从IBM用14nm说起:制程微缩陷入瓶颈,该如何继续提升性能?

英特尔还在反复打磨已经用了7年之久的14nm制程,年复一年,14nm+++已经成了取笑牙膏厂的谈资。不过看到下面的新闻你可能就笑不起来了:IBM新一代Z System Z15大型机也是用14nm工艺制造的。

从IBM用14nm说起:制程微缩陷入瓶颈,该如何继续提升性能?

大型机主要应用在银行等企业的关键业务上,相比x86架构的服务器具有更强的I/O能力、更高的稳定性和可靠性。在Z15中IBM使用的依然是与GlobalFoundries共同设计的SOI工艺定制版14nm FinFET。

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从数字上说,14nm工艺已经很老了。不过蓝色巨人还在挖掘它的潜力。Z15拥有122亿个晶体管(i9-9900K为17.3亿个),比上代Z14提升25%,但芯片体积保持了不变。

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Z15的二级、三级和四级缓存使用了eDRAM,而不是常见的SRAM。相比每个单元需要6个晶体管的SRAM,eDRAM结构更简单:只需一个晶体管和一个电容。特殊的设计加上精心的优化,使得IBM Z15的eDRAM缓存存储密度比台积电5nm工艺下的SRAM更高:

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当然大型机的芯片能够承受的成本,并不是英特尔制造家用CPU所能接受的。此外,芯片面积过大也影响到良品率。AMD已经证明了Chiplet小芯片设计的优势,英特尔面临的问题并不是简单就能说明白的。

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还有一些领域制程微缩已经停滞很久了。英特尔研发出14nm的同一年,2D TLC闪存发展到15nm,进入瓶颈期再也无法变小。闪存使用特殊结构存储电子,电子数量过少将导致数据容易出错,这限制了进一步的制程微缩。

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铠侠的前身东芝存储首次宣布了闪存的3D堆叠技术。闪存进入3D堆叠时代后,曾有过短暂的"复古"期,比如三星24层堆叠初代V-NAND就使用了40nm古董工艺,结果三星的3D TLC在一段时间里卖的比MLC还要贵。

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3D堆叠解决了制程无法继续微缩带来的容量增长难题,而适当的工艺回退是为了在稳定和成本间寻求一个平衡点。当前96层堆叠3D闪存普遍使用19/20nm制程。

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下图是东芝RD500固态硬盘中使用的BiCS4闪存结构,使用成熟的19nm工艺制造。虽然还有15nm节点可用,但挖掘潜力已经不如增加堆叠层数来的实际。

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除了增加堆叠层数之外,铠侠(原东芝存储)还在研发QLC(4bit/cell)和PLC(5bit/cell)技术。甚至还宣布了一种名为Twin BiCS的闪存新结构:闪存单元能够一分为二,成倍增加它的存储容量。

从IBM用14nm说起:制程微缩陷入瓶颈,该如何继续提升性能?

当制程微缩无法像摩尔定律预言的那样继续发展,CPU选择了多核心战略提升性能,固态硬盘使用的闪存选择了3D堆叠提高容量,显卡显存选择了HBM提高带宽。它们在制程没有进步的情况下,一样取得了性能的可持续增长。


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