超能課堂：英特爾不再擠牙膏，Sunny Cove遇上3D封裝

前不久英特爾日前聯合加州大學伯克利分校的研究人員開發了一種新的MESO（磁電自旋軌道）邏輯器件，其工作電壓可以從3V降低到500mV，能耗減少10-30倍，性能提升5倍，該技術有望取代現有的CMOS半導體工藝，成為未來計算技術的基礎。英特爾對這個技術很重視，在宣傳上也不遺餘力，這種情況在以往可不多見，畢竟普通人對枯燥的技術是沒興趣了解的。

提到半導體工藝，在這個問題上英特爾被罵了很多年的「擠牙膏」，作為一個編輯深知英特爾這幾年來在CPU架構、指令集及工藝上還是有不少進展的，不過從2014年14nm節點到現在，英特爾在CPU處理器上確實沒有取得明顯進展，以往兩年一升級的Tick-Tock鐘擺戰略也完了，所以英特爾被玩家調侃擠牙膏不是沒理由的。

在上周的英特爾架構日活動上，英特爾一反常態地公布了多項CPU架構、半導體工藝、晶元封裝以及核顯、獨顯架構上的進展。這次會議雖然規模很小，但是影響深遠，標誌著英特爾在未來的晶元架構、工藝上的重大變化。今天的超能課堂我們就來聊聊英特爾的這些變化，特別是Sunny Cove架構及3D封裝Foreros技術。

「摩爾定律」到頭了，線寬微縮終有盡時

如果說英特爾近年來遭遇的難題以及這次轉變，繞不過的一個話題就是摩爾定律，它的提出者戈登·摩爾是英特爾創始人之一，當年提出摩爾定律時還沒有創立英特爾，1965年《電子學雜誌》發表了時任仙童半導體工程師戈登·摩爾的一篇文章，他在文中預言半導體晶元上的晶體管數量會以每年翻倍的速度增長，這個就是「摩爾定律」的由來，這個定律隨後也在不斷修正，1975年摩爾將其改為每2年晶體管數量翻倍。

摩爾定律

摩爾定律在過去50年中成為半導體行業的金科玉律，指導著行業技術發展，英特爾也成為摩爾定律最堅定的支持者，之前的Tick-Tock戰略實際上就是摩爾定律的變種，2年升級一次工藝、架構，每次升級都會大幅降低晶體管成本，提升晶體管密度。

但是摩爾定律沒法一直持續下去，隨著晶體管的不斷縮小，人們開始遇到兩個問題，一個是技術上的，10nm節點及之後，CMOS工藝的柵極氧化層越來越薄，可能只有10個原子的厚度，導致量子效應愈加嚴重，而光刻工藝也會越來越難，目前的預測是5nm節點實際上就是摩爾定律的終結了。

除了技術原因，經濟效應越來越低也是摩爾定律終結的重要原因，此前半導體工藝升級會帶來成本下降，但是隨著工藝微縮困難增加，半導體製造使用的先進材料、多重曝光以及EUV光刻機等都會大幅增加製造成本，晶體管微縮帶來的成本降低已經被增加的成本抵消了。

對於摩爾定律，FinFET工藝及FD-SOI工藝的發明人、加州大學伯克利分校教授，IEEE院士、美國工程院院士、中科院外籍院士胡正明之前提到過「集成電路的發展路徑並不一定非要把線寬越做越小，現在存儲器已經朝三維方向發展了。當然我們希望把它做得更小，可是我們也可以採取其他方法推進集成電路技術的發展，比如減少晶元的能耗。這個方向晶元還有1000倍的能耗可以降低。線寬的微縮總是有一個極限的，到了某種程度，就沒有經濟效應，驅動人們把這條路徑繼續走下去。但是我們並不一定非要一條路走到黑，我們也可以轉換一個思路，同樣可能實現我們想要達到的目的。」

英特爾解綁晶元架構與工藝，向3D封裝進發

儘管英特爾嘴上依然不承認摩爾定律終結，但是這次的架構日上英特爾並沒有提及10nm工藝以及未來的7nm工藝具體進展，他們重點介紹的其實不是製造工藝，而是新型封裝技術Foveros，而3D封裝也被視為後摩爾定律時代的一個方向，這也是上面胡正明教授所說的不要一條道走到黑，轉換思路的結果。

