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英特尔重演摩尔定律,TT周期回归助力智能X效应

2020/04/13
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智能化机遇为产业创新发展提供 X 效应。2020 年全球新冠肺炎疫情的突发,从医疗救助和生命科学第一线,智能科技发挥关键作用,在线诊疗、影像分析、基因组分析等智能应用井喷式爆发。未来,智能科技、智能应用、智能基础设施建设将成为“刚需”。

2020 年 4 月 9 日,英特尔以“智存高远,IN 擎未来”为主题,举行年度战略纷享会。英特尔首次提出“数据时代,智能 X 效应”的概念。“X”代表着智能万物,智能万物互连构成增值平台,实现跨产业融合,带来指数级的数据量爆炸式增长。在数据时代,海量数据的涌现,对于数据的计算、存储和传输带来了极大的挑战。在数据量呈指数级增长的同时,数据形态也日趋多样化,数据实时传输的需求也在快速增长,这些都对数据处理能力提出了更高的要求。

今天,ABC(AI、Big Data、Cloud Computing)时代已经来临,各行各业都在寻求能够跨越计算、连贯性处理、分析、存储和传输数据的解决方案,从而将数据转换为能够指导决策的洞察力,以及提升企业领先优势的竞争力。

为满足用户目标,建立以数据为中心的基础架构,帮助用户加快数据传输速度、实现更强的数据存储能力、实时处理一切数据尤为重要。通过不断地突破与创新,英特尔帮助用户打破高性能计算的数据传输瓶颈、重塑了数据中心内存和存储层次结构,从通用型 CPU 到 GPU,从可编程加速产品 FPGA 到 ASIC 专用芯片,英特尔“以数据为中心”的产品组合不断扩展,支持客户从云、网络、边缘到端的智能部署,奠定云计算人工智能5G 网络转型和智能边缘等多领域创新的数字基石。

从 1968 年以来,英特尔一直致力于构建技术基石,引领计算的创新发展。面向数据时代,英特尔正在加速这一旅程。一方面立足当前,基于六大支柱持续推动计算创新演进。另一方面着眼未来,长远布局神经拟态计算、量子计算等新型计算研究。

基于“以数据为中心”的计算时代,需要传输数据更快、存储更多数据和处理一切数据的需求,2018 年 12 月,英特尔提出六大技术支柱战略,包括先进的制造工艺和封装、可加速人工智能和图形等专门任务的新架构、超高速内存、超微互连、嵌入式安全功能、以及为开发者统一和简化基于英特尔计算路线图进行编程的通用软件。六大技术支柱作为英特尔面对以数据为中心的时代发力的方向,是英特尔未来推动自身创新的技术引擎,更是驱动整个行业智能创新变革的原动力。

首先,我们来看看英特尔的制程技术进展。

2017 年 9 月 19 日,“英特尔精尖制造日”活动在中国北京举行。首次在中国分享英特尔制程工艺路线图中的多项重要进展,展现了英特尔持续推动摩尔定律向前发展所获得的丰硕成果。英特尔表示摩尔定律依然有效,将依然遵循摩尔定律,持续向前推进制程工艺,每一个节点晶体管数量会增加一倍,并带来更强的功能和性能、更高的能效,而且晶体管成本下降幅度前所未有。

在工艺制程方面,英特尔一向以满足最严苛的摩尔定律而闻名,在大幅缩小晶体管体积的同时,还导入全新材料,希望在产品性能提升方面一举超前对手。确实,英特尔在工艺研发过程中,一直以世界首创的方式改进制造技术,包括铜互连技术、High-K 技术(2007 年)、FinFET 技术、应变硅技术、钴材料。

然而在 10 纳米工艺制程上,英特尔的先进工艺在性能提升方面真的遇到瓶颈了。原计划 2016 年推出 10 纳米制程,英特尔为了提高芯片性能,在 10 纳米工艺开始引入金属钴在 MO 和 M1 取代氮化钽(TaN)做侧壁层,导致工艺研发一拖再拖,一直到 2019 年 5 月,才正式公布以 10 纳米制程生产的代号 Ice Lake 的处理器

