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姍姍來遲的 10nm 工藝能拯救英特爾嗎？
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SuperFin是英特爾 10nm 最大的亮點，它是FinFET結構的升級版。英特爾將增強型FinFET晶體、Super MIM（金屬-絕緣體-金屬）電容器相結合，打造了全新的SuperFin，能夠提供增強的外延源極/漏極、改進的柵極工藝，額外的柵極間距。英特爾表示，這是該公司有史以來最為強大的單節點內性能增強， 10nm 工藝可以實現節點內超過 15 ％的性能提升，帶來的性能提升可與全節點轉換相媲美。 換言之，在SuperFin技術的加持下，英特爾推出的 10nm 工藝效能可以等同於 7nm 。
有時，好事如同正義，雖會遲到，但還是會來。
本週二，英特爾的頂級工程師們罕見揭開“跳票”已久的Tiger Lake 10nm CPU微架構面紗，後者將出現在 9 月 2 日發布的產品中。設計師們為這款即將面世的Tiger Lake感到驕傲，不過仍被禁止討論處理器性能。這款被稱為英特爾第 11 代CPU的處理器，將與Xe Graphics 配對使用，並惠及服務器到遊戲的所有生態成員。英特爾首席架構師拉賈·科杜里（Raja Koduri）表示，他們還將採用 SuperFin 技術。
▲英特爾的處理器設計方法。
自從不得不推遲 7 奈米製造工藝之後，英特爾也不斷經歷著掙扎。今年早些時候，英特爾首席財務官喬治 · 戴維斯（George Davis）在摩根史坦利 3 月的會議上對投資者承認，公司已經落後於競爭對手台積電，要追趕上至少需要 2 年時間。本月，原首席工程官 Venkata Renduchintala辭職。更早的時候，著名晶片架構師吉姆·凱勒因個人原因離開英特爾。事實上，英特爾盯緊 7nm ，也與 10nm 製程多次延期有關，希冀藉此彌補 10nm 延期所造成的時間損失。如今看來，還是 10 nm 最先守得雲開見月明，未來幾年， 10nm 也將代表英特爾最佳工藝水平。
一、英特爾的掙扎：多次跳票的 10nm
早在 2013 年，英特爾就設想通過 2.7 倍密度的 SAQP、COAG、Cobolt 互連，以及 EMIB 和 Foveros 等新的封裝技術，讓 10nm 晶片成功接過 14nm 晶片接力棒。然而，在將 10奈米技術推向市場時遭遇延誤，並一再跳票。最初 10nm 工藝安排在 2016 年下半年，但是2015 年初，英特爾就推遲相關製造設備的安裝部署。當年 7 月，公司承認大規模量產推遲到 2017 年下半年，並臨時增加 Kaby Lake(七代酷睿)，號稱工藝優化升級為 14nm +。隨後，Intel規劃了基本完整的 10nm 產品線，包括面向低功耗桌面和移動市場的Cannon Lake、針對高端桌面和服務器的Ice Lake、配合新工藝升級架構的的Tiger Lake。
2017 年初CES大展上，Intel首次展示了配備Cannon Lake處理器的筆記本，並保證會在當年晚些時候發布，但 Ice Lake、Tiger Lake都推遲到了 2018 年。 Intel不得不又增加Coffee Lake(八代酷睿)，工藝再次優化為 14nm ++。2018 年 4 月，公司宣布由於良品率問題， 10nm 工藝大規模量產將推遲到 2019 年。2019 年初，英特爾在CES上正式公佈 10nm 製程落地並揭露更多相關細節。