英特爾是一家IDM垂直整合型半導體公司，自己設計晶元架構，自己生產晶元，然後自己封裝晶元。就CPU業務來說，以往的時候，英特爾會針對不同的工藝開發不同的CPU架構，針對新工藝開發的架構可以最大化利用工藝優勢，但是缺點就是架構與工藝捆綁起來，不夠靈活，這也是為什麼英特爾10nm工藝不斷延期，英特爾不能使用14nm生產10nm架構，只能耗著等的原因。

現在英特爾學乖了，工藝跟架構分離，萬一工藝延期了，CPU架構也不用乾等著，理論上英特爾現在就可以用14nm工藝生產原本用於10nm工藝的Ice Lake處理器了。不僅如此，英特爾現在還更上一層樓，帶來了全新的Foveros 3D封裝。

為了讓大家理解Foveros封裝，英特爾做了很詳細的解釋，簡單來說就是單片時代處理器內部的CPU核心、GPU核心、IO單元、內存控制器等子單元都是同一工藝的，但是不同的單元實際上對工藝的需求不同，CPU、GPU核心對性能要求高，上先進工藝是值得的，但是IO單元、控制器單元不需要這麼先進的工藝，所以他們是可以使用不同工藝然後集成到一起的。

在Foveros之前，英特爾推出了EMIB封裝技術，就是把不同的工藝的IP核心集成到一起，而Foveros封裝更進一步，不僅具備2D封裝的所有優勢，還能大幅重構系統晶元。

根據英特爾所說，該技術提供了極大的靈活性，因為設計人員可在新的產品形態中「混搭」不同的技術專利模塊與各種存儲晶元和I/O配置。並使得產品能夠分解成更小的「晶元組合」，其中I/O、SRAM和電源傳輸電路可以集成在基礎晶片中，而高性能邏輯「晶元組合」則堆疊在頂部。

英特爾預計將從2019年下半年開始推出一系列採用Foveros技術的產品。首款Foveros產品將整合高性能10nm計算堆疊「晶元組合」和低功耗22FFL基礎晶片。它將在小巧的產品形態中實現世界一流的性能與功耗效率。

AMD在Zen 2處理器上也使用了類似的封裝

在使用3D封裝提升晶元性能、集成度方面，英特爾其實不孤獨，在他們之前AMD在7nm Zen 2處理器上也使用了類似的理念，其CPU核心使用先進的7nm工藝製造，IO核心、內存控制器等單元使用的是14nm工藝，然後將兩個子單元封裝在一起。

英特爾Core內核路線圖：大小核時代來臨，Sunny Cove首發

在通過Foveros 3D封裝技術「解決」工藝問題之後，英特爾還需要在CPU架構升級來提升IPC性能，因為現在14nm+++工藝潛力挖掘差不多了，哪怕是未來的10nm工藝量產了，性能恐怕也是無法大幅超越14nm工藝的，所以CPU架構對英特爾的作用比以往更重要。

在架構日上，英特爾也更新了Core內核路線圖，實際上是分為兩個類別的，大核心是Core系列，首發的是Sunny Cove微內核，主要聚焦在ST單核性能、全新ISA及並行性三個方面，之後是Willow Cove，改進重點是緩存、晶體管優化、安全功能，再往後是Goden Cove內核，重點是ST單線程、AI性能、網路/5G、安全功能等。

Atom處理器的小核心路線圖升級周期比Core更長，明年首發的是Trement，重點提升ST單線程性能、網路伺服器及續航，2021年還會有Gracemont，重點提升單線程性能及頻率、矢量性能，再往後的架構還沒確定，只是一個方向了。

