這六大技術憑什麼能成為英特爾的“支柱”？
文︱亞亞君
圖︱英特爾
當年，喬峰在聚賢莊力戰群雄時，眾江湖豪傑見識了降龍十八掌的厲害。經思過崖上風清揚傳授，令狐沖無內力瀕死狀態下甚至可以瞬瞎十五名黑衣高手，憑藉的是獨孤九劍這種上乘功夫。從這些招數的名稱可知，這一門功夫下有許多招數，且互相勾連，互相融合。
英特爾一口氣就使出了六招，稱為“六大技術支柱”——製程和封裝、架構、內存和存儲、互連、安全、軟件。該概念首次被提出是在2018年12月英特爾“架構日”活動上，不到半年，在2019年4月3日英特爾直接發佈了一系列以“六大技術支柱”為基礎的新品，前者如“武功口訣”，後者則招招逼人，發佈會上新品密度非常驚人。
其實英特爾自己都沒有察覺，自己的六大技術支柱一口氣挑戰了業內眾多“高手”，同時也在挑戰傳統。
高手過招——製程和封裝
最近幾年對於半導體制程的討論，說的最多的一句話就是“摩爾定律已死”。業界不少大佬都有這樣的言論，其出發點無非想表達的是製程的進一步微縮已經變得越發艱難。從技術角度來講，隨著製程工藝提升，以納米為長度單位的晶體管之間由於距離太短、絕緣層太薄，漏電的情況同樣也就隨之而來了，這反而增加了芯片的功耗。顯然，製程最大的挑戰是芯片的物理極限。
英特爾競爭對手顯然喜歡將摩爾定律“說死”，畢竟該定律出自英特爾聯合創始人之一的戈登·摩爾。但是事實並非如此，正如英特爾中國研究院院長宋繼強在此前4月初的媒體紛享會上所說：“創新的趨勢中不變的是摩爾定律，雖然其擴展速度正在放緩，但摩爾定律的經濟效益將繼續存在”。
此外，在今年的CES、四月份的發佈會上，英特爾10nm的新品都有重點闡述。在今年一季度財報的電話會議上，英特爾表示，自家的10nm工藝技術進展順利，而首批10nm CPU將在年底前大規模商用，其即將開始對新CPU進行認證。
由此可以看出，英特爾並沒有放棄製程推進，而是不斷推動製程發展。其次，英特爾追求摩爾定律經濟效益有更加豐富的方法。正如英特爾官方所說：“領先的製程技術，是構建領先產品的關鍵基礎。英特爾繼續引領先進製程，並在業界首創Foveros 3D封裝技術，在三維空間提高晶體管密度和多功能集成，為計算力帶來指數級提升。”
而這裡提及的3D封裝技術在業內可謂是一場血雨腥風的戰鬥。在ICinsights最新的2019年全球十大半導體廠商預測榜單中，英特爾回到了龍頭位置。但在3D封裝技術上，常年在前十榜單上的三位大咖不容忽視——英特爾、三星、臺積電。當然在榜單外還有一些OSAT（半導體封裝、設計和測試服務的外包提供商）廠。
圖片來源：ICinsights（2019年3月）
臺積電所亮出是WLSI（Wafer-Level-System-Integration）技術平臺，應對異構集成趨勢。該平臺包括CoWoS封裝、InFO封裝等晶圓級封裝技術。2018年中期臺積電又推出了接近 3D封裝層次的多芯片堆疊技術 SoIC，主要是針對 10nm 以下的工藝技術進行晶圓級接合。三星方面，在2018年舉行的三星晶圓代工論壇上，三星公佈了在封測領域的路線圖。三星目前已經可以提供2.5D封裝層次的I-Cube技術，同時計劃2019年推出3D SiP系統級封裝。
而英特爾則提出了革命性的Foveros 3D立體芯片封裝技術，首次為CPU處理器引入了3D堆疊式設計，堪稱產品創新的催化劑，或將成為CPU處理器歷史上一個重要的轉折點。據資料顯示，Foveros 3D封裝技術帶來了3D堆疊的顯著優勢，可實現邏輯對邏輯（logic-on-logic）的集成，為芯片設計提供極大的靈活性。該封裝技術也成為繼2018年推出的嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）2D封裝技術之後的下一個技術飛躍。
英特爾3D封裝的“招數”一個接一個，並非僅僅存在演示中，在2019年CES上，英特爾展示了首款Foveros產品——研發代號為“Lakefield”的全新客戶端平臺。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。確保先前採用分離設計的不同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。
