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英特爾全新10納米SuperFin晶體管技術(shù)
2020/8/21 15:50:46    
在2020年架構(gòu)日上,其首席架構(gòu)師Raja Koduri攜手多位英特爾院士和架構(gòu)師,詳細(xì)介紹了英特爾在創(chuàng)新的六大技術(shù)支柱戰(zhàn)略所取得的進(jìn)展。英特爾推出了10納米SuperFin技術(shù),這是該公司有史以來最為強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng),帶來的性能提升可與全節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換相媲美。

該公司還公布了Willow Cove微架構(gòu)和用于移動客戶端的Tiger Lake SoC架構(gòu)細(xì)節(jié),并首次介紹了可實(shí)現(xiàn)全擴(kuò)展的Xe圖形架構(gòu)。這些創(chuàng)新的架構(gòu)可服務(wù)于消費(fèi)類、高性能計(jì)算以及游戲應(yīng)用市場;谟⑻貭柕摹胺纸庠O(shè)計(jì)”方式,結(jié)合先進(jìn)的封裝技術(shù)、XPU產(chǎn)品和以軟件為中心的戰(zhàn)略,英特爾的產(chǎn)品組合致力于為客戶提供領(lǐng)先的產(chǎn)品。

 
10nm SuperFin技術(shù)

 
經(jīng)過多年對FinFET晶體管技術(shù)的改進(jìn),英特爾正在重新定義該技術(shù),以實(shí)現(xiàn)其歷史上最強(qiáng)大的單節(jié)點(diǎn)內(nèi)性能增強(qiáng),帶來的性能提升可與完全節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換相媲美。10nm SuperFin技術(shù)實(shí)現(xiàn)了英特爾增強(qiáng)型 FinFET晶體管與Super MIM(Metal-Insulator-Metal)電容器的結(jié)合。SuperFin技術(shù)能夠提供增強(qiáng)的外延源極/漏極、改進(jìn)的柵極工藝和額外的柵極間距,并通過以下方式實(shí)現(xiàn)更高的性能:
- 增強(qiáng)源極和漏極上晶體結(jié)構(gòu)的外延長度,從而增加應(yīng)變并減小電阻,以允許更多電流通過通道;
- 改進(jìn)柵極工藝以實(shí)現(xiàn)更高的通道遷移率,從而使電荷載流子更快地移動;
- 提供額外的柵極間距選項(xiàng)可為需要最高性能的芯片功能提供更高的驅(qū)動電流;
- 使用新型薄壁阻隔將過孔電阻降低了30%,從而提升了互連性能表現(xiàn)。

與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比,在同等的占位面積內(nèi)電容增加了5倍,從而減少了電壓下降,顯著提高了產(chǎn)品性能。該技術(shù)由一類新型的“高K”( Hi-K)電介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn),該材料可以堆疊在厚度僅為幾埃厚的超薄層中,從而形成重復(fù)的“超晶格”結(jié)構(gòu)。這是一項(xiàng)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù),領(lǐng)先于其他芯片制造商的現(xiàn)有能力。

10nm SuperFin技術(shù)將運(yùn)用于代號為“Tiger Lake”的英特爾下一代移動處理器中。Tiger Lake正在生產(chǎn)中,OEM的產(chǎn)品將在假日季上市。

 
封裝


使用“混合結(jié)合(Hybrid bonding)”技術(shù)的測試芯片已在2020年第二季度流片。當(dāng)今大多數(shù)封裝技術(shù)中使用的是傳統(tǒng)的“熱壓結(jié)合(thermocompression bonding)”技術(shù),混合結(jié)合是這一技術(shù)的替代品。這項(xiàng)新技術(shù)能夠加速實(shí)現(xiàn)10微米及以下的凸點(diǎn)間距,提供更高的互連密度、帶寬和更低的功率。

 
Willow Cove和Tiger Lake CPU架構(gòu)
 

Willow Cove是英特爾的下一代CPU微架構(gòu)。Willow Cove基于最新的處理器技術(shù)和10nm的SuperFin技術(shù),在Sunny Cove架構(gòu)的基礎(chǔ)上,提供超越代間CPU性能的提高,極大地提升了頻率以及功率效率。它還將重新設(shè)計(jì)的緩存架構(gòu)引入到更大的非相容1.25MB MLC中,并通過英特爾控制流強(qiáng)制技術(shù)(Control Flow Enforcement Technology)增強(qiáng)了安全性。

