Nó de 14nm da Intel e o Broadwell Core
As etapas que a Intel toma para atualizar seus processadores estão bem documentadas e são velhas para quem segue a indústria de CPU. É referido como a estratégia “tick-tock” da empresa, onde o tick representa uma redução de nó que pode espremer mais transistores em um die menor, seguido por um tock que indica uma atualização significativa da arquitetura. Isso se repete em um ciclo de aproximadamente um ano e meio de cadência. O processador Haswell de 22nm do ano passado era um tock, então estamos nos aproximando rapidamente do próximo tick: essencialmente um encolhimento de matriz Haswell para 14nm, esse tick é conhecido como Broadwell.
Se você já está familiarizado com isso, já sabe o que esperamos dos tiques da Intel: processadores menores, menor consumo de energia, maior desempenho por watt e desempenho geral semelhante em comparação com o produto da geração anterior. Essa expectativa não deve menosprezar a conquista, mas destacar a consistência da empresa nas últimas gerações de produtos. O que pode surpreendê-lo é que essa progressão resultou em um processador Haswell-Y com um TDP baixo o suficiente para permitir gabinetes sem ventoinha com menos de 9 milímetros de espessura. Essa é uma arena na qual a marca Core da Intel nunca se aventurou antes. Mas mais sobre isso depois, vamos começar nossa análise com a estrela do show: o novo nó de processo de 14nm da Intel.
O Nó de 14nm: FinFET de 2ª Geração
Pode parecer razoável supor que a designação numérica de um nó de processo se refere a uma dimensão específica (ou seja, o nó de 22 nm ou o nó de 14 nm). Enquanto este era o caso nas primeiras gerações, onde a medida correspondia à menor parte do transistor (geralmente a porta), essa relação não existe mais na nomenclatura moderna.
Os nós de hoje são nomeados após uma representação teórica projetada para indicar sua escala física média em relação aos nós da geração anterior. Por exemplo, se compararmos os nós de 22nm a 14nm da Intel, descobrimos que o passo da aleta do transistor (o espaço entre as aletas) foi reduzido de 60nm para 42nm, o passo da porta do transistor (o espaço entre as bordas das portas adjacentes) passou de 90nm para 70nm, e o pitch de interconexão (o espaço mínimo entre as camadas de interconexão) mudou de 80nm para 52nm. Uma célula de memória SRAM que ocupa 108 nanômetros quadrados de área no nó de 22 nm é reduzida para 59 nm2 no nó de 14 nm.
Essas dimensões variam de um fator de escala de 0,70x (o tamanho do passo da aleta do transistor) a 0,54x (escala da área da célula de memória SRAM). Se você pegar o número 22 e multiplicá-lo por 0,64x, terá cerca de 14, então provavelmente é justo dizer que a Intel atribuiu uma designação numérica apropriada ao seu nó de processo de 14 nm. Na verdade, o molde Broadwell-Y tem cerca de 63% menos área do que o molde Haswell-Y.
O nó de 22 nm da Intel é o design de transistor FinFET de primeira geração da empresa (também conhecido como Tri-Gate). O novo processo de 14 nm representa o FinFET de segunda geração da Intel, com um passo de aleta mais apertado para maior densidade. A combinação disso com aletas mais altas e mais finas resulta em maior corrente de acionamento e melhor desempenho do transistor. O número de aletas por transistor foi reduzido de três para dois, o que também melhora a densidade enquanto diminui a capacitância.
Os concorrentes da Intel estão atualmente migrando de projetos de transistores MOSFET para FinFET, mas a empresa afirma que tem uma vantagem competitiva quando se trata de dimensionamento de área lógica. Com base nas informações publicadas da TSMC e da aliança IBM, e usando a fórmula de escala (gate pitch x metal pitch), a Intel afirma que o próximo nó de 16 nm da TSMC não produz melhoria de escala de área lógica acima de 20 nm e que a concorrência será significativamente menor nos próximos dois gerações. É claro que essa fórmula é apenas uma métrica, mas nos deixa curiosos para ver como o nó de 16 nm da TSMC funcionará quando for implementado no próximo ano. Também temos que nos perguntar se as leis da física não se tornarão uma barreira intransponível abaixo de 10 nm, o que pode dar à concorrência algum tempo para alcançar a Intel. Dito isso, Moore’
Vamos abordar rapidamente os rendimentos. Nenhuma empresa de semicondutores é completamente transparente quando se trata desse assunto, mas a Intel compartilhou algumas informações. Em termos gerais, a Intel nos disse que seu processo de 22 nm produz o maior rendimento das últimas gerações de nós e que o rendimento do Broadwell SoC de 14 nm está em uma faixa saudável e tendendo a uma direção otimista. Os primeiros produtos estão qualificados e atualmente em produção em volume, com previsão de disponibilidade no final de 2014.
O ponto de tudo isso é que o vazamento, o uso de energia e o custo por transistor são reduzidos, enquanto o desempenho e o desempenho por watt são aumentados em comparação com o nó da geração anterior. Como dissemos, nada disso é uma surpresa, mas é sempre uma mudança bem-vinda, especialmente se permitir novos modelos de uso. Isso entra em jogo quando consideramos os produtos reais que a Intel enviará no nó de 14nm. Um desses produtos é o Broadwell-Y, o chip móvel de última geração sobre o qual a Intel compartilhou mais detalhes. Falaremos mais sobre isso na próxima página, mas vamos considerar primeiro as melhorias gerais de arquitetura que serão aproveitadas em todos os processadores baseados em Broadwell.
O núcleo convergente Broadwell
A Intel afirma que Broadwell possui pelo menos um aumento de IPC de 5% sobre Haswell. Essa é uma pequena diferença, mas não é uma surpresa, considerando que este é um tique de melhoria de processo e não um novo toque de arquitetura.
Como tal, as melhorias são principalmente o resultado do reforço dos recursos existentes, não da reengenharia deles. A melhoria da densidade de nós de 14 nm foi bem sucedida o suficiente para permitir à Intel mais espaço para adicionar transistores, então eles fizeram: um agendador fora de ordem maior (a Intel não especificou a diferença de tamanho) resulta em um encaminhamento mais rápido da loja para a carga. O L2 Translation Lookaside Buffer (TLB) foi aumentado de 1k para 1,5k entradas, e uma nova página de entrada de 1GB/16 de L2 foi adicionada. Um segundo manipulador de falta de página TLB foi adicionado para que as caminhadas de página agora possam ser executadas em paralelo.
O multiplicador de ponto flutuante é muito mais eficiente, agora capaz de realizar em três ciclos de clock o que Haswell leva cinco ciclos para completar. Broadwell também tem um divisor de base 1.024 e é supostamente mais rápido na execução de operações de coleta de vetores. A Intel também afirma que as previsões e os retornos das filiais foram aprimorados.
Além dessas áreas gerais, algumas funcionalidades específicas foram direcionadas. As instruções de aceleração de criptografia são aprimoradas e as viagens de ida e volta de virtualização são mais rápidas. É claro que a redução do uso de energia está no topo da lista de prioridades da Intel, e a empresa afirma que gastou apenas transistores nos recursos que adicionam desempenho com um custo mínimo de energia. Na próxima página, aprenderemos mais sobre algumas das otimizações de eficiência e controle de energia que a Intel implementou em Broadwell.