此外，在今年4月3日的發佈會上推出的全新產品家族——英特爾Agilex FPGA，就是完美地結合了基於英特爾10納米制程技術構建的FPGA結構和創新型異構3D SiP技術，將模擬、內存、自定義計算、自定義I/O，英特爾eASIC和FPGA邏輯結構集成到一個芯片封裝中。利用帶有可複用IP的自定義邏輯連續體，英特爾可提供從FPGA到結構化ASIC的遷移路徑。一個API提供軟件友好型異構編程環境，支持軟件開發人員輕鬆發揮FPGA的優勢實現加速。
挖掘處理器性能極限——架構
架構一詞源於英文“architecture”的翻譯，它的原意是建築，建築學，設計及構造的方式和方法。這個詞應用於處理器(CPU)是指處理器內部各個運算部件的有序安排和構造，達到設計的和諧統一，使之在運行時協調一致達到高效率。如果說，上面提及的製程和封裝是內功心法，那這裡的構架則是武功秘籍裡的招式。
有個常用公式：處理器性能 = 主頻 x IPC（IPC：Instruction Per Cycle: 一個時鐘週期完成的指令數，單位為“指令/時鐘週期”）。顯然要提高性能有兩個途徑：提高主頻和提高IPC。從歷史角度來看，處理器經歷了從兆赫驅動年代，到多核年代。前者遭遇了“功率牆”的阻礙，後者則被“內存牆”攔了去路。而先進的架構可以使CPU在單位時間內執行更多的指令，也就是完成更多的任務。
“架構創新在未來十年會是一個主流。”此話出自英特爾中國研究院院長宋繼強之口，這句話顯然綜合了歷史和技術角度。處理器微架構的變化可以改變IPC，效率更高的微架構可以提高IPC從而提高處理器的性能。回顧歷代處理器，我們不難發現英特爾在絕大部分時間內都保持業界的領先地位，無論是早期的P5/P6微架構，還是造就輝煌的Core微架構處理器，都已經或者即將促使整個產業的變革。
英特爾對“武功秘籍”的探索似乎很“貪婪”，其構架非常多樣化，包括標量（Scalar）、矢量（Vector）、矩陣（Matrix）和空間（Spatial），分別應用於CPU、GPU、AI和FPGA產品。用英特爾官方話來說，就是“英特爾能夠支持所有架構類型，同時擁有獨特的設計和製造模式，採用領先的晶體管、創新的封裝技術和廣泛的IP組合，使得英特爾能夠提供業界最具吸引力的產品。”
從技術層面的最新消息來看，在去年12月份的“架構日”上就推出了下一代CPU微架構Sunny Cove，旨在提高通用計算任務下每時鐘計算性能和降低功耗，幷包含了可加速人工智能和加密等專用計算任務的新功能。幷包含了可加速人工智能和加密等專用計算任務的新功能。明年晚些時候，Sunny Cove將成為英特爾下一代處理器（英特爾至強）和客戶端（英特爾酷睿）處理器的基礎架構。
同樣的時間，英特爾推出全新第11代集成圖形卡，配備64個增強型執行單元，比此前的英特爾第9代圖形卡（24個EU）多出一倍，旨在打破每秒1萬億浮點運算次數（1 TFLOPS）的壁壘。同時英特爾放出消息，計劃在2020年推出獨立圖形處理器。
在人工智能領域，英特爾擁有Movidius Myriad X VPU芯片架構，其由少數專門的計算引擎組成。芯片中包含通用處理器和16個SHAVE（流式混合架構向量引擎）處理器，其配有成像和視覺加速器，一個神經計算引擎，以及把所有內容鏈接在一起的智能存儲器結構。另外，英特爾的Nervana NNP 是專為深度學習定做的架構，擁有新的存儲器架構，更高的可擴展性、數值並行化，並且英特爾有將深度學習性能提升100倍的野心，讓用戶從已有硬件（並非專門為 AI 而設計）的性能限制中解放出來。
在FPGA領域，英特爾全新的FPGA平臺Agilex，其採用第二代HyperFlex架構。資料顯示，第二代HyperFlex架構相比英特爾Stratix 10 FPGA，性能提升高達40%，或總功耗降低40%。此外，Hyperflex的架構創新更是可以靈活的把其他的種類計算融合進來。
