人人書

雜誌

保存到桌面 | 簡體人人書 | 手機版
傳記回憶文學理論偵探推理驚悚懸疑詩歌戲曲雜文隨筆小故事書評雜誌
人人書 > 雜誌 > PC核心技術概況

PC核心技術概況

時間:2024-10-31 11:35:09

不論是AMD、Intel的CPU還是AMD、NVIDIA的GPU,FinFET工藝都會帶來20%以上的性能提升,30-40%的功耗降低,最終的CPU/GPU不僅性能更強,功耗也會大幅降低。

編/王丁

在過去的幾年裡,盡管PC産業一直面臨下滑的困境,但技術進步是止不住的,越是在困難的情況下,技術發展就越重要,新技術不僅能為企業打開新的大門,也能給消費者帶來全新的應用體驗,創造全新的需求,從而推動産品升級換代。作為PC核心技術的CPU、GPU等領域,會有哪些值得關注的技術進步呢?

半導體技術是整個PC産業的根基,半導體工藝沒進步,核心PC産品就無法繼續發展。在過去的50年中“摩爾定律”成了主導半導體工藝進展的金科玉律,Intel不僅是摩爾定律的提出者,也是摩爾定律最堅定的捍衛者,Intel也靠着摩爾定律成就了一方霸業。

但是業界對摩爾定律的質疑也從來沒斷過,特别是最近幾年,很多人都認為矽基半導體技術很快就要面臨極限了,Intel自己的“Tick-Tock”鐘擺戰略在Haswell架構之後也失效了,14nm工藝延期了一年多,以緻于到了2016年14nm依然會是主流。

按照目前的形勢來看,14/16nmFinFET工藝已經成熟,除了Intel之外,TSMC、三星已經在去年分别量産了14nm、16nmFinFET工藝,今年開始量産第二代高性能工藝了,GlobalFoundries今年也會量産14nm工藝。下一步是10nm節點,雖然進度比預期的晚,不過10nm工藝現在也渡過研發階段了,目前正在準備量産,Intel預計是在2017年下半年推出10nmCannonLake處理器,TSMC與三星在10nm工藝上更積極,對宣稱今年下半年就會量産10nm工藝。

10nm之後就是7nm節點了,但它離量産還有段距離,因為工藝越先進,晶體管間距越小,漏電流也愈加嚴重,導緻晶體管功耗過高。除此之外,先進的生産工藝還要依賴半導體制造裝備的進步,原本在10nm工藝就準備啟用的EUV光刻機一直不夠成熟,ASML公司為了研發EUV設備投入了相當多的資源,但EUV光刻機的産量及光照強度還是上不去,離規模化工業生産還有很長的距離,以緻于Intel等公司并不看好7nm節點啟用EUV的前景,有可能要拖到5nm節點。矽基半導體受挫,科研人員很早就開始尋找新的半導體材料,包括砷化镓、碳納米管甚至量子阱晶體管。2015年IBM及合作夥伴三星、GlobalFoundries率先展示了7nm工藝芯片,使用的就是矽鍺材料,使用這種材料的晶體管開關速度更快,功耗更低,而且密度更高,可以輕松實現200億晶體管,晶體管密度比目前的矽基半導體高出一個量級。

英特爾公司雖然沒有展示過7nm工藝,但他們對此一直很自信,此前表态稱即便沒有EUV工藝,他們也懂得如何制造7nm芯片,但願這沒有在吹牛,因為Intel能否即時推出7nm工藝,關系着摩爾定律還能否再戰二十年。

半導體工藝發展雖然很重大,但并不急迫,AMD、Intel新一代處理器至少還有14nm、10nm兩代工藝可用。2016年這兩家都會推出新一代處理器,其中AMD推的是嘔心瀝血研發多年的改頭換面之作——Zen處理器,Intel今年則會有Broadwell-E及Kabylake處理器。

先說領跑者Intel,今年的2代新品中,Broadwell-E是針對LGA2011平台的HEPT發燒級處理器,Kabylake是針對主流市場的LGA1151處理器,前者最動人的地方在于桌面處理器首次出現10核心設計,旗艦型号Corei7-6950X将是10核20線程,頻率3.0GHz,L3緩存高達25MB。

