12
小编语： 摩尔定律的失效已被 16nm/14nm 以及 10nm 工艺的开发迟缓初步印证，而 CPU/GPU 芯片架构的代际更新似乎也在变慢，如果英特尔经典的 Tick、Tock 都在失去效力，那么厂商们比拼的就是各自的产业生态和扩展新兴应用市场的能力了，这点上，英特尔 /IBM/AMD/NVIDIA 谁会比较强呢……
2015 年已经远去，尽管 PC 产业再一次遭遇了下滑的困境，但技术进步是止不住的，越是在困难的情况下，技术发展就越重要，新技术不仅能为企业打开新的大门，也能给消费者带来全新的应用体验，创造全新的需求，从而推动产品升级换代。
2016 年有哪些技术值得我们关注？今天我们首先来看半导体 / 处理器领域的，作为 PC 核心的 CPU、GPU 等产品会有哪些值得关注的技术进步？
1、半导体制造工艺逼近 10nm，摩尔定律还能饭否
半导体技术是整个 PC 产业的根基，半导体工艺没进步，核心 PC 产品就无法继续发展。在过去的 50 年中“摩尔定律”成了主导半导体工艺进展的金科玉律，Intel 不仅是摩尔定律的提出者，也是摩尔定律最坚定的捍卫者，Intel 也靠着摩尔定律成就了一方霸业。
半导体工艺进步决定了 PC 产业核心发展
但是业界对摩尔定律的质疑也从来没断过，特别是最近几年，很多人都认为硅基半导体技术很快就要面临极限了，Intel 自己的“Tick-Tock”钟摆战略在 Haswell 架构之后也失效了，14nm 工艺延期了一年多，以致于到了 2016 年 14nm 依然会是主流。
按照目前的形势来看，14/16nm FinFET 工艺已经成熟，除了 Intel 之外，TSMC、三星已经在去年分别量产了 14nm、16nm FinFET 工艺，今年开始量产第二代高性能工艺了，GlobalFoundries 今年也会量产 14nm 工艺。下一步是 10nm 节点，虽然进度比预期的晚，不过 10nm 工艺现在也渡过研发阶段了，目前正在准备量产，Intel 预计是在 2017 年下半年推出 10nm CannonLake 处理器，TSMC 与三星在 10nm 工艺上更积极，对宣称今年下半年就会量产 10nm 工艺。
10nm 之后就是 7nm 节点了，但它离量产还有段距离，因为工艺越先进，晶体管间距越小，漏电流也愈加严重，导致晶体管功耗过高。除此之外，先进的生产工艺还要依赖半导体制造装备的进步，原本在 10nm 工艺就准备启用的 EUV 光刻机一直不够成熟，ASML 公司为了研发 EUV 设备投入了相当多的资源，但 EUV 光刻机的产量及光照强度还是上不去，离规模化工业生产还有很长的距离，以致于 Intel 等公司并不看好 7nm 节点启用 EUV 的前景，有可能要拖到 5nm 节点。
IBM 率先推出了 7nm 工艺，使用的是新型半导体材料
硅基半导体受挫，科研人员很早就开始寻找新的半导体材料，包括砷化镓、碳纳米管甚至量子阱晶体管。2015 年 IBM 及合作伙伴三星、GlobalFoundries 率先展示了 7nm 工艺芯片，使用的就是硅锗材料，使用这种材料的晶体管开关速度更快，功耗更低，而且密度更高，可以轻松实现 200 亿晶体管，晶体管密度比目前的硅基半导体高出一个量级。
Intel 虽然没有展示过 7nm 工艺，但他们对此一直很自信，此前表态称即便没有 EUV 工艺，他们也懂得如何制造 7nm 芯片，但愿这没有在吹牛，因为 Intel 能否即时推出 7nm 工艺，关系着摩尔定律还能否再战二十年。
2、处理器进入 10 核+时代：AMD 爆发，Intel 求稳
半导体工艺发展虽然很重大，但并不急迫，AMD、Intel 新一代处理器至少还有 14nm、10nm 两代工艺可用。2016 年这两家都会推出新一代处理器，其中 AMD 推的是呕心沥血研发多年的改头换面之作——Zen 处理器，Intel 今年则会有 Broadwell-E 及 Kabylake 处理器。
先说老大 Intel，今年的 2 代新品中，Broadwell-E 是针对 LGA2011 平台的 HEPT 发烧级处理器，Kabylake 是针对主流市场的 LGA1151 处理器，前者最动人的地方在于桌面处理器首次出现 10 核心设计，旗舰型号 Core i7-6950X 将是 10 核 20 线程，频率 3.0GHz，L3 缓存高达 25MB。
