原創:芯智訊

2018年的英特爾度過了它50歲的生日,同時也在這一年給吃瓜群眾造了不少料。不過這也沒什么好唏噓的,畢竟沒有任何一家企業能夠運氣好到在不斷創造佳績的同時,一帆風順,沒有一點挫折。今天我們重點來看看,這家50年來一直引領科全球科技的企業,如何在當今更為激烈的競爭環境中保持創新勢頭。

下面芯智訊就從芯片制程工藝、異構及3D封裝技術、人工智能、5G、前沿技術研究等多個維度來解析英特爾目前的現狀:

一、摩爾定律未死,英特爾制程工藝并未落后

摩爾定律是由英特爾創始人之一的戈登·摩爾(Gordon Moore)于半個世紀前提出來的。其主要內容為,“當價格不變時,集成電路上可容納的晶體管數目,約每隔18-24個月便會增加一倍。”在摩爾定律誕生之后幾十年,半導體制程技術的發展也基本遵循著這一定律向前推進。

但是,英特爾此前從22nm升級到14nm之時,其周期就已經超過了2年,而現在,英特爾的14nm自2014年年中量產到現在已經持續戰斗了4年多的時間。雖然在這過程中英特爾持續優化,推出了14nm+及14nm++等改良版,但是原本最遲在2017年應該量產的10nm卻到現在還沒量產。如此看來,摩爾定律似乎確實已失效。

但是,需要注意的是,根據英特爾的公布的數據顯示,從英特爾的32nm開始到后面的22nm,每兩年的時間,晶體管密度(單位面積下晶體管的平均數量)的提升都超過了兩倍(32nm的晶體管密度是45nm的2.27倍)。而且從22nm升級到14nm,以及從14nm升級到10nm,對應的晶體管密度則分別提升了2.5倍和2.7倍。

從上面的圖來看,從2008年45nm推出到2018年(原定的時間)10nm量產,時間周期為10年,同樣單位面積下的晶體管數量提升了約32.6倍,也就是說,如果以整個周期內平均來算,每兩年晶體管的數量增長是超過2倍的(32的5次方根等于2)。這也意味著即使英特爾的10nm推遲到了2019年量產,也并未完全打破摩爾定律。

作為晶圓代工市場的老大,臺積電去年在英特爾10nm制程還沒量產之前,就實現了7nm工藝的量產,這也使得外界出現了英特爾的芯片制程技術已落后臺積電聲音,但這并不是事實,因為英特爾的制程工藝的命名規則與臺積電是不同的,比較二者單位面積下的邏輯晶體管數量才更為實際。

根據英特爾公布的其10nm工藝的細節數據來看,英特爾最新的10nm制程工藝雖然比三星、臺積電的10nm工藝推出時間雖然略晚,但是它的邏輯晶體管密度卻達到了后者的兩倍。此外,英特爾10nm的鰭片間距、柵極間距、最小金屬間距、邏輯單元高度等指標均領先于臺積電和三星的10nm。

按照英特爾的說法,雖然臺積電的7nm工藝搶先量產,但是其仍只是相當于英特爾的10nm工藝。

在CES 2019開幕前夕,英特爾正式發布了第一款10納米的ICE Lake處理器。ICE Lake整合英特爾全新的“Sunny Cove”微架構、AI使用加速指令集以及英特爾第11代核心顯卡。已確定于今年年底上市。

英特爾的10nm工藝雖然確實延遲了,但是其7nm工藝的開發卻非常的順利(在10nm上積累的很多新的技術和經驗,比如四圖案成形技術等,可以在后續的7nm上復用)。不久前,英特爾負責人Renduchintal在接受采訪時表示:英特爾10nm和7nm制程的研發團隊是分開的,英特爾目前很滿意7nm制程的研發進度。10nm處理器的遞延并沒有阻礙其7nm處理器的進展。

二、異構與3D封裝技術

前面提到,摩爾定律雖然并未“死去”,但是要想繼續維持也確實遇到了不小的阻力。而摩爾定律不僅是一個有關價格和集成度(晶體管數量)的規律,其實際還包括了性能(晶體管數量與性能程線性正相關)。因為實際反映到用戶體驗上的就是價格和性能。如果價格不變,每兩年晶體管數量翻番變得困難,那么通過異構SoC以及先進的3D封裝技術來實現價格不變,每兩年性能翻番也是一個可行的方向。

