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    谈22nm/3D晶体管与Haswell架构的故事

      [  中关村在线 原创  ]   作者:
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    122nm纳米的又一神作—Haswell

      微型计算机的发展推动了芯片的不断革新,Intel最近发布了旗下最新的产品——第四代酷睿智能处理器。新品采用了哪些非同寻常的设计理念?又将怎样影响未来的PC呢?工艺制程的运用将会直接影响整颗产品的性能,我们今天一起来看看Haswell架构芯片工艺制程的革新。

    谈22nm/3D晶体管与Haswell架构的故事

      22nm工艺制程和3D晶体管(3-D三栅极晶体管)早在2012年就被Intel应用到IVB架构中,在Haswell架构里Intel继续沿用。两大技术的沿用有利于产品的能耗表现,其目的就是用更低的耗电量换来更多的性能提升。22纳米工艺制程和3-D三栅极晶体管可以提升单位面积下的晶体管数量(更小的晶体管单位可以提升晶体管的集成量)。

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    22nm工艺制程对比32nm工艺制程

      从面积来看22纳米和32纳米之间的对比,22纳米工艺制程设计的电路会比32纳米更加复杂,而同样的,如果两者之间采用同样的电路设计,那么22纳米工艺无疑会比32纳米的体积更小,同时由于工艺的原因,22纳米带来的电能消耗也会更低——因为22纳米的漏电现象会比32纳米改良很多。当然,由于22纳米的构架是立体3D式的,所以实际的晶圆面积大小和我们的示意图还是有所不同的,我们只是先建立这么一个基础的模型,以让读者能够在心中树起这么一个对比的概念。

     

    23-D晶体管是22纳米工艺的精髓

      其实制作芯片和盖大楼类似,地基就是晶元。笔者在Haswell处理器至尊地带首发仪式上有幸拍摄到的晶元,在晶元片上英特尔将建造“3-D三栅极”晶体管和相关布线。

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    Haswell晶圆

      在22纳米工艺制程之前(2012年)处理器晶体管多是采用2-D设计,Intel发现了2-D的瓶颈,于是决定多管齐下全方向减小栅极的漏电、降低处理器功耗,提高处理器性能。

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    三栅极晶体管发展

      正如上图所示,2D晶体管与3D晶体管区别非常明显。相对于2-D平面栅极结构晶体管来说,三栅极晶体管是根据栅极具有三面而命名的。平面栅极变成了立体栅极,其意义与CPU的单核心迈向双核心有过之而无不及。当然目前我们可以理解为3-D晶体管就是芯片通道的立交桥,其作用就是使得芯片进行数据(0/1)“传输”更加高效。

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    左2-D晶体管右3-D晶体管

      3-D晶体管代表着从2-D平面晶体管结构的根本性转变。实际上科学家们早就意识到3-D结构对延续摩尔定律的重要意义,因为面对非常小的设备尺寸,物理定律成为晶体管技术进步的障碍。3D的架构则意味着平面到空间的转换,以线动成面、面动成空间的基本常识来说,3-D晶体管可以看做是一种晶体管架构的大幅度进化。

    3更好的制程带来了什么

      更好的制程能够带来什么?这是个非常好的问题。在之前我们说过了,22纳米给我们带来的就是同样晶体管数量可以放在更小的空间内,反过来理解就是:工程师们能够在同样的空间内放入更多的晶体管,事实上Haswell的内部架构正是得益于这种趋于完善的22纳米3-D三栅极晶体管工艺而做出了架构上的极大改善,让我们先来看一看Haswell的内部架构示意图。

    谈22nm/3D晶体管与Haswell架构的故事
    Haswell核心架构

      在Haswell处理器电路中设计有功耗单元,这是英特尔用来精确调整CPU核心供电的技术。目前的主板上一般都设计有CPU供电系统,我们在评价一款主板的时候往往会先看这款主板的供电“有多少相”,这就是主板的供电模块。为了提高对CPU的供电效率,主板厂商往往使用多相供电,技嘉的Z77X-UP7主板供电高达32相,显然英特尔需要精度更高的调压模块,所以Haswell就是英特尔的第一步:将VRM模块集成到CPU内,英特尔将其称为FIVR——全集成式电压调节模块。

