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从8年酷睿进化史看摩尔定律发展之殇

01从“Tick-Tock”到“PAO”

从2014年的Broadwell开始,英特尔酷睿处理器正式迈入14nm工艺时代。在此之后的四年中,酷睿处理器的制程工艺并没有多少实质性的进展,包括2015年的Skylake、2016年的Kaby Lake以及2017年以来集多种微架构于一身的八代酷睿全部都是基于14nm工艺,尽管14nm依据能耗被区分成了14nm、14nm+、14nm++三种,但是它们始终没有脱离14nm这个节点,甚至连即将发布的9000系处理器都很可能仍旧是14nm工艺。

英特尔创始人之一、摩尔定律提出者——戈登·摩尔

半个世纪以来,被半导体行业奉为圭臬的摩尔定律一直按部就班地指挥着硅晶体管密度的增长频率,从最初的“每年翻番”到“每十八个月翻一番”,戈登·摩尔用他独一无二的前瞻视角谱写着半导体行业的神话。然而,当时间临近21世纪第二个10年的时候,CPU制程工艺的脚步却慢了下来——14nm已经鏖战了四代酷睿处理器,这是否意味着那个曾经的摩尔定律已经不再奏效?

要回答摩尔定律是否失效这个问题,我们不妨先来回顾一下英特尔历代酷睿处理器所用的制程工艺。(本文仅讨论2010年发布至今、大家更为熟悉的酷睿i处理器)

CPU、GPU独立封装的Clarkdale微架构处理器(图左)

英特尔在2010年推出了基于Westmere微架构的酷睿i系列处理器,其中主流桌面平台的Clarkdale被英特尔自诩为第一代酷睿处理器,主要原因是Clarkdale第一次将GPU图形核心封装在处理器内,尽管CPU和GPU在当时还是两个相互独立的Die,但是不可否认,Clarkdale开创了CPU与GPU融合的先河。与此同时,在CPU部分应用32nm工艺也属首次。

“Tick-Tock”钟摆模型

按照英特尔“Tick-Tock”钟摆模型的迭代策略,Westmere微架构当属其中的“Tick”环节,也就是更新处理器的制程工艺。一年后的Sandy Bridge则属于“Tock”环节,也就是在升级制程工艺的基础上更新处理器的微架构。这个在2007年正式提出的“Tick-Tock”钟摆模型按照两年一更新处理器制程工艺的节奏稳步向前推进。

更先进的制程工艺带来更高的能耗比

此后的四年中,酷睿处理器相继迎来了22nm工艺的Ivy Bridge、Haswell以及14nm工艺的Broadwell、Skylake,处理器在更先进的制程工艺以及微架构的帮助下不断提升性能,同时功耗也在逐步降低,换言之,也就是CPU的每瓦性能在逐渐提高。

14nm+制程工艺改进了鳍片高度与栅极间距

然而,当时间来到2016年,英特尔的“Tick-Tock”钟摆模型似乎遇到了麻烦。本应该在当时采用10nm的Kaby Lake却依然徘徊在14nm节点上,尽管英特尔在14nm之后添上了一个“+”的后缀,并且标榜了通过改进鳍片高度与栅极间距使其获得了更少的驱动电流以及更好的发热控制,但是这依然无法打消人们对摩尔定律前景的担忧。

“Tick-Tock”钟摆模型变为“PAO”模型

更严重的后果是,Kaby Lake的推出直接宣告了“Tick-Tock”模型的死亡,两年一更新制程工艺的节奏已经不再适用处理器的迭代频率。为了找到一种更合理的解释方法,英特尔转而拿出了“Process、Architecture、Optimization”,也就是“制程、架构、优化”三步走的制程发展策略。这样一来,Kaby Lake也就有了看上去相当完美的落脚点——优化。

三代14nm之间的能耗关系

如果说Kaby Lake是“PAO”模型中的优化环节,那么按照这个思路,接下来的Coffee Lake理应进入到新一轮的升级制程环节。但是事与愿违,Coffee Lake依然是14nm,并且在前辈Kaby Lake 14nm+的基础上再次增加了一个“+”,变成14nm++,这让刚刚走马上任的“PAO”模型略显尴尬。

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