2017年3月,英特爾在美國舊金山舉行的 Intel Technology and Manufacturing Day 2017 大會上正式發布了新的EMIB嵌入式多芯片互連技術,可以將不同制程下的芯片組件封裝到一起,解決了處理器性能與成本之間的矛盾問題。

英特爾的EMIB技術

而在去年年底的英特爾架構日活動上,英特爾推出了業界首創的3D邏輯芯片封裝技術——Foveros,可實現在邏輯芯片上堆疊邏輯芯片。

上面這張圖展示了Foveros 3D封裝技術如何與英特爾嵌入式多芯片互連橋接(EMIB)2D封裝技術相結合,將不同類型的小芯片IP靈活組合在一起。

英特爾表示全新的“Foveros”3D封裝技術,可支持混合CPU架構設計,將確保先前采用分離設計的不同IP整合到一起,同時保持較小的SoC尺寸。據悉,英特爾預計將從2019年下半年開始推出一系列采用Foveros技術的產品。首款Foveros產品將整合高性能10nm計算堆疊“芯片組合”和低功耗22FFL基礎晶片。它將在小巧的產品形態中實現一流的性能與功耗效率。

在今年的CES展會上,英特爾就首次展示了基于混合CPU架構和“Foveros”3D封裝技術的全新SoC平臺“Lakefield”。該平臺首次引入了類似Arm big-LITTLE大小核架構,將1個10nm Sunny Cove核心和4個Atom系列的10nm Tremont核心通過Foveros 3D 芯片堆疊技術封裝到了一起。確保先前采用分離設計的不同IP整合到一起,同時保持較小的SoC尺寸,功耗也可以控制的非常低。

雖然這樣的設計,此前在Arm處理器當中已經比較常見,但是在英特爾x86處理器當中卻是首次,而且,其應該還能支持不同制程的IP混搭。這也反映了英特爾在芯片技術上的持續創新與銳意進取。

三、端到端的AI解決方案

談到與人工智能相關的AI芯片領域,很多人第一時間會想到Nvidia以及寒武紀等知名AI芯片初創公司,而對于英特爾,可能更多人的印象依然停留在“PC/服務器芯片領域的霸主”,但實際上,在備受關注的AI芯片領域,英特爾也依然是擁有著絕對的實力。而且,相對于更側重于機器學習領域的Nvidia來說,英特爾還擁有從云到端的全棧式AI解決方案。

從英特爾的AI芯片布局來看,Xeon系列、FPGA、Nervana以及針對服務器的10nm ICE Lake,將主要用于云端AI或云端中間層設備,而對應終端AI,英特爾除了現有的CPU產品之外,還有Myriad系列VPU和Mobileye EQ系列。

除了硬件之外,英特爾在整套人工智能產品組合中還提供了標準統一的軟件優化和編程工具以及智能API。

去年8月,英特爾還基于自身現有的硬件平臺開發了一套可以加快高性能計算機視覺和深度學習視覺應用開發速度工具套件——OpenVINO,可以支持在各種英特爾平臺的硬件加速器上進行深度學習,并且允許直接異構執行。

總結來說,英特爾從芯片硬件、庫和語言、框架、工具到應用方案,包括存儲和互聯技術等,通過一系列的底層軟件庫以及機器學習算法的創新,構建了一套完整的端到端的人工智能解決方案。

四、5G時代的引領者

5G時代的大幕即將拉開!雖然2020年左右5G才開始規模商用,不過,今年多家手機廠商都將會搶先推出5G智能手機,以爭奪市場先機。而在這背后,則離不開5G基帶芯片廠商的支持。

目前,已公布5G基帶芯片的廠商包括高通、英特爾、華為、三星、聯發科、展銳等,從技術和商用進程角度來看,英特爾與高通、華為、展銳等都屬于第一陣營。

繼2017年11月,英特爾宣布了其首款5G基帶芯片——XMM 8060之后,2018年11月13日,英特爾相比之前預計的時間提前了半年,推出了其第二款5G基帶芯片XMM8160。

