英特爾重演摩爾定律,TT週期迴歸助力智能X效應

智能化機遇為產業創新發展提供 X 效應。2020 年全球新冠肺炎疫情的突發,從醫療救助和生命科學第一線,智能科技發揮關鍵作用,在線診療、影像分析、基因組分析等智能應用井噴式爆發。未來,智能科技、智能應用、智能基礎設施建設將成為“剛需”。

英特尔重演摩尔定律,TT周期回归助力智能X效应

2020 年 4 月 9 日,英特爾以“智存高遠,IN 擎未來”為主題,舉行年度戰略紛享會。英特爾首次提出“數據時代,智能 X 效應”的概念。“X”代表著智能萬物,智能萬物互連構成增值平臺,實現跨產業融合,帶來指數級的數據量爆炸式增長。在數據時代,海量數據的湧現,對於數據的計算、存儲和傳輸帶來了極大的挑戰。在數據量呈指數級增長的同時,數據形態也日趨多樣化,數據實時傳輸的需求也在快速增長,這些都對數據處理能力提出了更高的要求。

今天,ABC(AI、Big Data、Cloud Computing)時代已經來臨,各行各業都在尋求能夠跨越計算、連貫性處理、分析、存儲和傳輸數據的解決方案,從而將數據轉換為能夠指導決策的洞察力,以及提升企業領先優勢的競爭力。

為滿足用戶目標,建立以數據為中心的基礎架構,幫助用戶加快數據傳輸速度、實現更強的數據存儲能力、實時處理一切數據尤為重要。通過不斷地突破與創新,英特爾幫助用戶打破高性能計算的數據傳輸瓶頸、重塑了數據中心內存和存儲層次結構,從通用型 CPU 到 GPU,從可編程加速產品 FPGA 到 ASIC 專用芯片,英特爾“以數據為中心”的產品組合不斷擴展,支持客戶從雲、網絡、邊緣到端的智能部署,奠定雲計算、人工智能、5G 網絡轉型和智能邊緣等多領域創新的數字基石。

從 1968 年以來,英特爾一直致力於構建技術基石,引領計算的創新發展。面向數據時代,英特爾正在加速這一旅程。一方面立足當前,基於六大支柱持續推動計算創新演進。另一方面著眼未來,長遠佈局神經擬態計算、量子計算等新型計算研究。

基於“以數據為中心”的計算時代,需要傳輸數據更快、存儲更多數據和處理一切數據的需求,2018 年 12 月,英特爾提出六大技術支柱戰略,包括先進的製造工藝和封裝、可加速人工智能和圖形等專門任務的新架構、超高速內存、超微互連、嵌入式安全功能、以及為開發者統一和簡化基於英特爾計算路線圖進行編程的通用軟件。六大技術支柱作為英特爾面對以數據為中心的時代發力的方向,是英特爾未來推動自身創新的技術引擎,更是驅動整個行業智能創新變革的原動力。

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首先,我們來看看英特爾的製程技術進展。

2017 年 9 月 19 日,“英特爾精尖製造日”活動在中國北京舉行。首次在中國分享英特爾製程工藝路線圖中的多項重要進展,展現了英特爾持續推動摩爾定律向前發展所獲得的豐碩成果。英特爾表示摩爾定律依然有效,將依然遵循摩爾定律,持續向前推進製程工藝,每一個節點晶體管數量會增加一倍,並帶來更強的功能和性能、更高的能效,而且晶體管成本下降幅度前所未有。

在工藝製程方面,英特爾一向以滿足最嚴苛的摩爾定律而聞名,在大幅縮小晶體管體積的同時,還導入全新材料,希望在產品性能提升方面一舉超前對手。確實,英特爾在工藝研發過程中,一直以世界首創的方式改進製造技術,包括銅互連技術、High-K 技術(2007 年)、FinFET 技術、應變硅技術、鈷材料。

