传递电路可以被在配建在底层的裸晶上,接着高性能的逻辑微晶片则可进一步堆叠在其上。


英特尔预计,将会在明年的第二季发表一系列的采用Foveros技术的产品,而首款采用该技术的产品将会把高性能的10奈米运算堆叠的逻辑微晶片,与低功耗的22奈米鳍式场效电晶体(FinFET)制程的22FFL底层裸晶结合在一起。而它将能实现一种超小型装置,同时具有世界级的运算效能与极隹的能源效率。


新储存技术更新与建厂计画

在架构日当天,英特尔也更新了其新一代储存技术「Intel Optane DC persistent memory」持久记忆体的最新进展。


英特尔再次强调,此技术是一种革命性的储存技术,能够带来媲美记忆体的效能(memory-like),却同时兼具资料持久储存与大容量的性能。此所以会称之为媲美记忆体,因为这项产品是采用RAM的DDR4的??槽规格,可以??进主机板的RAM槽中,是一大创新的设计。


英特尔表示,这个革命性的技术,能让更多的数据更接近CPU,以让像AI和大型资料库这类需要处理大量数据的应用,可以加快其资料处理的速度。依据英特尔的资料,Intel Optane DC持久型记忆体可为CPU提供64B的cache line读取。当应用程序直接读取Optane DC持久性记忆体时,或者请求的资料没有被快取在DRAM中时,Optane DC的平均空闲读取延迟约为350奈秒(nanoseconds)内。



图4 : 「Intel Optane DC persistent memory」采用RAM的DDR4的??槽规格,可以??进主机板的RAM槽中。
图4 : 「Intel Optane DC persistent memory」采用RAM的DDR4的??槽规格,可以??进主机板的RAM槽中。

而在新厂建置方面,英特尔也在架构日结束後的数日内,发出一篇新闻稿指出,英特尔将从过去的PC-centric转向Data-centric为主的企业,将为更多的应用与市场来提供解决方案,包含运算、分析、储存与资料分享等,将不再仅是CPU的供应商,要竞逐整体超过3000亿美元的半导体市场。


也因此,英特尔将提高资本支出,用来投入新的产能兴建。英特尔技术与制造总经理Ann Kelleher表示,除了将扩大14奈米的产能之外,也将更新在亚利桑那州Fab 42的生产设备。


此外,她更指出,英特尔已决定在新墨西哥州的工厂开发新一代储存和记忆体技术。将於2019年开始在俄勒冈州,爱尔兰和以色列拓展新的生产据点制造场地扩建的早期规划阶段。


Ann Kelleher表示,透过这些新的工厂产能,英特尔将可更快速的回应市场需求,并使供应时间缩短大约60%。


整体来说,这些新技术与新产能的规划,不难看出英特尔已决心大刀阔斧地往其他的半导体市场前进,而第一步就是与CPU最相关的记忆体与显示晶片的市场,而会带来多少的冲击,又会掀起如何的竞争,值得大家继续观察下去。


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