至于跟跑者AMD,他們今年上半年會把第四代模塊化架構Excavator核心帶到桌面市場上,推出AM4插槽的BristolRidge處理器,下半年的重點則是Zen架構處理器,也是AM4插槽,但架構、工藝全新升級,放棄之前由推土機架構引入的模塊多核理念,回歸傳統的SMT多線程。

Zen架構曝光率非常高,隔三差五就要在媒體上亮相,雖然我們對Zen架構的細節所知甚少,但從AMD及各方流傳出來的信息來看,Zen架構性能值得期待,官方表示IPC性能提升40%還多,14nmFinFET工藝也會大幅降低處理器的功耗。

還有一點值得注意,不光Intel在推8核甚至10核處理器,AMD的Zen架構多核并行能力也有提高,桌面版首發時至少是4核8線程起步,中高端會是8核16線程,而服務器/工作站出現16核32線程甚至32核64線程也不要驚訝。

不論是Intel的10核處理器還是AMD的16核處理器,桌面處理器在突破6核、8核之後會繼續進入10核+時代,IntelBroadwell-E在前兩代突破8核之後已經确定有10核20線程産品,AMD的Zen架構更加激進,8核16線程不是問題,是否會在桌面市場推出12核甚至16核的旗艦也令人期待。

伴随着CPU、GPU計算性能的飛速增長,PCI-E總線也要有相應的準備,不過最新一代PCI-E4.0總線技術已經推遲了,原定于2015年上半年發布最終規範,但現在來看PCI-E4.0總線可能要拖到2016年甚至2017年了。

新一代總線具備更高的性能,具體來說,目前在用的PCI-E3.0總線速率是8GT/s,Link帶寬8Tb/s,每一通道帶寬約為1GB/s,x16通道雙向帶寬32GB/s,而PCI-E4.0在PCI-E3.0基礎上保持架構不變,速率翻倍到16GT/s,通道帶寬提升到2GB/s,x16雙向帶寬高達64GB/s。

不過PCI-E4.0面臨的問題也不少,除了銅介質速率繼續提升的技術難題之外,PCI-E4.0最大的尴尬之處在于——桌面顯卡用不到這麼高的帶寬,高性能計算領域PCI-E4.0帶寬又不給力。前者很好說,因為從PCI-E2.0到PCI-E3.0時代,顯卡性能也沒有因此受益,PCI-E3.0x16帶寬已經達到了32GB/s,目前的高端顯卡并不需要這麼高的帶寬,而升級到PCI-E4.0,64GB/s的帶寬對桌面顯卡來說也是浪費。

如果用到HPC領域,PCI-E4.0帶寬的64GB/s又有點捉襟見肘了,等不及的廠商早已經在暗地裡開發新的總線技術,其中NVIDIA跟IBM聯合開發了NVLink總線,号稱帶寬是PCI-E總線的5-12倍,AMD也在開發自家的架構互聯技術,帶寬超過100GB/s。

無論AMD還是NVIDIA,他們開發的新總線技術帶寬可以輕松超過100GB/s,這對服務器産品很有用,但對桌面市場有什麼意義呢?值得發燒友關注的就是多卡互聯技術,目前AMD、NVIDIA最多能做到的也就是4卡SLI/CF交火,有了NVLink這樣的技術,8卡SLI或者CF都是有可能的。

說完了CPU處理器,我們也不能忽視GPU處理器。作為當前PC中功耗最高的一部分,顯卡對遊戲性能影響至關重要,但在性能越高=功耗越高這條路上,顯卡也面臨一個選擇——NVIDIA的Maxwell架構證明了顯卡性能增長的同時,能耗也可以很低。2016年的GPU不僅要性能,更重要的是效能,我們要看到還是每瓦性能比。

在Maxwell架構之後,NVIDIA将推出新一代的Pascal架構。根據官方公布的資料,Pascal顯卡将支持3DMemory顯存,容量、帶寬可達普通顯存的2-4倍,而顯卡隻有标準PCI-E顯卡的1/3大小,如今基于Pascal架構的新一代顯示芯片已經有兩款高端産品——GeForceGTX1080、GTX1070相繼問世了。

