跳票数年，英特尔10nm终现身：SuperFin重新定义晶体管架构，节点内性能提升超过15%
SuperFin是英特尔10nm最大的亮点，它是FinFET结构的升级版。英特尔将增强型FinFET晶体、Super MIM（金属-绝缘体-金属）电容器相结合，打造了全新的SuperFin，能够提供增强的外延源极/漏极、改进的栅极工艺，额外的栅极间距。
英特尔表示，这是该公司有史以来最为强大的单节点内性能增强，10nm工艺可以实现节点内超过15％的性能提升，带来的性能提升可与全节点转换相媲美。换言之，在SuperFin技术的加持下，英特尔推出的10nm工艺效能可以等同于7nm。
本文来自微信公众号：机器之能（ID：almosthuman2017），作者： 微胖、徐丹，题图来自：视觉中国
有时，好事如同正义，虽会迟到，但还是会来。
本周二，英特尔的顶级工程师们罕见揭开“跳票”已久的Tiger Lake 10nm CPU微架构面纱，后者将出现在9月2日发布的产品中。设计师们为这款即将面世的Tiger Lake感到骄傲，不过仍被禁止讨论处理器性能。
这款被称为英特尔第11代CPU的处理器，将与Xe Graphics配对使用，并惠及服务器到游戏的所有生态成员。英特尔首席架构师拉贾·科杜里（Raja Koduri）表示，他们还将采用SuperFin技术。
英特尔的处理器设计方法。
自从不得不推迟7纳米制造工艺之后，英特尔也不断经历着挣扎。今年早些时候，英特尔首席财务官乔治 · 戴维斯（George Davis）在摩根士丹利3月的会议上对投资者承认，公司已经落后于竞争对手台积电，要追赶上至少需要2年时间。
本月，原首席工程官Venkata Renduchintala辞职。更早的时候，著名芯片架构师吉姆·凯勒因个人原因离开英特尔。
事实上，英特尔盯紧7nm，也与10nm制程多次延期有关，希冀借此弥补10nm延期所造成的时间损失。如今看来，还是10nm最先守得云开见月明，未来几年，10nm也将代表英特尔最佳工艺水平。
一、英特尔的挣扎：多次跳票的10nm
早在2013年，英特尔就设想通过2.7倍密度的SAQP、COAG、Cobolt互连，以及EMIB和Foveros等新的封装技术，让10nm芯片成功接过14nm芯片接力棒。
然而，在将10纳米技术推向市场时遭遇延误，并一再跳票。
最初，10nm工艺安排在2016年下半年，但是，2015年初，英特尔就推迟相关制造设备的安装部署。当年7月，公司承认大规模量产推迟到2017年下半年，并临时增加 Kaby Lake（七代酷睿），号称工艺优化升级为14nm+。
随后，Intel规划了基本完整的10nm产品线，包括面向低功耗桌面和移动市场的Cannon Lake、针对高端桌面和服务器的Ice Lake、配合新工艺升级架构的的Tiger Lake。
2017年初CES大展上，Intel首次展示了配备Cannon Lake处理器的笔记本，并保证会在当年晚些时候发布，但Ice Lake、Tiger Lake都推迟到了2018年。Intel不得不又增加Coffee Lake（八代酷睿），工艺再次优化为14nm++。
2018年4月，公司宣布由于良品率问题，10nm工艺大规模量产将推迟到2019年。
2019年初，英特尔在CES上正式公布10nm 制程落地并披露更多相关细节。
对于长达数年的“跳票“，英特尔给出的解释包括设想太自信、团队之间目标不明确、管理混乱以至于计划一拖再拖。事实上，也与英特尔IDM模式有关。
英特尔是为数不多的IDM垂直整合型半导体公司。自己设计芯片架构、自己制造芯片、自己封装芯片，其它芯片厂商几乎做不到。
这种模式的好处很明显，英特尔能够自主根据不同工艺开发不同的CPU架构。因为全自主，新工艺开发的架构可以最大化利用特定工艺优势，达到更好的匹配与契合。
