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再爭龍頭寶座 英特爾全力衝刺半導體市場
處理器、顯示晶片、記憶體三路進擊

【作者: 籃貫銘】   2019年01月08日 星期二

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2019年對英特爾(Intel)來說,將是個力求重返榮耀的一年,這個曾經的半導體市場龍頭,除了在晶片製程微縮的競賽上落後台積電和三星,去年自家的14奈米處理器的出貨也不太順暢,10奈米產品計畫也因故延遲。雖然其資料中心處理器和基頻晶片在去年略有斬獲,但失去寶座的酸澀,讓他們勢必要想辦法追討回來。


在去年12月的架構日(Architecture Day)上,英特爾就一舉揭露了多項先進技術,包含10奈米的處理器架構,以及新的3D封裝技術等;而在產品策略上,也重申將持續朝向數據為核心「Data-Centric」的應用方針。


此外,英特爾也宣布將著手擴廠,同時結束其下晶圓代工的業務,其目標很明顯,就是要全力發展下世代的半導體技術,不僅要在製程上跟上領先者,同時也要在運行性能方面,進一步拉開與競爭者間的差距。


10奈米處理器架構「Sunny Cove」

首先,就是去年延遲的10奈米處理器有了更詳盡的技術細節。作為下一代的處理器,代號「Sunny Cove」的處理器架構除了採用10奈米製程外,同樣也使用新的設計架構,而其思維,就是要針對新世代應用在AI、資料壓縮與數據加密的性能上,帶來最佳的優化效果。


根據英特爾的說法,「Sunny Cove」將會比前一代更深入、更廣泛,也更智慧(Deeper, Wider, and Smarter),而其在技術的推進上,則是進一步提升IPC(performance-per-clock)效能,包含增加專用的寄存器與指令集(AES與SHA-NI),來加速對AI運算的速度。


在硬體方面,10奈米製程理所當然的增加了整體的運算效能,但在新的設計構構理,英特爾則是又提了處理器本身的平行運算能力,同時也增加了暫存與快取的容量,包含L1增加了50%,L2也將依據產品線做不同的提升;而在執行埠(execution ports)也由原先的8個擴增至10個,此外,在儲存頻寬上也做了增加,一個運算循環能執行兩個儲存序。



圖1 : 代號「Sunny Cove」的處理器除了採用10奈米製程,更大幅增加了快取與平行執行性能,以針對新世代應用帶來最佳的優化效果。
圖1 : 代號「Sunny Cove」的處理器除了採用10奈米製程,更大幅增加了快取與平行執行性能,以針對新世代應用帶來最佳的優化效果。

值得一提的是,此次英特爾特別在快取記憶體上下足了工夫,線性位址空間(linear address space)由48 bits提升至57 bits,同時實體的位址空間也增加到52 bits。


而根據英特爾的發展藍圖,新的「Sunny Cove」架構將會運用在下一代的資料中心(Xeon)與消費型(Core)的處理器上,預計在今年開始出貨,但目前沒有更確切的時間表。


第11代整合顯示晶片技術

自從第一代的整合型顯示晶片約在2000年推出之後,英特爾的整合型GPU就勢如破竹,一路佔據了多數的消費型PC平台,而最新公布的整合型顯示晶片已是其第11代產品(但前一代是第9代,沒有第10代)。


同樣預計在2019年與CPU一起推出,第11代的產品在性能上也同樣有明顯的提升,英特爾大幅增加了強化執行單元,從原本的24個倍增至64個,讓浮點運算效能提升到超過1 Tera FLOPS。此外,第11代的整合顯示晶片也大幅強化了對遊戲執行的能力,包含支援區塊式成像(tile-based rendering)技術,以及Sync技術。


另一方面,由於採用了更先進的製程,新款整合晶片的體積也進一步縮小,僅有前代的75%,但運算資源卻是增加了兩倍。此外也強化了在影片編解碼的支援上,例如:HEVC,以支援4K影片串流,以及8K內容的創作。雖然其性能仍不能跟獨立顯卡相提並論,但對於筆記型電腦與文書型PC來說,絕對是綽綽有餘。


而除了發表最新一代的整合顯示晶片技術外,英特爾也揭露了其次世代的顯示晶片架構-「Xe」。這個代號「Xe」的GPU架構預計將在2020年推出,性能將一舉達到Peta FLOPS的等級。而根據英特爾的計畫,該款GPU將具有即將的可擴展性(scalability),能夠支援從AI/資料中心,到重度用戶、中階產品,與整合型的入門用戶,而這似乎也透漏了在這個架構下,也許傳說的英特爾獨立顯示晶片即將問世。