Tiger Lake將在關(guān)鍵計(jì)算矢量方面提供智能性能和突破性進(jìn)展。Tiger Lake是第一個SoC架構(gòu)中采用全新Xe-LP圖形微架構(gòu),可以對CPU、AI加速器進(jìn)行優(yōu)化,將使CPU性能得到超越一代的提升,并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的AI性能提升、圖形性能巨大飛躍,以及整個SoC中一整套頂級IP,如全新集成的Thunderbolt 4。

Tiger Lake SoC架構(gòu)提供:
- 全新 Willow Cove CPU 核心 – 基于10nm SuperFin技術(shù)進(jìn)步,顯著提升頻率;
- 新 Xe 圖形架構(gòu) – 具有高達(dá)96個執(zhí)行單元(EUs),每瓦性能效率顯著提高;
- 電源管理 – 一致性結(jié)構(gòu)中的自主動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS),提高了全集成電壓穩(wěn)壓器(FIVR)效率;
- 結(jié)構(gòu)和內(nèi)存 – 一致性結(jié)構(gòu)帶寬增加2倍,約86GB/s內(nèi)存帶寬,經(jīng)驗(yàn)證的LP4x-4267、DDR4-3200;LP5-5400架構(gòu)功能;
- 高斯網(wǎng)絡(luò)加速器GNA 2.0專用IP,用于低功耗神經(jīng)推理計(jì)算,減輕CPU處理。運(yùn)行音頻噪音抑制工作負(fù)載情況下,采用GNA推理計(jì)算的CPU占用率比不采用GNA CPU低20%;
- IO – 集成TB4/USB4,CPU上集成PCIe Gen 4,用于低延遲、高帶寬設(shè)備對內(nèi)存的訪問;
- 顯示 – 高達(dá)64GB/s的同步傳輸帶寬用于支持多個高分辨率顯示器。到內(nèi)存的專用結(jié)構(gòu)路徑,以保持服務(wù)質(zhì)量;
- IPU6 – 多達(dá)6個傳感器,具有4K 30幀視頻、27MP像素圖像;最高4K90幀和42MP像素圖像架構(gòu)功能。
 

混合架構(gòu)


Alder Lake是英特爾的下一代采用混合架構(gòu)的客戶端產(chǎn)品。Alder Lake將結(jié)合英特爾即將推出的兩種架構(gòu)——Golden Cove和Gracemont,并將進(jìn)行優(yōu)化,以提供出色的效能功耗比。

 
Xe圖形架構(gòu)
 

英特爾詳細(xì)介紹了經(jīng)過優(yōu)化的Xe-LP(低功耗)微架構(gòu)和軟件,可為移動平臺提供高效的性能。Xe-LP是英特爾針對PC和移動計(jì)算平臺的最高效架構(gòu),最高配置EU單元多達(dá)96組,并具有新架構(gòu)設(shè)計(jì),包括異步計(jì)算、視圖實(shí)例化(view instancing)、采樣器反饋(sampler feedback)、帶有AV1的更新版媒體引擎以及更新版顯示引擎等。這將使新的終端用戶功能具備即時游戲調(diào)整(Instant Game Tuning)、捕捉與流媒體及圖像銳化。在軟件優(yōu)化方面,Xe-LP將通過新的DX11路徑和優(yōu)化的編譯器對驅(qū)動進(jìn)行改進(jìn)。

首款Xe-HP芯片已于實(shí)驗(yàn)室完成啟動測試。Xe-HP是業(yè)界首個多區(qū)塊(multi-tiled)、高度可擴(kuò)展的高性能架構(gòu),可提供數(shù)據(jù)中心級、機(jī)架級媒體性能,GPU可擴(kuò)展性和AI優(yōu)化。它涵蓋了從一個區(qū)塊到兩個和四個區(qū)塊的動態(tài)范圍的計(jì)算,其功能類似于多核GPU。在架構(gòu)日活動中,英特爾展示了Xe-HP在單個區(qū)塊上以60 FPS的速率對10個完整的高質(zhì)量4K視頻流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼。另一個演示還展示了Xe-HP在多個區(qū)塊上的計(jì)算可擴(kuò)展性。英特爾現(xiàn)在正在與關(guān)鍵客戶一起測試Xe-HP,并計(jì)劃通過Intel? DevCloud使開發(fā)者可以使用Xe HP。Xe HP將于明年推出。 