然而在 10 納米工藝製程上,英特爾的先進工藝在性能提升方面真的遇到瓶頸了。原計劃 2016 年推出 10 納米制程,英特爾為了提高芯片性能,在 10 納米工藝開始引入金屬鈷在 MO 和 M1 取代氮化鉭(TaN)做側壁層,導致工藝研發一拖再拖,一直到 2019 年 5 月,才正式公佈以 10 納米制程生產的代號 Ice Lake 的處理器。

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在本次紛享會上,英特爾再次強調,摩爾定律依然有效,公司將繼續推進,製程再次回到兩年的更新週期“Tick-Tock”。英特爾表示,10 納米制程良品率大幅度提升,產能也大幅提升。2020 年將推出 5 款 10 納米新產品,分別是 Jasper Lake 桌面和移動低功耗處理器、Tiger Lake 酷睿移動處理器、ICE Lake 至強可擴展處理器、面向 5G 無線基站的 Snow Ridge SoC 以及基於 Xe 架構的獨立圖形顯卡。

也許是精益求精的結果,倒導英特爾在商業化製程推進中落後於臺積電和三星。不過,英特爾在解決了 10 納米制程痛點後,以極快的速度過渡到更先進的 7nm 工藝。英特爾表示,7 納米產品將於 2012 年首發,2020 年提供完整產品組合,性能將實現每年提升。2017 年北京“英特爾精尖製造日”的精典名句是“老虎不發聲,當我是病貓!”現在看來“病貓”不僅要聲還要發威。

然後,我們來看看英特爾的封裝技術進展。

多年來,英特爾一直在推動異質集成封裝。2014 年發表高密度 2D 芯片封裝技術 EMIB(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,嵌入式多核心互聯橋接),表示該技術是 2.5D 封裝的低成本替代方案;在 2018 年的 HotChip 大會上,發佈了採用高密度 2D 芯片封裝技術 EMIB 封裝的芯片;EMIB 能夠把採用不同節點工藝(10nm、14nm 及 22nm)和不同材質(硅、砷化鎵)、不同功能(CPU、GPU、FPGA、RF)的芯片封裝在一起做成單一處理器。

2018 年 12 月,英特爾首次展示了邏輯計算芯片高密度 3D 堆疊封裝技術 Foveros,採用 3D 芯片堆疊的系統級封裝(SiP),來實現邏輯對邏輯(logic-on-logic)的芯片異質整合,通過在水平佈置的芯片之上垂直安置更多面積更小、功能更簡單的小芯片來讓方案整體具備更完整的功能。

2019 年 7 月,英特爾推出了 EMIB 和 Foveros 技術相結合的創新應用 Co-EMIB,以及全新的全方位互連(ODI)技術。在水平互連和垂直互連同時,實現 Foveros 3D 堆疊之間的水平互連,為芯片封裝帶來絕佳的靈活性。

接下來,我們來看看英特爾的架構方面進展。

2019 年 11 月英特爾披露全新基於 Xe 架構的 GPU,為 HPC 和 AI 工作負載提供優化。Xe 架構是一個非常靈活、擴展性極強的統一架構,針對性地劃分成多個微架構,例如 CPU、GPU、FPGA 等,可用於幾乎所有計算、圖形領域。

CES 2020 上,英特爾首次展示了採用 10 納米工藝基於 Xe 架構的獨立顯卡“DG1”;首個基於 Xe 架構的通用 GPU“Ponte Vecchio”將採用 7 納米工藝,Foveros 3D 封裝,針對高性能計算和 AI 加速市場的,是英特爾首個百億億次級 GPU。

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英特爾除了在六大戰略技術創新之外,還將緊密圍繞“數據”展開對未來計算、未來存儲和未來通信領域進行探索。從未來計算的角度來看,量子計算、神經擬態計算將是非常重要的兩種新型計算方式。從未來存儲的角度來看,讓數據儘可能地靠近計算,是未來數據處理最迫切的需求,讓內存和計算資源更緊密地結合在一起,將讓大規模數據處理的效率大幅攀升。從未來數據通信的的角度來看,硅光子將是一種新的方式。