至于 AMD，他们今年上半年会把第四代模块化架构 Excavator 核心带到桌面市场上，推出 AM4 插槽的 Bristol Ridge 处理器，下半年的重点则是 Zen 架构处理器，也是 AM4 插槽，但架构、工艺全新升级，放弃之前由推土机架构引入的模块多核理念，回归传统的 SMT 多线程。
Zen 架构处理器将回归传统的 SMT 多线程架构
Zen 架构曝光率非常高，隔三差五就要在媒体上亮相，虽然我们对 Zen 架构的细节所知甚少，但从 AMD 及各方流传出来的信息来看，Zen 架构性能值得期待，官方表示 IPC 性能提升 40%还多，14nm FinFET 工艺也会大幅降低处理器的功耗。
还有一点值得注意，不光 Intel 在推 8 核甚至 10 核处理器，AMD 的 Zen 架构多核并行能力也有提高，桌面版首发时至少是 4 核 8 线程起步，中高端会是 8 核 16 线程，而服务器 / 工作站出现 16 核 32 线程甚至 32 核 64 线程也不要惊讶。
不论是 Intel 的 10 核处理器还是 AMD 的 16 核处理器，桌面处理器在突破 6 核、8 核之后会继续进入 10 核+时代，Intel Broadwell-E 在前两代突破 8 核之后已经确定有 10 核 20 线程产品，AMD 的 Zen 架构更加激进，8 核 16 线程不是问题，是否会在桌面市场推出 12 核甚至 16 核的旗舰也令人期待。
3、PCI-E 4.0 姗姗来迟，厂商自研新总线
伴随着 CPU、GPU 计算性能的飞速增长，PCI-E 总线也要有相应的准备，不过最新一代 PCI-E 4.0 总线技术已经推迟了，原定于 2015 年上半年发布最终规范，但现在来看 PCI-E 4.0 总线可能要拖到 2016 年甚至 2017 年了。
新一代总线具备更高的性能，具体来说， 目前在用的 PCI-E 3.0 总线速率是 8GT/s，Link 带宽 8Tb/s，每一通道带宽约为 1GB/s，x16 通道双向带宽 32GB/s，而 PCI-E 4.0 在 PCI-E 3.0 基础上保持架构不变，速率翻倍到 16GT/s，通道带宽提升到 2GB/s，x16 双向带宽高达 64GB/s。
不过 PCI-E 4.0 面临的问题也不少，除了铜介质速率继续提升的技术难题之外，PCI-E 4.0 最大的尴尬之处在于——桌面显卡用不到这么高的带宽，高性能计算领域 PCI-E 4.0 带宽又不给力。前者很好说，因为从 PCI-E 2.0 到 PCI-E 3.0 时代，显卡性能也没有因此受益，PCI-E 3.0 x16 带宽已经达到了 32GB/s，目前的高端显卡并不需要这么高的带宽，而升级到 PCI-E 4.0，64GB/s 的带宽对桌面显卡来说也是浪费。
NVIDIA 联合 IBM 开发了 NVLink 总线技术
如果用到 HPC 领域，PCI-E 4.0 带宽的 64GB/s 又有点捉襟见肘了，等不及的厂商早已经在暗地里开发新的总线技术，其中 NVIDIA 跟 IBM 联合开发了 NVLink 总线，号称带宽是 PCI-E 总线的 5-12 倍，AMD 也在开发自家的架构互联技术，带宽超过 100GB/s。
无论 AMD 还是 NVIDIA，他们开发的新总线技术带宽可以轻松超过 100GB/s，这对服务器产品很有用，但对桌面市场有什么意义呢？值得发烧友关注的就是多卡互联技术，目前 AMD、NVIDIA 最多能做到的也就是 4 卡 SLI/CF 交火，有了 NVLink 这样的技术，8 卡 SLI 或者 CF 都是有可能的。
4、GPU 架构、工艺升级：不仅拼性能，效能更重要
说完了 CPU 处理器，我们也不能忽视 GPU 处理器。作为当前 PC 中功耗最高的一部分，显卡对游戏性能影响至关重要，但在性能越高=功耗越高这条路上，显卡也面临一个选择——NVIDIA 的 Maxwell 架构证明了显卡性能增长的同时，能耗也可以很低。2016 年的 GPU 不仅要性能，更重要的是效能，我们要看到还是每瓦性能比。
在 Maxwell 架构之后，NVIDIA 将推出新一代的 Pascal 架构。根据官方在 GTC 2015 年大会上公布的资料，Pascal 显卡将支持 3D Memory 显存，容量、带宽可达普通显存的 2-4 倍，而显卡只有标准 PCI-E 显卡的 1/3 大小。
Pascal 显卡会在 2016 年问世
