Nút 14nm của Intel và lõi Broadwell
Các bước mà Intel thực hiện để cập nhật bộ vi xử lý của mình đã được ghi chép lại đầy đủ và là điều đáng mừng đối với bất kỳ ai theo dõi ngành công nghiệp CPU. Nó được gọi là chiến lược “tick-tock” của công ty, trong đó dấu tick đại diện cho một nút thu nhỏ có thể ép nhiều bóng bán dẫn hơn vào một khuôn nhỏ hơn, theo sau là một nút cho biết một bản cập nhật kiến trúc quan trọng. Điều này lặp lại chính nó trong một chu kỳ khoảng một năm rưỡi nhịp. Bộ vi xử lý Haswell 22nm của năm ngoái là một điểm mạnh, vì vậy chúng tôi đang nhanh chóng tiếp cận dấu tích tiếp theo: về cơ bản là một khuôn Haswell thu nhỏ xuống còn 14nm, dấu tích đó được gọi là Broadwell.
Nếu bạn đã quen thuộc với điều này, thì bạn đã biết những gì chúng tôi mong đợi từ tích tắc của Intel: bộ vi xử lý nhỏ hơn, sử dụng điện năng thấp hơn, hiệu suất trên mỗi watt cao hơn và hiệu suất tổng thể tương tự so với sản phẩm thế hệ trước. Sự kỳ vọng đó không nên coi thường thành tích mà chỉ làm nổi bật tính nhất quán của công ty trong một vài thế hệ sản phẩm gần đây nhất. Điều có thể làm bạn ngạc nhiên là sự phát triển này đã tạo ra một bộ xử lý Haswell-Y với TDP đủ thấp để cho phép các thùng loa không quạt dày dưới 9 mm. Đó là một lĩnh vực mà thương hiệu Core của Intel chưa bao giờ mạo hiểm trước đây. Nhưng nhiều hơn về điều đó sau, hãy bắt đầu phân tích của chúng tôi với ngôi sao của chương trình: nút quy trình 14nm mới của Intel.
Nút 14nm: FinFET thế hệ thứ 2
Có vẻ hợp lý khi giả định rằng ký hiệu số của nút quy trình đề cập đến một kích thước cụ thể (tức là nút 22nm hoặc nút 14nm). Trong khi đây là trường hợp của các thế hệ đầu khi phép đo tương ứng với phần nhỏ nhất của bóng bán dẫn (thường là cổng), mối quan hệ này không còn tồn tại trong danh pháp hiện đại.
Các nút ngày nay được đặt tên theo một biểu diễn lý thuyết được thiết kế để chỉ ra quy mô vật lý trung bình của nó so với các nút thế hệ trước. Ví dụ: nếu chúng ta so sánh các nút 22nm với 14nm của Intel, chúng ta thấy rằng bước sóng của bóng bán dẫn (không gian giữa các cánh tản nhiệt) đã giảm từ 60nm xuống 42nm, bước sóng cổng bóng bán dẫn (khoảng cách giữa mép của các cổng liền kề) đã giảm từ 90nm thành 70nm và bước liên kết (không gian tối thiểu giữa các lớp kết nối) đã thay đổi từ 80nm thành 52nm. Một ô nhớ SRAM có diện tích 108 nanomet vuông trên nút 22nm có quy mô xuống 59nm2 trên nút 14nm.
Các kích thước đó nằm trong khoảng từ hệ số tỷ lệ 0,70x (kích thước bước vây bóng bán dẫn) đến 0,54x (tỷ lệ vùng ô nhớ SRAM). Nếu bạn lấy số 22 và nhân nó với 0,64x, bạn sẽ có khoảng 14, vì vậy có lẽ công bằng khi nói rằng Intel đã chỉ định một ký hiệu số thích hợp cho nút quy trình 14nm của mình. Trên thực tế, khuôn Broadwell-Y có diện tích ít hơn khoảng 63% so với khuôn Haswell-Y.
Nút 22nm của Intel là thiết kế bóng bán dẫn FinFET (còn được gọi là Tri-Gate) thế hệ đầu tiên của công ty. Quy trình 14nm mới đại diện cho FinFET thế hệ thứ hai của Intel, với sân vây chặt hơn để cải thiện mật độ. Kết hợp điều này với các cánh tản nhiệt cao hơn và mỏng hơn sẽ tạo ra dòng truyền động cao hơn và hiệu suất bóng bán dẫn tốt hơn. Số lượng vây trên mỗi bóng bán dẫn đã được giảm từ ba xuống hai, điều này cũng cải thiện mật độ trong khi giảm điện dung.
