如何用新的思维方式看待芯片工艺制程?

来源:西贝网
理论上而言,许多因素都在工艺制程上发挥作用。以7nm为例,更小的几何尺寸意味着每平方毫米有更多的晶体管,意味着更高的密度、时钟、散热设计功耗以及更低的晶体管电压。

  芯片的制程从最初的0.35微米到0.25微米,后来又到0.18微米、0.13微米、90nm、65nm、45nm、32nm和14nm。在提高芯片工艺制程的过程中,大约需要缩小十倍的几何尺寸及功耗,才能达到10nm甚至7nm。从苹果与台积电合作到宣布实现5nm芯片只有短短几个月的时间,但真正的问题在于,强调纳米级制程真的重要吗?


  几乎人人都专注于较小的数字且在我们的意识中7nm比10nm或14nm更好,但真实情况比这一逻辑要复杂的多。

  理论上而言,许多因素都在工艺制程上发挥作用。以7nm为例,更小的几何尺寸意味着每平方毫米有更多的晶体管,意味着更高的密度、时钟、散热设计功耗以及更低的晶体管电压。

  台积电和英特尔命名法

  看似相同的制程可能也存在差别。台积电所称的10nm对应于英特尔所称的14nm,台积电及其合作伙伴称之为7nm的技术在对于英特尔而言却是接近10nm。

  大约18个月前,英伟达推出Nvidia Turing,该芯片是台积电12nm芯片。如果纳米是唯一的度量标准,它就不应与大型Vega Radeon VII卡相抗衡。当然,情况并非如此,因为尽管英伟达在晶体管尺寸、电压和密度上都存在缺点,但仍设法提高了IPC的比率。架构对芯片的成功起着关键的作用。英伟达在12nm的波长范围内获得了更好的性能,而AMD在7nm的波长范围内拥有最高功率的Navi芯片,这就意味着,想要打败英伟达GPU工程高级副总裁Jonah Alben ,是十分困难的。

  Nvidia Ampere现在是7纳米,一旦英伟达宣布推出消费类GPU,该如何与7nm制造的AMD下一代大型Navi GPU进行比较将会很有趣。在这种情况下,两家公司的制造几何尺寸相同,但终有一家的速度会更快。

  这一切都将取决于架构,使得更好的栅极和芯片模块能够在给定的晶体管数量和总功率下更快地运行工作负载。

  预计苹果将于2020年9月发布5nm A13,而高通Snapdragon 875预计将使用相同的工艺制程并于今年晚些时候(最有可能在12月)发布。由于禁令,华为可能会被排除在采用5nm芯片之外,但通常情况下,华为是第一批寻求最小晶体管的客户之一。

  由于手机设计受功耗的限制,使得苹果朝着最小的几何尺寸发展。iPhone中,芯片的TDP为2W。相比之下,笔记本电脑可能仍然会通过7至9W TDP进行被动冷却。2W TDP不是很多,这也是为什么苹果、高通和华为在允许的情况下首先追求最小的晶体管的关键原因之一。

  较小的几何尺寸可以随着晶体管获得更高的功率而增加电池寿命,并且从几何学上讲,可以在同一表面上放置更多的晶体管。

  过去,由于功率TDP的限制,ATI / AMD和英伟达是最早追求最小晶体管的公司。GPU可能会消耗尽可能多的电量,因为总是需要更高的分辨率和帧速率。例如,在60Hz时4K 3840x2160分辨率是Full HD 1920x1080 60 Hz的四倍,计算需求是之前的4倍,而到了8K,其计算需求将比Full HD高四倍,即4倍4K或16倍。

  GPU被用于AI和机器学习工作负载的原因之一是它们能够处理大量数据且具有快速的内部互连、快速的内存和大量的带宽。

  CPU与晶体管的神话

  代号为Matisse的AMD Ryzen 3000系列以7nm 台积电制造而闻名,尽管该芯片的I / O部分以12nm制造。事实上,该芯片的重要组成部分不是7nm,但是几乎每个人都将其CPU称为7nm。I / O控制器包括双通道DDR4内存控制器、PCI Express gen 4.0,集成南桥。南桥部分单独负责两个SATA 6 Gbps端口、四个USB 3.1gen 2端口、LPCIO(ISA)和SPI(用于UEFI BIOS ROM芯片)。

