Il nodo Intel a 14 nm e il Broadwell Core
I passaggi che Intel intraprende per aggiornare i suoi processori sono ben documentati e vecchio stile per chiunque segua il settore delle CPU. Viene definita la strategia “tic-toc” dell’azienda, in cui il segno di spunta rappresenta una riduzione del nodo che può spremere più transistor in un die più piccolo, seguito da un segno di spunta che indica un aggiornamento significativo dell’architettura. Questo si ripete in un ciclo di circa un anno e mezzo di cadenza. Il processore Haswell a 22 nm dell’anno scorso è stato un toccasana, quindi ci stiamo avvicinando rapidamente al prossimo tick: essenzialmente un die Haswell si riduce a 14 nm, quel tick è noto come Broadwell.
Se hai già familiarità con questo, allora sai già cosa ci aspettiamo dai tick di Intel: processori più piccoli, consumo energetico inferiore, prestazioni per watt più elevate e prestazioni complessive simili rispetto al prodotto della generazione precedente. Questa aspettativa non dovrebbe sminuire il risultato quanto evidenziare la coerenza dell’azienda nelle ultime generazioni di prodotti. Ciò che potrebbe sorprendervi è che questa progressione ha portato a un processore Haswell-Y con un TDP sufficientemente basso da consentire contenitori senza ventole con uno spessore inferiore a 9 millimetri. Questa è un’arena in cui il marchio Intel Core non si è mai avventurato prima. Ma ne parleremo più avanti, iniziamo la nostra analisi con la star dello spettacolo: il nuovo nodo di processo a 14 nm di Intel.
Il nodo a 14 nm: FinFET di seconda generazione
Potrebbe sembrare ragionevole presumere che la designazione numerica di un nodo di processo si riferisca a una dimensione specifica (cioè il nodo a 22 nm o il nodo a 14 nm). Mentre questo era il caso nelle prime generazioni in cui la misura corrispondeva alla parte più piccola del transistor (di solito il gate), questa relazione non esiste più nella nomenclatura moderna.
I nodi di oggi prendono il nome da una rappresentazione teorica progettata per indicare la sua scala fisica media rispetto ai nodi di generazione precedente. Ad esempio, se confrontiamo i nodi Intel da 22 nm a 14 nm, troviamo che il passo delle alette del transistor (lo spazio tra le alette) è stato ridotto da 60 nm a 42 nm, il passo del gate del transistor (lo spazio tra il bordo delle porte adiacenti) è passato da 90 nm a 70 nm e il passo di interconnessione (lo spazio minimo tra gli strati di interconnessione) è cambiato da 80 nm a 52 nm. Una cella di memoria SRAM che occupa 108 nanometri quadrati di area sul nodo a 22 nm si riduce a 59 nm2 sul nodo a 14 nm.
Tali dimensioni vanno da un fattore di scala di 0,70x (la dimensione del passo dell’aletta del transistor) a 0,54x (ridimensionamento dell’area della cella di memoria SRAM). Se prendi il numero 22 e lo moltiplichi per 0,64x ottieni circa 14, quindi è probabilmente corretto dire che Intel ha assegnato una designazione numerica appropriata al suo nodo di processo a 14 nm. In effetti, il dado Broadwell-Y ha circa il 63% in meno di area rispetto al dado Haswell-Y.
Il nodo a 22 nm di Intel è il design del transistor FinFET di prima generazione (noto anche come Tri-Gate) dell’azienda. Il nuovo processo a 14 nm rappresenta il FinFET di seconda generazione di Intel, con un passo delle alette più stretto per una migliore densità. La combinazione di questo con alette più alte e più sottili si traduce in una maggiore corrente di pilotaggio e migliori prestazioni del transistor. Il numero di alette per transistor è stato ridotto da tre a due, il che migliora anche la densità riducendo la capacità.
