14-нм узел Intel и ядро Broadwell
Шаги, которые Intel предпринимает для обновления своих процессоров, хорошо задокументированы и знакомы всем, кто следит за индустрией процессоров. Это называется стратегией компании «тик-так», где тик представляет собой сокращение узла, которое может втиснуть больше транзисторов в меньший кристалл, за которым следует тик, указывающий на значительное обновление архитектуры. Это повторяется в цикле примерно полуторагодичной каденции. Прошлогодний 22-нм процессор Haswell был неудачным, поэтому мы быстро приближаемся к следующему шагу: по сути, кристалл Haswell сжимается до 14 нм, этот шаг известен как Broadwell.
Если вы уже знакомы с этим, то вы уже знаете, чего мы ожидаем от тиков Intel: меньшие процессоры, меньшее энергопотребление, более высокая производительность на ватт и аналогичная общая производительность по сравнению с продуктом предыдущего поколения. Это ожидание не должно принижать достижения, а подчеркивать постоянство компании на протяжении нескольких последних поколений продуктов. Что может вас удивить, так это то, что этот прогресс привел к процессору Haswell-Y с достаточно низким TDP, чтобы можно было использовать безвентиляторные корпуса толщиной менее 9 миллиметров. Это арена, на которую бренд Intel Core никогда раньше не заходил. Но об этом позже, давайте начнем наш анализ со звезды шоу: нового 14-нм техпроцесса Intel.
14-нм узел: FinFET 2-го поколения
Может показаться разумным предположить, что числовое обозначение узла процесса относится к определенному размеру (т. е. узлу 22 нм или узлу 14 нм). Хотя это имело место в ранних поколениях, где измерение соответствовало наименьшей части транзистора (обычно затвору), в современной номенклатуре этой взаимосвязи больше не существует.
Сегодняшние узлы названы в честь теоретического представления, предназначенного для обозначения их среднего физического масштаба по сравнению с узлами предыдущего поколения. Например, если мы сравним 22-нм и 14-нм узлы Intel, мы обнаружим, что шаг ребер транзистора (расстояние между ребрами) был уменьшен с 60 нм до 42 нм, шаг затвора транзистора (пространство между краями соседних затворов) увеличился с 90 нм до 70нм, а шаг межсоединений (минимальное расстояние между соединительными слоями) изменился с 80нм до 52нм. Ячейка памяти SRAM, занимающая площадь 108 квадратных нанометров на узле 22 нм, масштабируется до 59 нм2 на узле 14 нм.
Эти размеры варьируются от коэффициента масштабирования от 0,70x (размер шага ребер транзистора) до 0,54x (масштабирование области ячеек памяти SRAM). Если вы возьмете число 22 и умножите его на 0,64x, вы получите около 14, поэтому, вероятно, будет справедливо сказать, что Intel присвоила соответствующее числовое обозначение своему 14-нм техпроцессу. На самом деле кристалл Broadwell-Y имеет примерно на 63% меньшую площадь, чем кристалл Haswell-Y.
22-нанометровый узел Intel представляет собой конструкцию транзистора первого поколения FinFET (также известного как Tri-Gate). Новый 14-нм процесс представляет собой FinFET второго поколения Intel с более узким шагом ребер для повышения плотности. Сочетание этого с более высокими и тонкими ребрами приводит к более высокому току возбуждения и лучшей производительности транзистора. Количество ребер на транзистор было уменьшено с трех до двух, что также повышает плотность при снижении емкости.
Конкуренты Intel в настоящее время переходят с конструкции транзисторов MOSFET на транзисторы FinFET, но компания утверждает, что у нее есть конкурентное преимущество, когда дело доходит до масштабирования логической области. Основываясь на опубликованной информации TSMC и альянса IBM и используя формулу масштабирования (шаг затвора x шаг металла), Intel утверждает, что предстоящий 16-нм узел TSMC не дает улучшения масштабирования логической области по сравнению с 20-нм и что конкуренты будут значительно отставать для следующих двух. поколения. Конечно, эта формула — только одна метрика, но нам любопытно посмотреть, как будет работать 16-нм узел TSMC после его внедрения в следующем году. Мы также должны задаться вопросом, не станут ли законы физики непреодолимым барьером ниже 10 нм, что может дать конкурентам некоторое время, чтобы догнать Intel. Сказав это, Мур’
Давайте быстро коснемся урожайности. Ни одна полупроводниковая компания не является полностью прозрачной, когда речь заходит об этой теме, но Intel поделилась несколькими лакомыми кусочками информации. В общих чертах, Intel сообщила нам, что ее 22-нм техпроцесс дает самый высокий выход за последние несколько поколений узлов, а выход 14-нм SoC Broadwell находится в здоровом диапазоне и имеет оптимистичную тенденцию. Первые продукты прошли квалификацию и в настоящее время находятся в серийном производстве, поступление которых ожидается в конце 2014 года.
Суть всего этого в том, что утечка, энергопотребление и стоимость транзистора снижаются, а производительность и производительность на ватт увеличиваются по сравнению с узлом предыдущего поколения. Как мы уже говорили, в этом нет ничего удивительного, но это всегда долгожданное изменение, особенно если оно позволяет использовать новые модели использования. Это вступает в игру, когда мы рассматриваем фактические продукты, которые Intel будет поставлять на 14-нм узле. Одним из таких продуктов является Broadwell-Y, мобильный чип следующего поколения, о котором Intel поделилась самой подробной информацией. Мы поговорим об этом подробнее на следующей странице, но давайте сначала рассмотрим общие архитектурные усовершенствования, которые будут использоваться во всех процессорах на базе Broadwell.
Конвергентное ядро Broadwell
Intel утверждает, что Broadwell может похвастаться увеличением IPC как минимум на 5% по сравнению с Haswell. Это незначительная разница, но не такая уж большая неожиданность, учитывая, что это отметка улучшения процесса, а не отметка новой архитектуры.
Таким образом, улучшения в основном являются результатом усиления существующих ресурсов, а не их реорганизации. Улучшение плотности узлов 14-нм было достаточно успешным, чтобы дать Intel больше места для добавления транзисторов, что они и сделали: более крупный планировщик неупорядоченного размещения (Intel не указала разницу в размере) приводит к более быстрой пересылке от хранилища к загрузке. L2 Translation Lookaside Buffer (TLB) был увеличен с 1k до 1,5k записей, и была добавлена новая страница входа 1GB/16 L2. Был добавлен второй обработчик промахов страниц TLB, так что обходы страниц теперь могут выполняться параллельно.
Множитель с плавающей запятой намного эффективнее, теперь он может выполнять за три такта то, что Haswell выполняет за пять циклов. Broadwell также имеет делитель с основанием 1024 и предположительно быстрее выполняет операции сбора векторов. Intel также утверждает, что предсказания переходов и возвраты улучшены.
Помимо этих общих областей, были нацелены на некоторые конкретные функции. Инструкции по ускорению криптографии улучшены, а циклы виртуализации выполняются быстрее. Конечно, снижение энергопотребления занимает одно из первых мест в списке приоритетов Intel, и компания утверждает, что тратит транзисторы только на те функции, которые повышают производительность при минимальных затратах энергии. На следующей странице мы узнаем больше о некоторых оптимизациях ограничения мощности и эффективности, реализованных Intel в Broadwell.