Các đối thủ của Intel hiện đang chuyển đổi từ thiết kế bóng bán dẫn MOSFET sang FinFET, nhưng công ty tuyên bố rằng họ có lợi thế cạnh tranh khi nói đến quy mô vùng logic. Dựa trên thông tin được công bố từ TSMC và liên minh IBM, và sử dụng công thức mở rộng tỷ lệ (cổng chào x mũi kim loại), Intel tuyên bố rằng nút 16nm sắp tới của TSMC không mang lại cải tiến về tỷ lệ vùng logic hơn 20nm và rằng sự cạnh tranh sẽ kéo dài đáng kể trong hai bước tiếp theo các thế hệ. Tất nhiên công thức này chỉ là một số liệu, nhưng nó khiến chúng ta tò mò muốn xem nút 16nm của TSMC sẽ hoạt động như thế nào khi nó được triển khai vào năm tới. Chúng ta cũng phải tự hỏi liệu các định luật vật lý có trở thành rào cản không thể vượt qua dưới quy trình 10nm hay không, điều này có thể khiến đối thủ phải mất một thời gian để bắt kịp Intel. Đã nói rằng, Moore ‘
Hãy nhanh chóng chạm vào sản lượng. Không có công ty bán dẫn nào hoàn toàn minh bạch khi nói đến chủ đề này, nhưng Intel đã chia sẻ một vài thông tin nhỏ. Nói chung, Intel nói với chúng tôi rằng quy trình 22nm của họ tạo ra năng suất cao nhất trong số các thế hệ nút trước đây và năng suất SoC Broadwell 14nm nằm trong phạm vi ổn định và có xu hướng lạc quan. Những sản phẩm đầu tiên đã đạt tiêu chuẩn và hiện đang được sản xuất số lượng lớn, dự kiến sẽ có hàng vào cuối năm 2014.
Điểm mấu chốt của tất cả điều này là giảm rò rỉ, sử dụng điện và chi phí cho mỗi bóng bán dẫn, trong khi cả hiệu suất và hiệu suất trên mỗi watt đều tăng so với nút thế hệ trước. Như chúng tôi đã nói, đây không phải là điều bất ngờ nhưng đó luôn là một sự thay đổi đáng hoan nghênh, đặc biệt nếu nó cho phép các mô hình sử dụng mới. Điều đó phát huy tác dụng khi chúng tôi xem xét các sản phẩm thực tế mà Intel sẽ xuất xưởng trên chip 14nm. Một trong những sản phẩm đó là Broadwell-Y, chip di động thế hệ tiếp theo mà Intel đã chia sẻ chi tiết nhất về nó. Chúng ta sẽ nói thêm về điều đó ở trang tiếp theo, nhưng hãy xem xét các cải tiến kiến trúc chung sẽ được tận dụng trên tất cả các bộ xử lý dựa trên Broadwell trước tiên.
Lõi hội tụ Broadwell
Intel tuyên bố rằng Broadwell tự hào rằng IPC tăng ít nhất 5% so với Haswell. Đó là một sự khác biệt nhỏ, nhưng không có nhiều ngạc nhiên khi xem xét rằng đây là một đánh dấu cải tiến quy trình chứ không phải là một kiến trúc mới.
Do đó, những cải tiến chủ yếu là kết quả của việc tăng cường các nguồn lực hiện có, chứ không phải tái thiết kế chúng. Việc cải thiện mật độ nút 14nm đủ thành công để cho phép Intel có nhiều chỗ hơn để thêm bóng bán dẫn, vì vậy họ đã làm như vậy: bộ lập lịch không theo thứ tự lớn hơn (Intel không chỉ định sự khác biệt về kích thước) dẫn đến chuyển tiếp lưu trữ để tải nhanh hơn. Bộ đệm giao diện bản dịch L2 (TLB) đã được tăng từ 1 nghìn lên 1,5 nghìn mục nhập và một trang mục nhập 1GB / 16 mới của L2 đã được thêm vào. Trình xử lý lỗi trang TLB thứ hai đã được thêm vào để giờ đây có thể thực hiện song song các lần xem trang.
Hệ số nhân dấu phẩy động hiệu quả hơn nhiều, hiện có thể hoàn thành trong ba chu kỳ đồng hồ, điều mà Haswell phải mất năm chu kỳ để hoàn thành. Broadwell cũng có bộ chia cơ số 1,024 và có mục đích nhanh hơn trong việc thực hiện các phép toán thu thập vectơ. Intel cũng khẳng định rằng các dự đoán và trả về chi nhánh được cải thiện.
Ngoài các khu vực chung này, một số chức năng cụ thể đã được nhắm mục tiêu. Các hướng dẫn tăng tốc mật mã được cải thiện và các chuyến đi vòng quanh ảo hóa nhanh hơn. Tất nhiên, mức giảm sử dụng điện năng nằm trong danh sách ưu tiên của Intel và công ty tuyên bố rằng họ chỉ sử dụng bóng bán dẫn cho các tính năng bổ sung hiệu suất với chi phí điện năng tối thiểu. Trên trang tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về một số cách tối ưu hóa hiệu suất và kiểm tra điện năng mà Intel đã triển khai trong Broadwell.