不僅如此，英特爾還對進行架構創新的新探索，比如Loihi神經擬態計算芯片、量子計算。其中Loihi神經擬態計算芯片解決方案中的系統軟件、算法、應用、芯片和硬件平臺的相互促進為這一進程提供動力。此外，在2018年的CES大會上，英特爾宣佈成功設計、製造和交付49量子比特（量子位）的超導測試芯片Tangle Lake。Tangle Lake代表著英特爾開發完整量子計算系統的進程 - 從架構到算法，再到電子控制。實現一個49-qubit測試芯片是一個重要的里程碑，因為它可以讓研究人員評估和改進糾錯技術和模擬計算問題。
綜上來看，英特爾在架構上不斷突破，並引領創新。而這又是處理器性能的關鍵所在，英特爾似乎手握著處理器性能的關鍵鑰匙。如果將上面所提的兩大技術支柱結合，“內功”和“武功秘籍”糅合，更是誕生了超異構這樣的“武林絕學”——可以把很多現有的、不同節點上已經驗證良好的晶片集成在一個封裝裡。擁有全部“秘籍”的英特爾，未來阻礙其產品創新能力的只有想象力了。
顛覆傳統招數——內存和存儲
金庸迷們想必對“令狐沖思過崖對陣田伯光”的橋段印象深刻，前幾次交手，不管令狐沖如何學習新招數，總是無法破解田伯光的快刀。在風清揚幾句點撥之後——“招式之間不要拘泥，要學會變通”，“誰說只有劍是劍，手也可以”。直接大敗田伯光。令狐沖怎麼也沒有想到，之前所練的華山劍法是如此拘泥，稍加顛覆，便有奇效。
英特爾在內存和存儲技術的立足點就是顛覆，對於傳統的內存技術來說，其本來只分為三級：CPU裡面的緩存最快，然後是內存，內存直接被CPU訪問，不直接訪問的就是存儲。隨著指數級增長的計算續期，內存也在以線性速率增長。
而傳統的模式有兩方面弊端：1，內存帶寬限制會影響數據管道的運行速度；2，在當前的內存系統基礎架構中，依然有兩層空白需要填補，這需要更換慢速旋轉介質來解決這一問題。這三級之間它的速度差是很大的，百倍到千倍的速度差。如果未來計算需要非常大數據的存儲和訪問，這樣的速度差嚴重影響性能。
英特爾的顛覆則是往裡面加入幾級不同的存儲技術。封裝內存插在緩存和DRAM之間，DRAM和存儲之間插入三層：數據中心級的持久內存、還有固態盤、和QLC固態盤。據悉，每一層之間的速度差只有10倍左右，所以是非常平滑的存儲結構，這對提高未來系統性能非常重要。
幾天前，集英特爾傲騰技術和英特爾QLC NAND技術為一體的固態盤全新上市，採用了M.2規格。這種傲騰混合式固態盤上同時集成高速加速技術和大容量固態盤將造福PC用戶日常應用，英特爾這則上市消息中也表明，在本季度末，搭載英特爾傲騰混合式固態盤的第八代英特爾酷睿U系列移動平臺將通過各大主要原始設備製造商上市。其能讓1，多任務處理狀態下，文檔打開速度提高2倍；2，多任務處理狀態下，遊戲啟動速度提高60%；3，多任務處理狀態下，媒體文件打開速度提高90%。
英特爾的存儲技術打破了固有內存的認知，打破了傳統，直接重塑內存層級結構，消除數據瓶頸，這一招屬於技術常年累計後的自然而然的顛覆。
突破極限的兵器——互連、安全、軟件
英特爾的互連戰略應該是六大技術支柱最有意思的了，像一條線串起來了六大戰略，因為英特爾的互連技術可實現片上、封裝內、以及處理器節點間的通信。通過有線網，或者無線網絡，數據將在數據中心、邊緣設備、以及芯片之間傳輸。英特爾在所有這些跨越微米到英里傳輸距離的互連領域都處於領先地位。
據英特爾內部的說法，互連技術領域，英特爾是業內投資部署最廣泛的公司之一。
從微米到英里，像一種非常科幻的說法，類似漫威英雄“蟻人”的大小變換。英特爾的官方介紹中將這種“變換”模式分成了四擋。即：處理器級，處理器與設備之間，數據中心內，世界範圍內。
處理器級的技術上面都有詳細說明。在處理器與設備之間，英特爾具有代表性的是Thunderbolt 3/USB4、CXL技術。