業界首款3D邏輯晶片堆疊技術

在主流產品的進度更新之後,英特爾也首度展示了其最新的3D晶片技術-「Foveros」。而不同於過去的3D晶片堆疊技術,Foveros是可達成邏輯晶片對邏輯晶片的整合技術。



圖2 : 「Foveros」而不同於過去的3D晶片堆疊技術,是可達成邏輯晶片對邏輯晶片的整合技術。
圖2 : 「Foveros」而不同於過去的3D晶片堆疊技術,是可達成邏輯晶片對邏輯晶片的整合技術。

英特爾甚至強調,Foveros技術的問世是該公司在3D封裝上的一大進展,是繼EMIB(Embedded Multi-die Interconnect Bridge)2D封裝技術之後的一大突破。


英特爾表示,Foveros的問世,將為裝置與系統整合高性能、高密度、低功耗的矽晶片處理技術開闢一條可行的道路。Foveros預期可以擴增超越傳統被動中介層(interposers)的晶片堆疊,同時首次把記憶體堆疊到如CPU、繪圖晶片和AI處理器等,這類高性能邏輯晶片之上。



圖3 : 英特爾強調,Foveros技術的問世是該公司在3D封裝上的一大進展。
圖3 : 英特爾強調,Foveros技術的問世是該公司在3D封裝上的一大進展。

此外,英特爾也強調 ,新技術將提供卓越的設計彈性,尤其當開發者想在新的裝置外型中置入結合不同類型記憶體和I/O元素的混合IP區塊。它能將產品分拆成更小的「微晶片(chiplets)」結構,讓I/O、SRAM和電源傳遞電路可以被在配建在底層的裸晶上,接著高性能的邏輯微晶片則可進一步堆疊在其上。


英特爾預計,將會在明年的第二季發表一系列的採用Foveros技術的產品,而首款採用該技術的產品將會把高性能的10奈米運算堆疊的邏輯微晶片,與低功耗的22奈米鰭式場效電晶體(FinFET)製程的22FFL底層裸晶結合在一起。而它將能實現一種超小型裝置,同時具有世界級的運算效能與極佳的能源效率。


新儲存技術更新與建廠計畫

在架構日當天,英特爾也更新了其新一代儲存技術「Intel Optane DC persistent memory」持久記憶體的最新進展。


英特爾再次強調,此技術是一種革命性的儲存技術,能夠帶來媲美記憶體的效能(memory-like),卻同時兼具資料持久儲存與大容量的性能。此所以會稱之為媲美記憶體,因為這項產品是採用RAM的DDR4的插槽規格,可以插進主機板的RAM槽中,是一大創新的設計。


英特爾表示,這個革命性的技術,能讓更多的數據更接近CPU,以讓像AI和大型資料庫這類需要處理大量數據的應用,可以加快其資料處理的速度。依據英特爾的資料,Intel Optane DC持久型記憶體可為CPU提供64B的cache line讀取。當應用程序直接讀取Optane DC持久性記憶體時,或者請求的資料沒有被快取在DRAM中時,Optane DC的平均空閒讀取延遲約為350奈秒(nanoseconds)內。



圖4 : 「Intel Optane DC persistent memory」採用RAM的DDR4的插槽規格,可以插進主機板的RAM槽中。
圖4 : 「Intel Optane DC persistent memory」採用RAM的DDR4的插槽規格,可以插進主機板的RAM槽中。

而在新廠建置方面,英特爾也在架構日結束後的數日內,發出一篇新聞稿指出,英特爾將從過去的PC-centric轉向Data-centric為主的企業,將為更多的應用與市場來提供解決方案,包含運算、分析、儲存與資料分享等,將不再僅是CPU的供應商,要競逐整體超過3000億美元的半導體市場。


也因此,英特爾將提高資本支出,用來投入新的產能興建。英特爾技術與製造總經理Ann Kelleher表示,除了將擴大14奈米的產能之外,也將更新在亞利桑那州Fab 42的生產設備。


此外,她更指出,英特爾已決定在新墨西哥州的工廠開發新一代儲存和記憶體技術。將於2019年開始在俄勒岡州,愛爾蘭和以色列拓展新的生產據點製造場地擴建的早期規劃階段。


Ann Kelleher表示,透過這些新的工廠產能,英特爾將可更快速的回應市場需求,並使供應時間縮短大約60%。


整體來說,這些新技術與新產能的規劃,不難看出英特爾已決心大刀闊斧地往其他的半導體市場前進,而第一步就是與CPU最相關的記憶體與顯示晶片的市場,而會帶來多少的衝擊,又會掀起如何的競爭,值得大家繼續觀察下去。


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