從IBM用14nm說起:製程微縮陷入瓶頸,該如何繼續提升性能?

英特爾還在反覆打磨已經用了7年之久的14nm製程,年復一年,14nm+++已經成了取笑牙膏廠的談資。不過看到下面的新聞你可能就笑不起來了:IBM新一代Z System Z15大型機也是用14nm工藝製造的。

從IBM用14nm說起:製程微縮陷入瓶頸,該如何繼續提升性能?

大型機主要應用在銀行等企業的關鍵業務上,相比x86架構的服務器具有更強的I/O能力、更高的穩定性和可靠性。在Z15中IBM使用的依然是與GlobalFoundries共同設計的SOI工藝定製版14nm FinFET。

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從數字上說,14nm工藝已經很老了。不過藍色巨人還在挖掘它的潛力。Z15擁有122億個晶體管(i9-9900K為17.3億個),比上代Z14提升25%,但芯片體積保持了不變。

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Z15的二級、三級和四級緩存使用了eDRAM,而不是常見的SRAM。相比每個單元需要6個晶體管的SRAM,eDRAM結構更簡單:只需一個晶體管和一個電容。特殊的設計加上精心的優化,使得IBM Z15的eDRAM緩存存儲密度比臺積電5nm工藝下的SRAM更高:

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當然大型機的芯片能夠承受的成本,並不是英特爾製造家用CPU所能接受的。此外,芯片面積過大也影響到良品率。AMD已經證明了Chiplet小芯片設計的優勢,英特爾面臨的問題並不是簡單就能說明白的。

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還有一些領域製程微縮已經停滯很久了。英特爾研發出14nm的同一年,2D TLC閃存發展到15nm,進入瓶頸期再也無法變小。閃存使用特殊結構存儲電子,電子數量過少將導致數據容易出錯,這限制了進一步的製程微縮。

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鎧俠的前身東芝存儲首次宣佈了閃存的3D堆疊技術。閃存進入3D堆疊時代後,曾有過短暫的"復古"期,比如三星24層堆疊初代V-NAND就使用了40nm古董工藝,結果三星的3D TLC在一段時間裡賣的比MLC還要貴。

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3D堆疊解決了製程無法繼續微縮帶來的容量增長難題,而適當的工藝回退是為了在穩定和成本間尋求一個平衡點。當前96層堆疊3D閃存普遍使用19/20nm製程。

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下圖是東芝RD500固態硬盤中使用的BiCS4閃存結構,使用成熟的19nm工藝製造。雖然還有15nm節點可用,但挖掘潛力已經不如增加堆疊層數來的實際。

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除了增加堆疊層數之外,鎧俠(原東芝存儲)還在研發QLC(4bit/cell)和PLC(5bit/cell)技術。甚至還宣佈了一種名為Twin BiCS的閃存新結構:閃存單元能夠一分為二,成倍增加它的存儲容量。

從IBM用14nm說起:製程微縮陷入瓶頸,該如何繼續提升性能?

當製程微縮無法像摩爾定律預言的那樣繼續發展,CPU選擇了多核心戰略提升性能,固態硬盤使用的閃存選擇了3D堆疊提高容量,顯卡顯存選擇了HBM提高帶寬。它們在製程沒有進步的情況下,一樣取得了性能的可持續增長。


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