1、神經擬態計算

2017 年四季度,英特爾就率先發布了首款支持自主學習的類腦芯片 Loihi,集成了 128 個神經形態核心,擁有 13 萬個神經元和 1.3 億個突觸,每個神經擬態計算內核可以模擬多個“邏輯神經元”,片上網絡連接支持高效的脈衝消息分發,擁有高度複雜的神經網絡拓撲,支持多種學習模式的擴展的片上學習能力。

基於 Loihi 芯片可以設計出更大規模的系統,從早期的集成 4 塊 Loihi 主板,進展到集成 32 塊、64 塊,目前可以集成 768 塊 Loihi 芯片,做成一個大規模的神經擬態計算系統,執行大規模的深度學習、神經擬態學習的應用。更神奇的是,與康奈爾大學合作,利用 Loihi 芯片進行讓計算機擁有嗅覺的探索。它僅需單一樣本便可學會識別每一種氣味,且不會破壞它對先前所學氣味的記憶。也許未來,存在明顯噪聲和遮蓋的情況下,識別危險化學品的能力大大加強。

2、量子計算

量子計算是一種全新的計算模式,因為它的底層基礎已經不是經典計算中使用的確定性的二進制比特了,它是利用量子態的系統作為基礎,通過量子位的相干,在多個量子位上可以實現超大規模的並行計算。

2015 年,英特爾與荷蘭 QuTech 開展為期十年的合作計劃。英特爾在量子計算方面同時開展兩個研究方向,一是超導量子位芯片,二是自旋量子位芯片。

在超導量子位方面,2017 年 10 月成功測試 17 量子位,2018 年 1 月發佈了 49 量子位的測試芯片“Tangle Lake”,2019 年 12 月發佈首款低溫量子控制芯片“Horse Ridge”,可控制多達 128 個量子位,堪稱量子實用性道路上的一個重要里程碑。

在自旋量子芯片方面,2018 年 6 月成功測試自旋量子位芯片,量子位寬約 50 納米,該芯片可在零下 273 攝氏度的極低溫度下運行。自旋量子位芯片不含晶體管,而是包含可以容納一個單電子的量子位,計算能力比如今晶體管大得多。

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自旋量子位芯片

英特爾還和產業界、學術界合作,於 2019 年 3 月推出了全球第一臺低溫晶圓探測儀,這也是量子計算首款測試工具,可以在低溫下測試這樣的芯片的計算和存儲是否都是可靠的。

不過,英特爾也強調,量子實用性還有很長的路要走,只有在成千上萬個量子位可靠運行的情況下,量子計算機才能比超級計算機更快地解決實際問題,可能還需要數年時間。

3、近內存計算

近內存計算是讓內存和計算資源更緊密地結合在一起,避免計算等待。具體方法就是將數據在存儲層級向上移動,使其更接近計算部件。這是未來數據處理最迫切的需求,特別是 AI 計算。近內存計算單元,包含乘加器和單獨的靜態內存,能讓內存和計算資源更緊密地結合在一起。

4、硅光子

英特爾在硅光子方面的研究已經超過 20 年,享有首家“用光點亮硅芯片”公司的美譽。

2018 年 8 月英特爾公佈了其新型 100G CWDM4 QSFP28 硅光收發器,具有雙速率 40Gbps/100Gbps 通用 CPRI 和 eCPRI,雙工單模光纖下的使用距離可達 10 公里;2018 年第 4 季度向客戶交付 400 Gbps DR4 硅光子模塊樣品。

2020 年 3 月,英特爾展示了業界首個一體封裝光學以太網交換機。它成功將 1.6 Tbps 的硅光引擎與 12.8 Tbps 的可編程以太網交換機進行了集成。硅光通信時代正在逼近。


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