對於長達數年的“跳票“，英特爾給出的解釋包括設想太自信、團隊之間目標不明確、管理混亂以至於計劃一拖再拖。事實上，也與英特爾IDM模式有關。英特爾是為數不多的IDM垂直整合型半導體公司。自己設計晶片架構、自己製造晶片、自己封裝晶片，其它晶片廠商幾乎做不到。這種模式的好處很明顯，英特爾能夠自主根據不同工藝開發不同的CPU架構。因為全自主，新工藝開發的架構可以最大化利用特定工藝優勢，達到更好的匹配與契合。但不足之處在於，將架構與工藝捆綁起來製約了靈活性。比如 10nm 延期之後，英特爾無法使用 14nm 工藝去生產 10nm 製程架構就是典型的例子。
如今，英特爾 10nm 終見曙光，彼時的三星、台積電早就有 10nm ，並已開始量產 7nm 。當然，各家工藝技術不同，沒有直接可比性。英特爾表示，自家 14nm 、 10nm 、 7nm 分別相當於台積電的 10nm 、7nm 、 5nm 。至少從字面看，英特爾在 10nm 製程節點已經做到與台積電 7nm 製程同樣的晶體管集成數量，但是性能究竟如何，仍然是用戶和市場說了算。
二、節點內超過 15 ％的性能提升，SuperFin重新定義FinFET
姍姍來遲的 10nmCPU 也沒有讓市場空等， 10nm CPU創新性的使用了Super Fin工藝。幾年前，英特爾首應用了 22nm FinFET工藝，可以說是晶圓製造歷史上的一次重要革命。FinFET是晶圓製造工藝的一種，稱為鰭式場效應晶體管(Fin Field-Effect Transistor)，其中的Fin在構造上與魚鰭非常相似，所以稱為“鰭式”，而FET的全名是“場效電晶體” 。FinFET的變革性意義在於將傳統晶體管的 2D 結構變為 3D 架構。傳統晶體管結構是平面的，所以只能在閘門的一側控制電路的接通與斷開。但是在FinFET架構中，閘門被設計成類似魚鰭的叉狀 3D 架構，可於電路的兩側控制電路的接通與斷開。這種叉狀 3D 架構不僅能改善電路控制和減少漏電流，同時讓晶體管的閘長大幅度縮減。
但FinFET工藝製造及其複雜，在英特爾的改良應用之下，台積電、三星等廠商才後續跟上。不過隨著製程的發展，FinFET也需要改良。昨日英特爾的揭露的下一代Willow Cove CPU升級了FinFET，它將增強型FinFET晶體、Super MIM（金屬-絕緣體-金屬）電容器相結合，打造了全新的SuperFin，能夠提供增強的外延源極/漏極、改進的柵極工藝，額外的柵極間距。
英特爾官方顯示，與FinFET相比，SuperFin架構性能主要優勢體現在如下方面：
- 增強源極和漏極上晶體結構的外延長度，從而增加應變並減小電阻，以允許更多電流通過通道。
- 改進柵極工藝，以實現更高的通道遷移率，從而使電荷載流子更快地移動。
- 提供額外的柵極間距選項，可為需要最高性能的晶片功能提供更高的驅動電流。
- 使用新型薄壁阻隔將過孔電阻降低了 30 ％，從而提升了互連性能表現。
- 與行業標準相比，在同等的佔位面積內電容增加了 5 倍，從而減少了電壓下降，顯著提高了產品性能。
該技術的實現主要得益於一類新型的高K電介質材料，它可以堆疊在厚度僅為幾埃米(也就是零點幾奈米)的超薄層中，從而形成重複的“超晶格”結構，這也是Intel獨有的技術。「這是該公司有史以來最為強大的單節點內性能增強， 10nm 工藝可以實現節點內超過15 ％的性能提升，帶來的性能提升可與全節點轉換相媲美。」換言之，在SuperFin技術的加持下，英特爾推出的10nm 工藝效能可以等同於7nm 。
英特爾稱， 10nm SuperFin晶體管技術將在代號Tiger Lake的下一代移動酷睿處理器中首發，現已投產，OEM筆記本將在今年晚些時候的假日購物季上市。
三、發布遊戲專用GPU架構，與英偉達、AMD一較高下？