但不足之处在于，将架构与工艺捆绑起来制约了灵活性。比如10nm延期之后，英特尔无法使用14nm工艺去生产10nm制程架构就是典型的例子。
如今，英特尔10nm终见曙光，彼时的三星、台积电早就有10nm，并已开始量产7nm。当然，各家工艺技术不同，没有直接可比性。
英特尔表示，自家14nm、10nm、7nm分别相当于台积电的10nm，7nm、5nm。至少从字面看，英特尔在10nm制程节点已经做到与台积电7nm制程同样的晶体管集成数量，但是，性能究竟如何，仍然是用户和市场说了算。
二、节点内超过15％的性能提升，SuperFin重新定义FinFET
姗姗来迟的10nmCPU也没有让市场空等，10nm CPU创新性的使用了Super Fin工艺。
几年前，英特尔首应用了22nm FinFET工艺，可以说是晶圆制造历史上的一次重要革命。
FinFET是晶圆制造工艺的一种，称为鳍式场效应晶体管（Fin Field-Effect Transistor），其中的Fin在构造上与鱼鳍非常相似，所以称为“鳍式”，而FET的全名是“场效电晶体” 。
FinFET的变革性意义在于将传统晶体管的2D结构变为3D架构。传统晶体管结构是平面的，所以只能在闸门的一侧控制电路的接通与断开。但是在FinFET架构中，闸门被设计成类似鱼鳍的叉状3D架构，可于电路的两侧控制电路的接通与断开。这种叉状3D架构不仅能改善电路控制和减少漏电流，同时让晶体管的闸长大幅度缩减。
但FinFET工艺制造及其复杂，在英特尔的改良应用之下，台积电、三星等厂商才后续跟上。不过随着制程的发展，FinFET也需要改良。
昨日英特尔的披露的下一代Willow Cove CPU升级了FinFET，它将增强型FinFET晶体、Super MIM（金属-绝缘体-金属）电容器相结合，打造了全新的SuperFin，能够提供增强的外延源极/漏极、改进的栅极工艺，额外的栅极间距。
英特尔官方显示，与FinFET相比，SuperFin架构性能主要优势体现在如下方面：
1. 增强源极和漏极上晶体结构的外延长度，从而增加应变并减小电阻，以允许更多电流通过通道。
2. 改进栅极工艺，以实现更高的通道迁移率，从而使电荷载流子更快地移动。
3. 提供额外的栅极间距选项，可为需要最高性能的芯片功能提供更高的驱动电流。
4. 使用新型薄壁阻隔将过孔电阻降低了30％，从而提升了互连性能表现。
5. 与行业标准相比，在同等的占位面积内电容增加了5倍，从而减少了电压下降，显著提高了产品性能。
该技术的实现主要得益于一类新型的高K电介质材料，它可以堆叠在厚度仅为几埃米(也就是零点几纳米)的超薄层中，从而形成重复的“超晶格”结构。这也是Intel独有的技术。
“这是该公司有史以来最为强大的单节点内性能增强，10nm工艺可以实现节点内超过15％的性能提升，带来的性能提升可与全节点转换相媲美。”换言之，在SuperFin技术的加持下，英特尔推出的10nm工艺效能可以等同于7nm。
英特尔称，10nm SuperFin晶体管技术将在代号Tiger Lake的下一代移动酷睿处理器中首发，现已投产，OEM笔记本将在今年晚些时候的假日购物季上市。
三、发布游戏专用GPU架构，与英伟达、AMD一较高下？
除SuperFin架构，英特尔也披露了“混合结合（Hybrid bonding）”这一先进封装技术。
如今异构已经成了未来芯片发展的一种趋势，越来越多的硬件甚至IP将会集成到一块芯片当中。英特尔提出的封装技术实际上就相当于一种分解设计，化繁为简，芯片分为CPU、GPU、IO等，再分别更新或验证，这样就可以避免CPU和GPU纠缠一起出现bug的问题。