在本次纷享会上,英特尔再次强调,摩尔定律依然有效,公司将继续推进,制程再次回到两年的更新周期“Tick-Tock”。英特尔表示,10 纳米制程良品率大幅度提升,产能也大幅提升。2020 年将推出 5 款 10 纳米新产品,分别是 Jasper Lake 桌面和移动低功耗处理器、Tiger Lake 酷睿移动处理器、ICE Lake 至强可扩展处理器、面向 5G 无线基站的 Snow Ridge SoC 以及基于 Xe 架构的独立图形显卡。

也许是精益求精的结果,倒导英特尔在商业化制程推进中落后于台积电和三星。不过,英特尔在解决了 10 纳米制程痛点后,以极快的速度过渡到更先进的 7nm 工艺。英特尔表示,7 纳米产品将于 2012 年首发,2020 年提供完整产品组合,性能将实现每年提升。2017 年北京“英特尔精尖制造日”的精典名句是“老虎不发声,当我是病猫!”现在看来“病猫”不仅要声还要发威。

然后,我们来看看英特尔的封装技术进展。

多年来,英特尔一直在推动异质集成封装。2014 年发表高密度 2D 芯片封装技术 EMIB(Embedded Multi-Die Interconnect Bridge,嵌入式多核心互联桥接),表示该技术是 2.5D 封装的低成本替代方案;在 2018 年的 HotChip 大会上,发布了采用高密度 2D 芯片封装技术 EMIB 封装的芯片;EMIB 能够把采用不同节点工艺(10nm、14nm 及 22nm)和不同材质(硅、砷化镓)、不同功能(CPU、GPU、FPGA、RF)的芯片封装在一起做成单一处理器。

2018 年 12 月,英特尔首次展示了逻辑计算芯片高密度 3D 堆叠封装技术 Foveros,采用 3D 芯片堆叠的系统级封装(SiP),来实现逻辑对逻辑(logic-on-logic)的芯片异质整合,通过在水平布置的芯片之上垂直安置更多面积更小、功能更简单的小芯片来让方案整体具备更完整的功能。

2019 年 7 月,英特尔推出了 EMIB 和 Foveros 技术相结合的创新应用 Co-EMIB,以及全新的全方位互连(ODI)技术。在水平互连和垂直互连同时,实现 Foveros 3D 堆叠之间的水平互连,为芯片封装带来绝佳的灵活性。

接下来,我们来看看英特尔的架构方面进展。

2019 年 11 月英特尔披露全新基于 Xe 架构的 GPU,为 HPC 和 AI 工作负载提供优化。Xe 架构是一个非常灵活、扩展性极强的统一架构,针对性地划分成多个微架构,例如 CPU、GPU、FPGA 等,可用于几乎所有计算、图形领域。

CES 2020 上,英特尔首次展示了采用 10 纳米工艺基于 Xe 架构的独立显卡“DG1”;首个基于 Xe 架构的通用 GPU“Ponte Vecchio”将采用 7 纳米工艺,Foveros 3D 封装,针对高性能计算和 AI 加速市场的,是英特尔首个百亿亿次级 GPU。

英特尔除了在六大战略技术创新之外,还将紧密围绕“数据”展开对未来计算、未来存储和未来通信领域进行探索。从未来计算的角度来看,量子计算、神经拟态计算将是非常重要的两种新型计算方式。从未来存储的角度来看,让数据尽可能地靠近计算,是未来数据处理最迫切的需求,让内存和计算资源更紧密地结合在一起,将让大规模数据处理的效率大幅攀升。从未来数据通信的的角度来看,硅光子将是一种新的方式。