除SuperFin架構，英特爾也揭露了“混合結合（Hybrid bonding）”這一先進封裝技術。如今異構已經成了未來晶片發展的一種趨勢，越來越多的硬體甚至IP將會集成到一塊晶片當中。英特爾提出的封裝技術實際上就相當於一種分解設計，化繁為簡，晶片分為CPU、GPU、IO等，再分別更新或驗證，這樣就可以避免CPU和GPU糾纏一起出現bug的問題。要達到這種設計效果，其中的互聯就變得尤為重要，“混合結合”解決的就是分解設計中的互聯問題，能夠加速實現10 微米及以下的凸點間距，提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。
據透露，使用“混合結合（Hybrid bonding）”技術的測試晶片已在 2020 年第二季度流片。英特爾的這些技術都在下一代酷睿處理器Tiger Lake中體現。據英特爾透露，Tiger Lake將由英特爾全新的Willow Cove架構提供動力，Willow Cove就是基於 10nm 的SuperFin技術。英特爾指出，Tiger Lake將在關鍵計算矢量方面提供智能性能和突破性進展。它是英特爾第一個採用全新 Xe-LP微架構的SoC架構，可以對CPU、AI加速器進行優化，在AI性能、圖形性能上有所提升。Xe-LP是Intel面向PC和移動計算平台的最高效架構，擁有多達 96 個EU，並採用了包括異步計算在內的新架構設計，以提供更大的動態範圍和頻率提升。 Xe-LP之外，英特爾還推出了其他兩款架構版本，Xe-HP和Xe-HPG。
據介紹Xe-HP面向數據中心市場，是業界首個多區塊（multi-tiled）、高度可擴展的高性能架構，可提供數據中心級、機架級媒體性能，GPU可擴展性和AI優化。它涵蓋了從一個區塊（tile）到兩個和四個區塊的動態範圍的計算，其功能類似於多核GPU，有望在 2021 年發布。Xe-HPG專門針對遊戲而設計，添加了基於 GDDR6 的新內存子系統以提高性價比，新增了遊戲及時調整和遊戲銳化兩個新功能，同樣預計同樣在 2021 年發布。值得注意的是，這可能代表著英特爾將首次圍繞遊戲所需的GPU，意味著英特爾打算在這個領域AMD、英偉達一較高下。
所以現在Xe GPU的架構就變成了Xe LP、Xe HPG、Xe HP及Xe HPC四大金剛了，未來會覆蓋核顯到HPC超算在內的多個場景。
除了Tiger Lake之外，英特爾還在本次發布會中提到了另外一款產品——Alder Lake。據介紹，該產品是英特爾的下一代採用混合架構的客戶端產品。 Alder Lake將結合英特爾即將推出的兩種架構——Golden Cove和Gracemont，並將進行優化，以提供出色的效能功耗比。
軟體oneAPI Gold版本將於今年晚些時候推出，為開發人員提供在標量、向量、距陣和空間體系結構上保證產品級別的質量和性能的解決方案。
四、10nm 能拯救英特爾嗎？
英特爾晶片製造工藝的擠牙膏很大程度上拖累了晶片進程。英特爾表示正在嘗試改變其晶片設計與製造的結合方式，暗示它可以使用外部製造商（例如合約晶片製造商台積電）來製造其晶片。Koduri將此新策略稱為“系統彈性設計”。此前有消息傳出英特爾已經在台積電下了不少訂單，不過是GPU訂單。從Super Fin工藝的推出來看，英特爾還是會把CPU製造緊緊的抓在自己手裡，並且作為一大核心優勢。
從目前揭露出的性能看，英特爾的 10nm Super Fin架構的確在技術上前進了不小的一步。但有業內人士認為，相比它的競爭對手們，英特爾還是遲了，即便在SuperFin的加持下， 10nm 也只能是達到 7nm 的技術水平。最大的不確定性在於，英特爾目前的技術進展還處於“PPT階段”，市場上還沒有任何英特爾 10nm 產品的消息。那麼，在Super Fin加持的英特爾 10nm 是否能如期上市，上市表現究竟會如何？還得等市場驗證。
⟪36氪⟫授權轉載
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