要达到这种设计效果，其中的互联就变得尤为重要，“混合结合”解决的就是分解设计中的互联问题，能够加速实现10微米及以下的凸点间距，提供更高的互连密度、带宽和更低的功率。
据透露，使用“混合结合（Hybrid bonding）”技术的测试芯片已在2020年第二季度流片。
英特尔的这些技术都在下一代酷睿处理器Tiger Lake中体现。据英特尔透露，Tiger Lake将由英特尔全新的Willow Cove架构提供动力，Willow Cove就是基于10nm的SuperFin技术。
英特尔指出，Tiger Lake将在关键计算矢量方面提供智能性能和突破性进展。它是英特尔第一个采用全新 Xe-LP微架构的SoC架构，可以对CPU、AI加速器进行优化，在AI性能、图形性能上有所提升。
Xe-LP是Intel面向PC和移动计算平台的最高效架构，拥有多达96个EU，并采用了包括异步计算在内的新架构设计，以提供更大的动态范围和频率提升。Xe-LP之外，英特尔还推出了其他两款架构版本，Xe-HP和Xe-HPG。
据介绍 Xe-HP面向数据中心市场，是业界首个多区块（multi-tiled）、高度可扩展的高性能架构，可提供数据中心级、机架级媒体性能，GPU可扩展性和AI优化。它涵盖了从一个区块（tile）到两个和四个区块的动态范围的计算，其功能类似于多核GPU，有望在2021年发布。
Xe-HPG专门针对游戏而设计，添加了基于GDDR6的新内存子系统以提高性价比，新增了游戏及时调整和游戏锐化两个新功能，同样预计同样在2021年发布。值得注意的是，这可能代表着英特尔将首次围绕游戏所需的GPU，意味着英特尔打算在这个领域AMD、英伟达一较高下。
所以现在Xe GPU的架构就变成了Xe LP、Xe HPG、Xe HP及Xe HPC四大金刚了，未来会覆盖核显到HPC超算在内的多个场景。
除了Tiger Lake之外，英特尔还在本次发布会中提到了另外一款产品——Alder Lake。据介绍，该产品是英特尔的下一代采用混合架构的客户端产品。Alder Lake将结合英特尔即将推出的两种架构——Golden Cove和Gracemont，并将进行优化，以提供出色的效能功耗比。
软件oneAPI Gold版本将于今年晚些时候推出，为开发人员提供在标量、矢量、距阵和空间体系结构上保证产品级别的质量和性能的解决方案。
四、10nm能拯救英特尔吗？
英特尔芯片制造工艺的挤牙膏很大程度上拖累了芯片上市进程。英特尔表示正在尝试改变其芯片设计与制造的结合方式，暗示它可以使用外部制造商（例如合同芯片制造商台积电）来制造其芯片。
Koduri将此新策略称为“系统弹性设计”。此前有消息传出英特尔已经在台积电下了不少订单，不过，是GPU订单。
从Super Fin工艺的推出来看，英特尔还是会把CPU制造紧紧的抓在自己手里，并且作为一大核心优势。
从目前披露出的性能看，英特尔的10nm Super Fin架构的确在技术上前进了不小的一步。但有业内人士认为，相比它的竞争对手们，英特尔还是迟了，即便在SuperFin的加持下，10nm也只能是达到7nm的技术水平。
最大的不确定性在于，英特尔目前的技术进展还处于“PPT阶段”，市场上还没有任何英特尔10nm产品的消息。
那么，在Super Fin加持的英特尔10nm是否能如期上市，上市表现究竟会如何？还得等市场验证。
参考资料
https://venturebeat.com/2020/08/13/intels-chip-architects-promise-innovations-despite-setbacks/
本文来自微信公众号：机器之能（ID：almosthuman2017），作者： 微胖、徐丹
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