對PC玩家來說，最期待的還是Sunny Cove架構，2019年開始它會是英特爾下一代伺服器及PC處理器的主力架構。根據英特爾所說，該架構主要改進是：

·增強的微架構，可並行執行更多操作。

·可降低延遲的新演算法。

·增加關鍵緩衝區和緩存的大小，可優化以數據為中心的工作負載。

·針對特定用例和演算法的架構擴展。例如，提升加密性能的新指令，如矢量AES和SHA-NI，以及壓縮/解壓縮等其它關鍵用例。

Sunny Cove架構與Skylake架構對比

上圖就是Sunn Cove（右）與現有的Skylake架構（左）的渲染流水線對比，後者是2015年發布的架構了，第一代14nm處理器Broadwell由於進度關係沒產生什麼影響力，而Skylake架構一直衍生出了Kaby Lake、Coffee Lake、Wisky Lake、Cascade Lake等架構，在移動、桌面及伺服器領域全面開花。

在如何實現CPU IPC性能提升的方式上，英特爾總結了三個字——更深（deeper）、更寬（wider）、更智能（smarter），全面提升從前端到執行單元的性能、位寬。

在更深方面，Sunny Cove的L1數據緩存從32KB增加到48KB，增加了50%，L2緩存、uop緩存、二級TLB緩存都加大了。

在執行管線上，Sunny Cove的分配單元從目前的4個增加到5個，執行介面從8個增加到10個，L1 Store帶寬翻倍。

前面增加緩存、提升操作次數的設計還需要搭配更好的演算法，所以Sunny Cove還要更加智能，提高分支預測的精度，減少延遲等等。

專業性能提升

除了前面的更寬、更深、更智能之外，Sunny Cove架構在專業性能上也有改進，大家可能還記得最早爆料架構日新內容的時候就有7-Zip性能提升75%的爆料，這就是Sunny Cove架構了加密解密指令集的緣故，其他還有AI、內存、網路、矢量等方面的改進。

全新加密指令可以大幅提升7-Zip的性能

英特爾版的big.LITTLE大小核策略：Sunny Cove與Tremont合體

在擁有了Sunny Cove大核以及Tremont小核之後，再加上3D封裝技術Foveros，英特爾終於可以做一些不同尋常的產品了。在架構日當天，英特爾就展示了一種混合X86處理器，大核是Sunny Cove，小核是Tremont，整合了22nm工藝的IO核心以，共享1.5M L2緩存，所有核心共享4MB的LLC緩存，內存控制器是4*16位的，支持LPDDR4，整合了Gen 11核顯，有64個EU單元，Gen 11.5顯示控制器還有新的IPU，支持DP 1.4。

英特爾的這個混合X86處理器就是很早之前曝光的「Lakefield」的處理器，它將採用「Ice Lake」高性能內核和「Tremont」低功耗內核，它主要是給移動市場準備的，類似ARM公司的big.LITTLE大小核架構，需要高性能運算的時候使用大核心，否則使用低功耗核心以降低功耗。

在這個混合X86處理器上，佔用空間小也是個優勢，其尺寸只有12*12*1mm，相當於一個10美分硬幣大小，而且待機功耗只有2mW，低功耗+小體積的優勢非常適合各種移動設備，有助於英特爾更好地跟ARM等移動處理器競爭，守衛自己的領地。

總結：英特爾靈活應對後摩爾定律時代，再戰AMD 7nm

總之， 一直自詡為摩爾定律守衛者的英特爾也不得不考慮後摩爾時代的生存問題了，架構日上他們還是避而不談10nm工藝以及未來的7nm工藝，如果還是像過去那樣等著先進工藝量產才來升級CPU架構，那麼在面對早早採用模塊化設計思路的AMD競爭時，英特爾只怕更無力應對。

Foveros 3D封裝及Sunny Cove就是英特爾給出的答案，通過封裝不同工藝水平的晶元解決了工藝升級的問題，而全新設計的Sunny Cove架構（還有Gen 11核顯這裡沒重點介紹）也進一步提高了Ice Lake處理器的IPC性能。

根據英特爾的消息，2019年他們就會推出Foveros 3D封裝技術的新一代10nm+22nm工藝Sunny Cove處理器，整合Gen 11核顯，而AMD明年推出的是7nm+14nm工藝的Zen 2處理器及Navi GPU核心。雖然目前還不知道這兩家公司具體的桌面處理器規格，但是2019年有好戲看是沒跑了。

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