  第二代Ryzen 3000(称为Ryzen 3000 XT)将在大约两周内交付,并使用相同的7nm工艺制程。A经AMD证实,其代号为Vermeer(Ryzen 4000)的Zen 3将在2020年推出,目前看来,将在今年晚些时候推出。

  仅从营销上所提及工艺制程上看,英特尔最新的台式机芯片Comet Lake – S为14nm,考虑到英特尔的14nm主要对应于TSMC的10nm,所以Ryzen 3000 Matisse处理器将更具优势,但是Matisse在游戏和每时钟指令都很重要的大多数单调工作负载中表现不佳,AMD在诸如内核数量更多的渲染等工作负载中胜出。Ryzen 9 3950X有16个内核,并且在渲染上曾击败过的Core i9 10900K(10内核)解决方案。

  营销策略在这里起着至关重要的作用,因为事实上,有一定比例的人使用渲染,但是在营销中,关键在于谁获得了最高的CineBench分数。对于最终用户答复电子邮件,编写文档以及观看图片和Netflix而言,16核也起不了多少作用。尤其讽刺的是,再多的内核也无法提升游戏性能。

  与英特尔的Comet Lake-S相比,AMD的XT处理器可能会提高单线程和游戏性能,但预计英特尔将随着Rocket Lake-S的发展采用新架构。关于X86架构中Alder Lake异步大小核心方法的第一个传闻,听起来具有开创性。

  移动笔记本电脑市场

  英特尔首先在Ice Lake上达到10nm,现在追求节能省电的Lakefield,很快就会出现第二代10nm + Tiger Lake。

  AMD凭借其移动产品达到7nm制程并于2020年宣布了一系列Ryzen 3至9笔记本电脑解决方案,覆盖10至54W TPD市场。对于AMD而言,7 nm雷诺阿(Renoir)微体系结构是一个巨大的进步,但在大多数重要工作负载上,它仍然无法胜过Ice Lake。

  AMD将会继续改善,但是10nm以上的Tiger Lake的初步迹象以及其可以在AAA级游戏(如《战地风云5》)中以1080P运行得很好的事实将给AMD笔记本电脑的研发工作带来更多压力。Tiger Lake已经赢得了50多个设计奖项。

  最重要的是,它使用了新的Willow Cove CPU内核,可以更好地针对AI和当今的工作负载进行优化。

  因此,笔记本电脑中Intel的10nm优于7nm AMD解决方案,证明了7nm只是台积电的一个看起来不错的数字。

  尴尬的是,7nm的第二代Ryzen不能击败Comet Lake – S,这是14nm的一个巨大改进,但具有普通Skylake DNA的历史已经超过五年。英特尔找到了一种优化5GHz以上的晶体管、工作负载和时钟的方法,这足以帮助它们在大多数游戏和单线程应用程序中获胜。

  目前的竞争十分激烈,英特尔甚至让AMD喘不过气来,对业界而言是一个好现象。在合理的情况下,英特尔似乎逐渐将目标指向追求更小的节点。这一目标始于移动/笔记本电脑,现在在功率和密度起着重要作用的服务器市场也将采取同样的措施。明年可能会推出首款10nm台式机。

  值得注意的是,关于英特尔的Rocket Lake-S是否采用了新架构并仍在14nm制程的传言是否暗示着英特尔的重大变化。最初为10nm设计的内核可能会发展到14nm。尚且不清楚该核心是否来自Sunny或Willow Cove,但这一问题也将很快就有答案,今年下半年,新的核心架构将与Zen 3 Vermeer对抗。

  总之,芯片制造商应该专注于性能而不是制造纳米营销,问题的关键在于给定工作负载的性能。

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