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    Z87主板上的供电模组规模明显小了很多

      更少的供电模组就能够为第四代智能英特尔酷睿处理器带来同样、甚至更强大的供电效果,这就是22纳米3-D三栅极晶体管工艺带来的间接提升。使用过去的老式工艺,我们很难想象芯片能够空出这么大的空间来“放入”如此精密的供电模块,可以说英特尔在制程之路上已经获得了惊人的成效。

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    更完善的制程让工程师能够在核芯显卡上持续发力

      同样不能忽略的还有第四代智能英特尔酷睿处理器的核芯显卡部分,本次发布的产品序列中我们看到了Core i7-4770R这款处理器,它的最大特点就是设计有一颗代号为Iris Pro(锐炬Pro)的核芯显卡,Iris Pro(锐炬Pro)核芯显卡的性能将比普通核芯显卡的性能更加强劲,这同样是更低的22纳米制程所带来的成果。

    422纳米工艺保证了性能的提升

      我们在3Dmark 2006的测试中发现HD4600核芯显卡相比之前的核芯显卡来说确实提升非常之大,让我们从成绩来分析:第三代智能英特尔酷睿处理器最强的核芯显卡就被设计在Core i7-3770K芯片之中,这一点相信无人会质疑,而即使是Core i7-3770K在3DMark 2006的测试中也仅仅得到了6633的得分,而Core i7-4770K则直接达到了8413分,比Core i7-3770K高出了1780分,提升率达到27%,很惊人不是么?

    谈22nm/3D晶体管与Haswell架构的故事

      如果很多人觉得3Dmark 2006所代表的是DirectX 9时代的测试成绩,并不能作为DX11时代的典型例证,那么接下来的3Dmark 11测试应该可以作为DirectX 11时代的典型例证而为核芯显卡的效能进步增加说服力了。

    谈22nm/3D晶体管与Haswell架构的故事

      需要说明的是我们这次参加测试的处理器有很多并不支持DX11接口,这些无法支持DX11接口的处理器我们并未放出成绩。3DMark 11是一款基于DX11接口的测试工具,事实上HD4600核芯显卡在DX11接口上的表现更加出色,从成绩中我们看到Core i7-4770K处理器的总分达到了1447分,而上一代的同频率产品Core i7-3770K则只有770分,Core i7-4770K处理器相比上一代的提升率几乎达到了100%,也就是翻倍。还有什么能比实打实的测试得分更有说服力的呢?OK,第四代智能英特尔酷睿处理器的核芯显卡部分确实是令人惊讶了一把,请记住,这同样受益于第四代智能英特尔酷睿处理器所采用的22纳米3-D三栅极晶体管工艺。

    5新制程让性能提升 功耗反降

      第四代酷睿智能处理器均采用22纳米和3-D三栅极晶体管,Haswell核心与IVB核心大体相同。Haswell在IVB原有基础上增加核芯显卡的流处理单元数,当然第四代处理器的主频和功耗相比上代产品均有所提升。

    Haswell首发测试
    新Logo

      酷睿i7-4770K处理器的TDP是84W,而上一代相似定位的Core i7-3770K处理却只有77W(首批出售的3770K包装上标示的是85W功耗)。对比之后,Haswell功耗提升比较明显。

    Haswell首发测试
    CPU核心满载

      Haswell架构由于出色的工艺制程和3-D晶体管设计,支持超频的酷睿i7-4770K和酷睿i5-4670K拥有不错的超频性能。喜欢超频的玩家可以尝试挑战一下极限。

    不只是追求极致:体验第四代酷睿处理器
    Haswell处理器

    不只是追求极致:体验第四代酷睿处理器
    Haswell处理器采用全新包装设计

    【总结】

      Haswell所沿用的工艺制程和晶体管设计,不仅让摩尔定律得以延续,而且也使英特尔在整个芯片制造产业中处于绝对领先的地位。桌面级处理器中,英特尔凭借先进的工艺制程和科学地设计让处理器的性能提升的同时功耗不断下降。期待英特尔的Haswell架构新品大量铺货卖场。同时,笔者看好其新架构的后续双核版本处理器。

    22纳米3-D三栅极晶体管技术应该说是英特尔近年来最为出色的发明了,利用这一技术,英特尔成功地将处理器的功耗降低,同时还保持了性能的提升率。

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