在上個月的一場媒體見面會上，英特爾宣佈將釋出 Intel Thunderbolt協定規格予USB 推廣組織（USB Promoter Group），讓其他芯片製造商能夠生產與 Thunderbolt 技術相容的芯片，且無需支付權利金。其中新一代USB 規格USB4 是建基於英特爾的Thunderbolt 3協定，提供40Gbps 傳輸速度，是USB 3.2 Gen 2×2 的一倍。此外，另一項CXL技術為處理器與處理器之間的超高速互聯新標準，目前構想是用於數據中心，業界有推斷表示未來有機會應用到Intel Xe架構獨立顯示卡，使多張顯示卡（Multi-GPU）可真正共用到存儲器資源，也可能會發展出比NVIDIA SLI或AMD CrossFire更先進的Multi-GPU互聯技術，CPU與GPU的互聯甚或媲美NVIDIA NVLink。
數據中心內的代表技術為英特爾以太網800系列、硅光子、Omni-Path，這裡適合用簡短的一組數字來表達其速度：800 系列十萬兆以太網卡滿足 100Gbps 的連接速率；400G硅光子收發器，通過半導體激光和IC集成電路融合在一起，四束激光各有100Gbps的速度，網絡協議則全面支持Ethernet、InfiniBand、OmniPath等；英特爾Omni-Path Host Fabric支持每端口 100 Gbps，這意味著每個英特爾 OP HFI 端口可提供每端口高達 25 Gbps 的雙向帶寬。
在世界範圍內的傳輸，英特爾代表技術有專門面向5G無線接入和邊緣計算的網絡系統芯片Snow Ridge和可加速多種虛擬化工作負載，包括5G無線接入網絡和5G核心網絡應用的N3000 FPGA。
從微觀到宏觀，從片上到世界範圍的高速連接，英特爾的互連戰略全面突破互連極限。
英特爾六大技術支柱中的安全和軟件也是其突破極限的完美“兵器”。英特爾越是豐富的多樣化戰略佈局，越是會面臨多重安全挑戰，而英特爾可以為多樣化的架構、領先的多層級內存和多層次的互連部署額外的安全技術，能從OEM廠商到雲服務供應商（CSP）和獨立軟件開發商（IVS），英特爾將繼續引領整個行業創新並推進安全工具和資源，以提高雲端應用處理的安全性和隱私保護，提供平臺級威脅檢測並縮小攻擊面。
此外，詳細闡述英特爾軟件戰略的是在去年11月份的一場“英特爾人工智能大會”上，當時英特爾人工智能產品事業部全球數據科學負責人劉茵茵在演講中，一口氣介紹了幾大開發工具。雖說英特爾具有非常強的處理計算的能力，但對於全新硬件架構的每一個數量級的性能提升，軟件能帶來兩個數量級的性能提升。
對於開發者來說，擁有一套利用好英特爾芯片的通用工具集，對於獲得性能的指數級擴展至關重要。英特爾能夠創建統一的軟件架構，全面覆蓋從雲到端的計算。英特爾擁有幾乎適用於任何架構的軟件工具、SDK、API、庫和特殊擴展，並支持開放式平臺，讓軟件堆棧每個層級的開發人員都能為多樣化的架構編寫代碼。此外，英特爾正在開發跨平臺軟件，進一步簡化並延伸整個堆棧中的應用開發。
自通任督二脈
摩爾定律源自英特爾，將其一直髮揚至今。當外界只會關注製程微縮的數字變化，卻忽略英特爾的綜合實力。不難看出，如今製程節點發展速度出現減緩態勢，但我們不要忘了摩爾定律的本質，其不僅僅涉及了晶體管，而是包括晶體管、架構研究、連接性提升、更快速的內存系統和軟件的結合。單說英特爾六大技術支柱任何一項，都是業內非常能打的狀態，英特爾將其進行多維度的創新整合，像是一位武林高手擁有一套羨煞世人的招數，這是非常難能可貴的。
在英特爾對外的演示圖中，六大技術支柱被從裡到外排在了一層一層的圈中，相互嵌套相互協調。從形態上看，像一個堅固的盾牌，技術組合抵禦一切產品挑戰。也像一個車輪，載著歷史不斷前進。像一滴滴落平靜湖面的水滴，展開一圈圈漣漪，飄蕩到無窮的大海。
綜合本文中所例舉的產品例子，可以看出，六大支柱帶來的是產品的全面創新，所以英特爾有了轉型成“以數據為中心”的底氣，正如英特爾公司全球副總裁兼中國區總裁楊旭在今年媒體見面會上發表的“萬有IN力 新格局”的主旨演講中提到的那樣，“英特爾瞄準的是2022年高達3000億美元的市場”，這其中就囊括了PC、移動通訊、數據中心、非易失性存儲、物聯網和FPGA。
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