Węzeł 14 nm firmy Intel i rdzeń Broadwell
Kroki, jakie firma Intel podejmuje w celu aktualizacji swoich procesorów, są dobrze udokumentowane i są stare dla każdego, kto śledzi branżę procesorów. Nazywa się to strategią „tick-tak” firmy, w której tik oznacza zmniejszenie węzła, który może wcisnąć więcej tranzystorów do mniejszej matrycy, po czym następuje tik wskazujący na znaczącą aktualizację architektury. Powtarza się to w cyklu mniej więcej półtorarocznym rytmie. Zeszłoroczny procesor Haswell 22 nm był strzałem w dziesiątkę, więc szybko zbliżamy się do następnego tiku: zasadniczo zmniejszenie matrycy Haswella do 14 nm, ten tik jest znany jako Broadwell.
Jeśli już to znasz, to już wiesz, czego oczekujemy od kleszczy Intela: mniejszych procesorów, mniejszego zużycia energii, wyższej wydajności na wat i podobnej ogólnej wydajności w porównaniu z produktem poprzedniej generacji. To oczekiwanie nie powinno umniejszać osiągnięcia tak bardzo, jak podkreślać spójność firmy w ciągu ostatnich kilku generacji produktów. To, co może Cię zaskoczyć, to fakt, że ten postęp zaowocował procesorem Haswell-Y z TDP wystarczająco niskim, aby umożliwić obudowy bez wentylatora o grubości mniejszej niż 9 milimetrów. To arena, na którą marka Intel Core nigdy wcześniej nie zapuszczała się. Ale o tym później, zacznijmy naszą analizę od gwiazdy serialu: nowego 14-nanometrowego węzła procesowego Intela.
Węzeł 14 nm: FinFET drugiej generacji
Rozsądne może wydawać się założenie, że numeryczne oznaczenie węzła procesu odnosi się do konkretnego wymiaru (tj. węzła 22nm lub węzła 14nm). Chociaż tak było we wczesnych generacjach, gdzie pomiar odpowiadał najmniejszej części tranzystora (zwykle bramce), ta zależność nie istnieje już we współczesnej nomenklaturze.
Dzisiejsze węzły noszą nazwy od teoretycznej reprezentacji zaprojektowanej w celu wskazania średniej fizycznej skali w stosunku do węzłów poprzedniej generacji. Na przykład, jeśli porównamy węzły Intel 22nm z 14nm, stwierdzimy, że rozstaw żeber tranzystora (przestrzeń między żebrami) został zmniejszony z 60nm do 42nm, a rozstaw bramek tranzystora (przestrzeń między krawędziami sąsiednich bramek) spadł z 90nm do 70nm, a rozstaw interkonektów (minimalna odległość między warstwami łączącymi) zmienił się z 80nm na 52nm. Komórka pamięci SRAM, która zajmuje 108 nanometrów kwadratowych powierzchni w węźle 22 nm, skaluje się do 59 nm2 w węźle 14 nm.
Wymiary te wahają się od współczynnika skalowania 0,70x (rozmiar skoku żeber tranzystora) do 0,54x (skalowanie obszaru komórki pamięci SRAM). Jeśli weźmiesz liczbę 22 i pomnożysz ją przez 0,64x, otrzymasz około 14, więc można śmiało powiedzieć, że Intel przypisał odpowiednie oznaczenie numeryczne do swojego 14-nanometrowego węzła procesowego. W rzeczywistości matryca Broadwell-Y ma o około 63% mniejszą powierzchnię niż matryca Haswell-Y.
Węzeł 22 nm firmy Intel jest pierwszą generacją tranzystorów FinFET (znanych również jako Tri-Gate). Nowy 14-nanometrowy proces reprezentuje drugą generację FinFET firmy Intel, z węższym rozstawem żeber w celu zwiększenia gęstości. Połączenie tego z wyższymi i cieńszymi żebrami zapewnia wyższy prąd napędowy i lepszą wydajność tranzystora. Liczba żeberek na tranzystor została zmniejszona z trzech do dwóch, co również poprawia gęstość przy jednoczesnym obniżeniu pojemności.