至于AMD,由于目前的R200、R300系列顯卡大都還在使用GCN架構改款,制程工藝還是28nm工藝,能效方面已經落後NVIDIA的Maxwell架構了,所以2016年AMD也會在GPU領域有大動作——推出了GCN4.0架構Polaris,制程工藝升級到14/16nmFinFET,同時會搭配HBM2顯存,号稱每瓦性能比提升一倍。

AMD還實際演示了Polaris顯卡的能效優勢,之前使用用Polaris架構的一款中端顯卡跟NVIDIA的GTX950做了對比,同樣是在1920x108060fps的性能上,Polaris顯卡的整機功耗是86W,而GTX950整機功耗是140W,可見功耗優勢非常非常大。2016年GPU要想提高性能、降低功耗,除了架構改進之外,新一代内存技術也功不可沒,其中AMD在去年的Fury顯卡上首次使用的HBM内存就是代表,NVIDIA所說的3D顯存其實也是HBM技術,不過是HBM2代技術。與HBM競争的則是美光主導的HMC内存技術。對于HBM技術,簡單來說,HBM就是在GDDR5顯存無法繼續大幅提升頻率的情況下換了一種思路,通過提高總線位寬來提高帶寬,第一代HBM顯存的頻率隻有500MHz,等效1GHz,遠低于目前的GDDR5顯存,但帶寬高達128GB/s,4顆芯片總計可以帶來512GB/s的帶寬,遠高于主流GDDR5顯存。

2016年HBM2代也來了,JEDEC已經正式批準了HBM2顯存規範,相比第一代HBM,HBM2可堆棧的層數更多,單顆容量最高可達8GB,頻率也翻倍到2Gbps,帶寬從128GB/s提高到256GB/s,這樣一來布置4組HBM2顯存就可以實現32GB容量、1TB/s的帶寬了,次之也有16GB容量,1TB/s帶寬,這正好與NVIDIA之前宣稱的數據相符。

HBM内存技術已經得到了SKHynix、三星等廠商的支持,另一個内存技術大腕美光的選擇不同——顯存市場他們繼續推改良版的GDDR5X,3D堆棧内存上則選擇了HMC(HybridMemoryCube),它跟HBM一樣都需要使用TSV工藝連接多層DRAM芯片。

性能方面,HMC閃存相比DDR内存依然有足夠多的優勢,普通DDR3-1600内存雙通道帶寬不過12.8GB/s,美光之前宣稱HMC的性能是DDR3内存的20倍,單通道帶寬就有128GB/s(跟HBM1代相同),同時功耗比DDR3減少70%,占用面積比DDR3減少95%。

HMC陣營實際上也有Intel、三星等其他公司參與,但目前力推HMC的基本上隻有美光公司,他們現在推出了2/4GB容量的HMC内存,有兩種封裝,896-BallBGA封裝的帶寬為160GB/s,666-BallBGA封裝的帶寬是120GB/s。

具體應用方面,HMC在Intel的新一代XeonPhi加速卡上露過面了,代号KnightsLanding的XeonPhi加速卡配備了16GB闆載緩存,号稱5倍帶寬、5倍能效于DDR4内存,它就是美光提供的HMC内存。

不過總體來看,HMC相對HBM來說還有點滞後,HBM在新一代顯卡上站穩腳跟沒問題,未來也會進入服務器等市場,HMC受到的支持力度不如HBM,不過3D内存技術現在還是新興事物,現在給HBM、HMC作出最終判決還有點為時過早。2016年半導體/處理器技術的進步首先要依賴工藝升級,雖然10nm及7nm工藝還有點遠,但2016年我們可以預期新一代處理器全面升級14/16nmFinFET工藝,這比去年的28nm、20nm工藝已經有很大進步了。不論是AMD、Intel的CPU還是AMD、NVIDIA的GPU,FinFET工藝都會帶來20%以上的性能提升,30-40%的功耗降低,最終的CPU/GPU不僅性能更強,功耗也會大幅降低。


   

熱門書籍

熱門文章