1、神经拟态计算

2017 年四季度,英特尔就率先发布了首款支持自主学习的类脑芯片 Loihi,集成了 128 个神经形态核心,拥有 13 万个神经元和 1.3 亿个突触,每个神经拟态计算内核可以模拟多个“逻辑神经元”,片上网络连接支持高效的脉冲消息分发,拥有高度复杂的神经网络拓扑,支持多种学习模式的扩展的片上学习能力。

基于 Loihi 芯片可以设计出更大规模的系统,从早期的集成 4 块 Loihi 主板,进展到集成 32 块、64 块,目前可以集成 768 块 Loihi 芯片,做成一个大规模的神经拟态计算系统,执行大规模的深度学习、神经拟态学习的应用。更神奇的是,与康奈尔大学合作,利用 Loihi 芯片进行让计算机拥有嗅觉的探索。它仅需单一样本便可学会识别每一种气味,且不会破坏它对先前所学气味的记忆。也许未来,存在明显噪声和遮盖的情况下,识别危险化学品的能力大大加强。

2、量子计算

量子计算是一种全新的计算模式,因为它的底层基础已经不是经典计算中使用的确定性的二进制比特了,它是利用量子态的系统作为基础,通过量子位的相干,在多个量子位上可以实现超大规模的并行计算

2015 年,英特尔与荷兰 QuTech 开展为期十年的合作计划。英特尔在量子计算方面同时开展两个研究方向,一是超导量子位芯片,二是自旋量子位芯片。

在超导量子位方面,2017 年 10 月成功测试 17 量子位,2018 年 1 月发布了 49 量子位的测试芯片“Tangle Lake”,2019 年 12 月发布首款低温量子控制芯片“Horse Ridge”,可控制多达 128 个量子位,堪称量子实用性道路上的一个重要里程碑。

在自旋量子芯片方面,2018 年 6 月成功测试自旋量子位芯片,量子位宽约 50 纳米,该芯片可在零下 273 摄氏度的极低温度下运行。自旋量子位芯片不含晶体管,而是包含可以容纳一个单电子的量子位,计算能力比如今晶体管大得多。 

自旋量子位芯片

英特尔还和产业界、学术界合作,于 2019 年 3 月推出了全球第一台低温晶圆探测仪,这也是量子计算首款测试工具,可以在低温下测试这样的芯片的计算和存储是否都是可靠的。

不过,英特尔也强调,量子实用性还有很长的路要走,只有在成千上万个量子位可靠运行的情况下,量子计算机才能比超级计算机更快地解决实际问题,可能还需要数年时间。

3、近内存计算

近内存计算是让内存和计算资源更紧密地结合在一起,避免计算等待。具体方法就是将数据在存储层级向上移动,使其更接近计算部件。这是未来数据处理最迫切的需求,特别是 AI 计算。近内存计算单元,包含乘加器和单独的静态内存,能让内存和计算资源更紧密地结合在一起。

4、硅光子

英特尔在硅光子方面的研究已经超过 20 年,享有首家“用光点亮硅芯片”公司的美誉。

2018 年 8 月英特尔公布了其新型 100G CWDM4 QSFP28 硅光收发器,具有双速率 40Gbps/100Gbps 通用 CPRI 和 eCPRI,双工单模光纤下的使用距离可达 10 公里;2018 年第 4 季度向客户交付 400 Gbps DR4 硅光子模块样品。

2020 年 3 月,英特尔展示了业界首个一体封装光学以太网交换机。它成功将 1.6 Tbps 的硅光引擎与 12.8 Tbps 的可编程以太网交换机进行了集成。硅光通信时代正在逼近。

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“芯思想semi-news”微信公众号主笔。非211非985非半导体专业非电子专业毕业,混迹半导体产业圈20余载,熟悉产业链各环节情况,创办过半导体专业网站,参与中国第一家IC设计专业孵化器的运营,担任《全球半导体晶圆制造业版图》一书主编,现供职于北京时代民芯科技有限公司发展计划部。邮箱:zhao_vincent@126.com;微信号:门中马/zhaoyuanchuang