英特爾推出了新的Xe微架構(gòu)變體——Xe-HPG,這是一種為游戲優(yōu)化的微架構(gòu),結(jié)合了Xe-LP的良好的效能功耗比的構(gòu)建模塊,利用Xe-HP的可擴(kuò)展性對Xe-HPC進(jìn)行更強(qiáng)的配置和計(jì)算頻率的優(yōu)化。同時,Xe-HPG添加了基于GDDR6的新內(nèi)存子系統(tǒng)以提高性價比,且將具有加速的光線跟蹤支持。Xe-HPG預(yù)計(jì)將于2021年開始發(fā)貨。

英特爾Server GPU(SG1)是英特爾針對數(shù)據(jù)中心的首款基于Xe架構(gòu)的獨(dú)立圖形顯卡。SG1通過實(shí)現(xiàn)4個DG1的聚合,可以很小的尺寸將性能提升至數(shù)據(jù)中心級別,以實(shí)現(xiàn)低延遲、高密度的安卓云游戲和視頻流。 SG1將很快投產(chǎn),并于今年晚些時候發(fā)貨。

英特爾首款基于Xe架構(gòu)的獨(dú)立圖形顯卡DG1已投產(chǎn),并有望按計(jì)劃于2020年開始交付。DG1現(xiàn)在可在英特爾DevCloud上供早期訪問用戶使用。


數(shù)據(jù)中心架構(gòu)


Ice Lake是首款基于10nm的英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器,預(yù)期將于2020年底推出。Ice Lake產(chǎn)品將在跨工作負(fù)載的吞吐量和響應(yīng)能力方面提供強(qiáng)勁性能。它將帶來一系列技術(shù),包括全內(nèi)存加密、PCIe Gen 4、8個內(nèi)存通道等,以及可加快密碼運(yùn)算速度的增強(qiáng)指令集。Ice Lake系列中也會推出針對網(wǎng)絡(luò)存儲和物聯(lián)網(wǎng)的變體。

Sapphire Rapids是英特爾基于增強(qiáng)型SuperFin技術(shù)的下一代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器,將提供領(lǐng)先的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),包括DDR5、PCIe Gen 5、Compute Express Link 1.1等。Sapphire Rapids將是美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室“極光”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(Aurora Exascale)中使用的CPU,它將延續(xù)英特爾的內(nèi)置人工智能加速策略,使用一種名為先進(jìn)的矩陣擴(kuò)展(AMX)的新加速器。Sapphire Rapids預(yù)計(jì)將于2021年下半年開始首批生產(chǎn)發(fā)貨。

英特爾現(xiàn)在擁有世界上第一臺下一代224G-PAM4 TX收發(fā)器,展現(xiàn)了其在先進(jìn)FPGA技術(shù)上的不斷創(chuàng)新和連續(xù)三代收發(fā)器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
 

軟件
 

oneAPI Gold版本將于今年晚些時候推出,為開發(fā)人員提供在標(biāo)量、矢量、距陣和空間體系結(jié)構(gòu)上保證產(chǎn)品級別的質(zhì)量和性能的解決方案。英特爾于7月發(fā)布了其第八版的oneAPI Beta,為分布式數(shù)據(jù)分析帶來了新的功能和提升,包括渲染性能、性能分析以及視頻和線程文庫。DG1獨(dú)立GPU當(dāng)前在英特爾DevCloud上可供部分開發(fā)人員使用,其中包含DG1文庫和工具包,來使他們能夠在擁有硬件之前就開始使用oneAPI編寫DG1相關(guān)的軟件。

此次各項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新揭示了英特爾“六大技術(shù)支柱”創(chuàng)新戰(zhàn)略的持續(xù)邁進(jìn)。 英特爾正充分利用其獨(dú)特的優(yōu)勢,提供標(biāo)量、矢量、矩陣和空間架構(gòu)結(jié)合的解決方案,廣泛部署于CPU、GPU、加速器和FPGA中,并由開放的、符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編程模型oneAPI實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一,從而簡化應(yīng)用程序開發(fā)。

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