Intel XMM 8160 5G基帶芯片

而在近日的MWC2019展會上,英特爾又聯合中國通信模塊廠商——廣和通,面向全球市場推出了首款5G通信模組:Fibocom FG100。這款模組內置Intel XMM 8160 5G基帶芯片,采用M.2封裝,實現“One World One SKU”的全球統一版本,可為全球物聯網市場提供5G移動通信解決方案。

Fibocom FG100

除了在5G終端領域的布局之外,在今年的CES上,英特爾還推出了針對無線基站的10nm工藝5G SoC芯片,代號Snow Ridge,預計今年下半年上市。

值得一提的是,2017年6月,英特爾正式加入了奧林匹克全球合作伙伴計劃,雙方達成長期技術合作伙伴關系。英特爾的5G技術有望在2020年東京奧運會上大顯身手。而在2018年的冬奧會上,英特爾就已經率先為其提供了5G網絡支持。

五、前沿科技研究

雖然目前摩爾定律仍然可以繼續推進,但是隨著現有的硅半導體工藝越來越逼近原子級別,摩爾定律的維持已經是愈發的困難。而為了推動摩爾定律繼續前行,英特爾很早就開始積極研究,如納米線晶體管、III-V材料(如砷化鎵和磷化銦)晶體管、硅晶片的3D堆疊、高密度內存、(EUV)光刻技術、自旋電子、神經元計算、量子計算等一系列前沿技術項目。

神經擬態計算芯片Loihi

早在2017年9月底的時候,英特爾就公布了其首款神經擬態計算(類腦)芯片Loihi,這是全球首款具有自我學習能力的芯片。

量子計算

量子計算是利用量子疊加和量子糾纏來實現邏輯運算,量子計算機則擁有超強的計算能力。業界普遍認為,量子計算將是一種顛覆性的新技術。近年來IBM、谷歌、英特爾以及國內的眾多研究機構都在積極的進行量子芯片的研發。

英特爾還將超導量子計算測試芯片的量子位從 7、17 提高到 49(從左到右)

2018年1月9日,英特爾在美國拉斯維加斯CES展上宣布,其已向合作伙伴交付首個49量子位量子計算測試芯片“Tangle Lake”。

在英特爾公司副總裁兼英特爾研究院院長Michael C. Mayberry看來,相對于傳統計算,量子計算最大的優勢是可以并行地運行數據,它表示數據的能力達到傳統計算機的50倍,使得我們可以處理在固定內存時間內傳統計算機解決不了的問題。

自旋電子

除了在神經元計算、量子計算方面的進展之外,英特爾在自旋電子技術等方面也已經取得了突破。

去年12月,英特爾和加州大學伯克利分校的研究人員在《自然》雜志上發表的論文顯示,英特爾利用自旋電子技術可以在保持現有的CMOS芯片的性能下,將芯片尺寸縮小到目前尺寸大小的五分之一,并將降低能耗90-97%。

顯然,該技術一旦商業成功,將可為近年來處理性能增長平平的芯片產業帶來巨大的動力,推動摩爾定律繼續前行。

小結:

通過以上對于英特爾在芯片制程工藝、異構及3D封裝技術、人工智能、5G、前沿技術等多個角度的介紹,不難看出,英特爾仍然是創新力十足,而這也是一直以來驅動英特爾持續引領全球科技的關鍵。

從英特爾的研發投入來看,多年來都在持續增長,2018年已達135億美元。根據IC Insights的數據顯示,2017年全球研發投入最多的15大半導體公司中,英特爾以約130億美元的研發投入排名第一,遠超排名第二的高通(研發投入只有34.5億美元)。足見英特爾在半導體領域的研發投入之大。而這也正是英特爾能夠持續引領創新的一大保障。

對于英特爾的未來,剛被任命為英特爾CEO的Robert(Bob)Swan在其公開信當中也表示,將推動英特爾持續進擊,銳意創新。英特爾將從以PC為中心轉型成為以數據為中心的公司,為驅動世界創新奠定技術基石。

作者:芯智訊-浪客劍