I concorrenti di Intel stanno attualmente passando dai design dei transistor MOSFET a quelli FinFET, ma la società afferma di avere un vantaggio competitivo quando si tratta di ridimensionamento dell’area logica. Sulla base delle informazioni pubblicate da TSMC e dall’alleanza IBM e utilizzando la formula di scaling (gate pitch x metal pitch), Intel afferma che il prossimo nodo a 16 nm di TSMC non produce alcun miglioramento del ridimensionamento dell’area logica oltre i 20 nm e che la concorrenza seguirà in modo significativo per i prossimi due generazioni. Ovviamente questa formula è solo una metrica, ma ci rende curiosi di vedere come si comporterà il nodo a 16 nm di TSMC una volta implementato il prossimo anno. Dobbiamo anche chiederci se le leggi della fisica non diventeranno una barriera insormontabile sotto i 10 nm, il che potrebbe dare alla concorrenza un po’ di tempo per raggiungere Intel. Detto questo, Moore’
Tocchiamo rapidamente i rendimenti. Nessuna azienda di semiconduttori è completamente trasparente quando si tratta di questo argomento, ma Intel ha condiviso alcune informazioni. In termini generali, Intel ci ha detto che il suo processo a 22 nm produce la resa più alta delle ultime generazioni di nodi e che la resa del SoC Broadwell a 14 nm è in un intervallo sano e tende in una direzione ottimistica. I primi prodotti sono qualificati e attualmente in produzione in serie, con disponibilità prevista a fine 2014.
Il punto di tutto questo è che le perdite, il consumo di energia e il costo per transistor sono ridotti, mentre sia le prestazioni che le prestazioni per watt sono aumentate rispetto al nodo della generazione precedente. Come dicevamo, niente di tutto ciò è una sorpresa ma è sempre un gradito cambiamento, soprattutto se abilita nuovi modelli di utilizzo. Ciò entra in gioco quando consideriamo i prodotti effettivi che Intel spedirà sul nodo a 14 nm. Uno di questi prodotti è Broadwell-Y, il chip mobile di nuova generazione su cui Intel ha condiviso la maggior parte dei dettagli. Ne parleremo di più nella pagina successiva, ma consideriamo prima i miglioramenti architetturali generali che verranno sfruttati su tutti i processori basati su Broadwell.
Il nucleo convergente di Broadwell
Intel afferma che Broadwell vanta un aumento dell’IPC di almeno il 5% rispetto ad Haswell. Questa è una piccola differenza, ma non è una sorpresa considerando che si tratta di un miglioramento del processo e non di una nuova architettura.
In quanto tali, i miglioramenti sono principalmente il risultato del rafforzamento delle risorse esistenti, non della loro reingegnerizzazione. Il miglioramento della densità dei nodi a 14 nm ha avuto abbastanza successo da consentire a Intel più spazio per aggiungere transistor, così è stato: uno scheduler out-of-order più grande (Intel non ha specificato la differenza di dimensioni) si traduce in un inoltro store-to-load più veloce. L2 Translation Lookaside Buffer (TLB) è stato aumentato da 1k a 1,5k voci ed è stata aggiunta una nuova pagina di ingresso da 1 GB/16 di L2. È stato aggiunto un secondo gestore di pagine mancanti TLB in modo che le passeggiate di pagina possano ora essere eseguite in parallelo.
Il moltiplicatore a virgola mobile è molto più efficiente, ora in grado di realizzare in tre cicli di clock ciò che Haswell richiede cinque cicli per essere completato. Broadwell ha anche un divisore radix-1.024 ed è presumibilmente più veloce nell’esecuzione di operazioni di raccolta vettoriale. Intel afferma inoltre che le previsioni e i rendimenti delle filiali sono migliorati.
Oltre a queste aree generali, sono state prese di mira alcune funzionalità specifiche. Le istruzioni di accelerazione della crittografia sono state migliorate e i round trip della virtualizzazione sono più veloci. Naturalmente, la riduzione del consumo energetico è in cima all’elenco delle priorità di Intel e l’azienda afferma di aver speso transistor solo per le funzionalità che aggiungono prestazioni con un costo energetico minimo. Nella pagina successiva, impareremo di più su alcune delle ottimizzazioni di power gating e di efficienza che Intel ha implementato in Broadwell.
