谈到电脑、手机等硬件的升级,近几年我们都会用 挤牙膏 来形容新一代产品的性能表现。

确实在一年一更新的节奏下,通常产品的性能提升维持在10%~20%之间,鲜有就突破性进展。但每次技术上的跃迁,必标志着我们的世界又进入了一个崭新时代。

随着今年AI在个人用户中的爆发式增长,不仅服务端出现了前所未有超强算力的AI GPU加速卡,而且在终端上,电脑的CPU也实现了技术上的全面跃迁。

CPU早已经不只是CPU

提到CPU,我们的惯性思维,会认为他就是我们电脑的运算核心,我们会非常注重它的性能表现。但实际上,从十年前开始,我们电脑里的那个 黑疙瘩 ,早已不单纯地只具有CPU的功能。

早在2011年,英特尔第二代酷睿处理器(代号Sandy Bridge)就已经将GPU及相关显示输出接口电路与CPU芯片集成在一个Die上。

此外,视频编解码器、信号处理器等各种专用加速单元也被集成入CPU,形成 系统级芯片 ,这大幅提升了CPU的处理效率,并减少了对外围芯片的依赖。

不过随着芯片制造的工艺制程向着越来越精细的尺寸迭代升级,在物理特性上越来越逼近现有材料的性能极限,技术实现越来越困难,芯片制造成本急剧增加。为了能够集成更多电路,同时又能有效控制良率和生产成本,就出现了Chiplet技术。

Chiplet技术是将一个大芯片拆分为多个小芯片(Chiplet),再通过先进封装集成到一起。相比之下,SoC技术是在一块晶圆上制造整个系统。而Chiplet可利用不同厂商的制造技术,让各芯片独立优化,再组装,完美结合性能与成本。被业界视为继SoC之后,新一代系统级芯片解决方案。

虽然Intel最新的酷睿Ultra处理器不是第一款采用Chiplet设计的产品,但这次升级,标志着PC处理器正式进入了一个新的时代。

酷睿Ultra四芯合一

Intel最新Meteor Lake架构酷睿Ultra处理器主要集成了四颗不同制程工艺的小芯片,包括Compute Tile、Graphics Tile、SoC Tile和I/O Tile。

其中Compute Tile部分基于EUV技术的Intel 4制程工艺制造,而Graphics Tile、SoC Tile和I/O Tile则全部由积电代工,采用台积电5nm和6nm制程工艺生产,最后通过英特尔Foveros 3D封装技术将他们连接到一起。

相比历代的单一制程单一晶圆制造,Intel酷睿Ultra不仅在核心架构上实现了异构整合,而且首次采用了多源晶圆制造的方式。可以说是英特尔在工艺技术和芯片设计上的双重突破。

作为全球最大的半导体公司,Intel一直坚持自主可控的芯片工艺技术。早期的摩尔定律推动其处理器性能稳步增长,垂直一体化的封闭生态也成为其支配PC产业的基石。

但是,在芯片制造进10纳米后,Intel工艺技术开始明显落后竞争对手。光刻机物理极限、介电层难题等障碍大幅拖累其迭代速度。

而TSMC等专注晶圆制造的专业代工厂在7nm/5nm节点上不断突破。这迫使Intel开始推动策略性转型,提出了 四年五个制程节点 计划。即通过在四年内推进Intel 7、Intel 4、Intel 3、Intel 20A和Intel 18A五个制程节点,于2025年重获制程领先性。

在该计划的顺利推动下,酷睿Ultra处理器中Compute Tile部分使用了Intel 4制程工艺。同时全新的小芯片设计,在多个制程工艺优势的协同整合下,为Intel重回制程领先争取到宝贵的时间。而chiplet模式也预示着半导体产业将呈现跨厂商、跨国界的高度协作与共生格局。

Intel历代处理器使用的工艺制程和关键技术:

1971年4004使用10微米PMOS工艺

1978年8086使用3微米HMOS工艺

1985年80386使用1.5微米HMOS工艺,首次引入32位

1989年80486使用1微米工艺,集成晶体管数突破100万

1993年Pentium使用0.8微米BiCMOS工艺

1997年Pentium II使用0.35微米CMOS工艺

2000年Pentium III使用0.18微米Coppermine工艺

2006年Core 2使用65纳米工艺,高K金属栅极

2011年第2代酷睿,32纳米工艺,CPU集成GPU

2012年第3代酷睿,22纳米工艺,三栅级FinFET技术

2017年第8代酷睿,14纳米++工艺,Tick工艺节点出现了较大的延迟

2019年第10代酷睿,10纳米、14纳米混用

2021年第12代酷睿,Intel 7(10纳米)工艺,CPU采用性能混合架构,大小核设计

2024年酷睿Ultra,Intel 4(7纳米)工艺,分离式模块化设计,首次采用多源晶圆制造

作者 富联娱乐

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