至于 AMD，由于目前的 R200、R300 系列显卡大都还在使用 GCN 架构改款，制程工艺还是 28nm 工艺，能效方面已经落后 NVIDIA 的 Maxwell 架构了，所以 2016 年 AMD 也会在 GPU 领域有大动作——推出了 GCN 4.0 架构 Polaris，制程工艺升级到 14/16nm FinFET，同时会搭配 HBM 2 显存，号称每瓦性能比提升一倍。
2016 年 AMD 的 GCN 4.0 架构会大幅提升每瓦性能比
AMD 还实际演示了 Polaris 显卡的能效优势，之前使用用 Polaris 架构的一款中端显卡跟 NVIDIA 的 GTX 950 做了对比，同样是在 1920x1080 60fps 的性能上，Polaris 显卡的整机功耗是 86W，而 GTX 950 整机功耗是 140W，可见功耗优势非常非常大。
5、新一代高带宽内存：HBM 向左，HMC 向右
2016 年 GPU 要想提高性能、降低功耗，除了架构改进之外，新一代内存技术也功不可没，其中 AMD 在去年的 Fury 显卡上首次使用的 HBM 内存就是代表，NVIDIA 所说的 3D 显存其实也是 HBM 技术，不过是 HBM 2 代技术。与 HBM 竞争的则是美光主导的 HMC 内存技术。
HBM 技术带宽更高，功耗更低
对于 HBM 技术，我们之前做过详细介绍：AMD 详解 HBM 显存：性能远超 GDDR5，功耗降 50%，面积小 94%。简单来说，HBM 就是在 GDDR5 显存无法继续大幅提升频率的情况下换了一种思路，通过提高总线位宽来提高带宽，第一代 HBM 显存的频率只有 500MHz，等效 1GHz，远低于目前的 GDDR5 显存，但带宽高达 128GB/s，4 颗芯片总计可以带来 512GB/s 的带宽，远高于主流 GDDR5 显存。
2016 年 HBM 2 代也来了，JEDEC 已经正式批准了 HBM 2 显存规范，相比第一代 HBM，HBM 2 可堆栈的层数更多，单颗容量最高可达 8GB，频率也翻倍到 2Gbps，带宽从 128GB/s 提高到 256GB/s，这样一来布置 4 组 HBM 2 显存就可以实现 32GB 容量、1TB/s 的带宽了，次之也有 16GB 容量，1TB/s 带宽，这正好与 NVIDIA 之前宣称的数据相符。
HMC 内存技术
HBM 内存技术已经得到了 SK Hynix、三星等厂商的支持，另一个内存技术大腕美光的选择不同——显存市场他们继续推改良版的 GDDR5X，3D 堆栈内存上则选择了 HMC（Hybrid Memory Cube），它跟 HBM 一样都需要使用 TSV 工艺连接多层 DRAM 芯片。
性能方面，HMC 闪存相比 DDR 内存依然有足够多的优势，普通 DDR3-1600 内存双通道带宽不过 12.8GB/s，美光之前宣称 HMC 的性能是 DDR3 内存的 20 倍，单通道带宽就有 128GB/s(跟 HBM 1 代相同），同时功耗比 DDR3 减少 70%，占用面积比 DDR3 减少 95%。
HMC 阵营实际上也有 Intel、三星等其他公司参与，但目前力推 HMC 的基本上只有美光公司，他们现在推出了 2/4GB 容量的 HMC 内存，有两种封装，896-Ball BGA 封装的带宽为 160GB/s，666-Ball BGA 封装的带宽是 120GB/s。
Xeon Phi 加速卡上的 16GB 板载缓存就是 HMC 技术的
具体应用方面，HMC 在 Intel 的新一代 Xeon Phi 加速卡上露过面了，代号 Knights Landing 的 Xeon Phi 加速卡配备了 16GB 板载缓存，号称 5 倍带宽、5 倍能效于 DDR4 内存，它就是美光提供的 HMC 内存。
不过总体来看，HMC 相对 HBM 来说还有点滞后，HBM 在新一代显卡上站稳脚跟没问题，未来也会进入服务器等市场，HMC 受到的支持力度不如 HBM，不过 3D 内存技术现在还是新兴事物，现在给 HBM、HMC 作出最终判决还有点为时过早。
总之，2016 年半导体 / 处理器技术的进步首先要依赖工艺升级，虽然 10nm 及 7nm 工艺还有点远，但 2016 年我们可以预期新一代处理器全面升级 14/16nm FinFET 工艺，这比去年的 28nm、20nm 工艺已经有很大进步了。不论是 AMD、Intel 的 CPU 还是 AMD、NVIDIA 的 GPU，FinFET 工艺都会带来 20%以上的性能提升，30-40%的功耗降低，最终的 CPU/GPU 不仅性能更强，功耗也会大幅降低。
下载ECAD模型