Konkurenci Intela przechodzą obecnie z tranzystorów MOSFET na FinFET, ale firma twierdzi, że ma przewagę konkurencyjną, jeśli chodzi o skalowanie obszaru logicznego. Na podstawie opublikowanych informacji od TSMC i sojuszu IBM oraz przy użyciu formuły skalowania (rozstaw bramki x rozstaw metalu), Intel twierdzi, że nadchodzący węzeł 16 nm TSMC nie przyniesie poprawy skalowania obszaru logicznego w porównaniu z 20 nm i że konkurencja będzie znacznie spadać przez następne dwa pokolenia. Oczywiście ta formuła to tylko jedna metryka, ale ciekawi nas, jak będzie działał węzeł TSMC 16 nm po jego wdrożeniu w przyszłym roku. Musimy się też zastanowić, czy prawa fizyki nie staną się barierą nie do pokonania poniżej 10 nm, co może dać konkurencji trochę czasu na dogonienie Intela. Powiedziawszy to, Moore’
Przejdźmy szybko do plonów. Żadna firma półprzewodnikowa nie jest całkowicie przejrzysta, jeśli chodzi o ten temat, ale Intel podzielił się kilkoma ciekawostkami. Ogólnie rzecz biorąc, Intel powiedział nam, że jego proces 22 nm zapewnia najwyższą wydajność spośród kilku ostatnich generacji węzłów, a wydajność 14 nm Broadwell SoC jest w zdrowym zakresie i ma optymistyczny kierunek. Pierwsze produkty są kwalifikowane i obecnie w produkcji seryjnej, a ich dostępność spodziewana jest pod koniec 2014 roku.
Chodzi o to, że upływ, zużycie energii i koszt na tranzystor są zmniejszone, podczas gdy zarówno wydajność, jak i wydajność na wat są zwiększone w porównaniu z węzłem poprzedniej generacji. Jak powiedzieliśmy, nic z tego nie jest niespodzianką, ale zawsze jest to mile widziana zmiana, zwłaszcza jeśli umożliwia nowe modele użytkowania. To wchodzi w grę, gdy weźmiemy pod uwagę rzeczywiste produkty, które Intel będzie dostarczał w węźle 14 nm. Jednym z tych produktów jest Broadwell-Y, chip nowej generacji do urządzeń przenośnych, o którym Intel udostępnił najwięcej szczegółów. Porozmawiamy o tym więcej na następnej stronie, ale rozważmy najpierw ogólne ulepszenia architektury, które zostaną zastosowane we wszystkich procesorach opartych na Broadwell.
Konwergentny rdzeń Broadwell
Intel twierdzi, że Broadwell może pochwalić się co najmniej 5% wzrostem IPC w stosunku do Haswell. To niewielka różnica, ale nie jest to duże zaskoczenie, biorąc pod uwagę, że jest to krok usprawniający proces, a nie nowy takt architektury.
W związku z tym ulepszenia są w większości wynikiem wzmacniania istniejących zasobów, a nie ich przeprojektowywania. Udoskonalenie gęstości węzłów w 14 nm było na tyle skuteczne, że firma Intel miała więcej miejsca na dodanie tranzystorów, więc tak się stało: większy harmonogram poza kolejnością (Intel nie określił różnicy wielkości) skutkuje szybszym przekazywaniem od magazynu do obciążenia. L2 Translation Lookaside Buffer (TLB) został zwiększony z 1 tys. do 1,5 tys. wpisów i dodano nową stronę wpisów L2 o pojemności 1 GB/16. Dodano drugą procedurę obsługi błędów TLB, dzięki czemu spacery po stronach mogą być teraz wykonywane równolegle.
Mnożnik zmiennoprzecinkowy jest znacznie bardziej wydajny, teraz jest w stanie wykonać w trzech cyklach zegara, co zajmuje Haswellowi pięć cykli. Broadwell ma również dzielnik podstawy 1024 i podobno szybciej wykonuje operacje zbierania wektorów. Firma Intel twierdzi również, że prognozy branżowe i zwroty są lepsze.
Oprócz tych ogólnych obszarów ukierunkowano na pewne specyficzne funkcje. Ulepszono instrukcje przyspieszania kryptografii, a wirtualizacje w obie strony są szybsze. Oczywiście redukcja zużycia energii jest wysoko na liście priorytetów Intela, a firma twierdzi, że wykorzystała tranzystory tylko na funkcje zwiększające wydajność przy minimalnym koszcie energii. Na następnej stronie dowiemy się więcej o niektórych optymalizacjach bramkowania mocy i wydajności, które Intel zaimplementował w Broadwell.
