Новая Надежда Intel: Процессоры Tiger Lake и 10 нанометров SuperFin

[ad#ad-1]

14-и нанометровый техпроцесс компании Intel впервые дебютировал, теперь уже в далёком в 2014-ом году.

Первым представителем процессоров основанном на 14-и нанометровом техпроцессе стала архитектура Broadwell.

С тех пор прошло уже 6 лет, а компания Intel продолжает использовать 14 -и нанометровый техпроцесс, уже четвёртой итерации ++++ (не считая первой оригинальной).

Чтобы поддерживать повышение производительности, одних архитектурных изменений уже недостаточно.

Более тонкие передовые техпроцессы позволяют на одной и той же площади кристалла кремния разместить больше транзисторов, снизить энергопотребление схемы, а также повысить урожайность при производстве.

Под урожайностью я понимаю увеличение количества годных кристаллов с одной круглой кремниевой пластины – ведь чем меньше площадь кристалла процессора, тем меньше брака и тем больше можно получить готовых процессоров (или других чипов, в зависимости от специализации).

Тем не менее Intel удавалось удерживаться на гребне рынка даже застряв с освоением 10-и нанометровых технологических норм.

К тому же Intel и не была особенно заинтересована осваивать новых технологии – ведь всё шло своим чередом.

Этому способствовал тот факт, что в последнее время рынок персональных компьютеров постоянно падал.

А во-вторых, главный конкурент AMD всё никак не мог вывести новую процессорную архитектуру и фактически плёлся в стороне со своими процессорами Buldozer и Excavator.

Однако ясно, что эта ситуация, не могла находится в замороженном состоянии бесконечное время.

В 2016 году AMD представляет революционную процессорную архитектуру под названием ZEN и торговую марку процессоров Ryzen.

Вместо того, чтобы разрабатывать архитектуру традиционного монолитного кристалла, AMD представила новую философию строения современного центрального процессора.

Ядра процессора были разделены на функциональные блоки – чиплеты (отдельные маленькие кристаллы), которые соединяются между собой при помощи высокоскоростной шины с низкой латентностью Infinity Fabric.

Такая компоновка позволяет очень гибко конфигурировать центральный процессор и легко наращивать количество ядер для различных сегментов рынка (те же серверные EPYC или HEDT Threadripper).

Кроме того, можно более быстро внедрять совершенно новые архитектурные решения в новых поколениях процессоров, поскольку разработка маленьких чиплетов требует меньше капиталовложений и временных затрат.

При более легком добавлении дополнительных миллиардов транзисторов растёт общая производительность схемы, при этом обеспечиваются передовые соотношения исходя из пропорции производительности/ватт энергопотребления.

В первом же поколении процессоров Ryzen удалось достичь 40% процентного роста IPC (операций выполняемых за так процессора) над архитектурой прошлого поколения Excavator.

Уже в этом году, в октябре состоится анонс новой процессорной архитектуры ZEN 3, которая ляжет в основу линейки настольных процессоров Ryzen 4000 (Vermeer).

Всё про AMD и AMD, а что же с Intel?

Intel до сих пор вынуждена использовать 14-и нанометровый техпроцесс для своих высокопроизводительных продуктов.

Удерживать лидерство становится всё сложнее, потому что по своей сути архитектура всех центральных процессоров Intel не менялась очень давно – это всё тот же Skylake работающий на повышенных частотах, благодаря оптимизациям текущего техпроцесса.

К тому же Intel до сих пор придерживается философии монолитного кристалла процессора, что значительно увеличивает время на разработку и добавляет дополнительного брака при массовом производстве больших кристаллов.

Единственный путь — это увеличивать количество ядер в уже текущих решениях и выдавливать рабочие тактовые частоты на максимально возможный уровень.

При этом неизбежно растёт энергопотребление, а используемые шины для объединения ядер уже не могут обеспечивать столь высокие рабочие частоты и пропускную способность из-за добавления этих самых ядер.

И если с энергопотреблением можно бороться жёстким отбором кристаллов, которые могут работать при низких напряжениях, то вот получить качественного роста производительности и энергоэффективности уже не получается.

Требуется новая процессорная архитектура, которая у Intel безусловно есть, но внедрять её в рамках текущего 6-и летнего техпроцесса….

Выглядит как-то глупо, ведь недавно Intel был лидером в области освоение передовых техпроцессов производства интегральных схем.

Хотя похоже на практике будет использован именно такой вариант в виде процессоров с кодовым именем Rocket Lake под очередной новый разъём LGA 1200.

Новый техпроцесс 10 нанометров должен быть внедрён в 2015-ом году, однако этого так и не случилось.

Intel для разработки своего технологического процесса опиралась на так называемую технологию мультипаттерна (multipatterning techniques).

Давай я объясню очень просто… По крайней мере постараюсь…

Представьте, что вам нужно сфотографировать масштабный объект, а потом распечатать фото огромного формата.

Как поступить в этом случае, если принтер печатает только маленький формат?

Вы делаете множество отдельных фотографий разных частей этого объекта, затем распечатываете их на принтере.

Мало того, что вы могли случайно сдвигать камеру в процессе съёмки (что приведёт к дефектам и лишним смещениям), дак ещё и при склеивании фотографий клеем также могут проявится ошибки (нахлёсты) и в итоге вся работа уходит в мусорку….

Примерно тоже самое происходит и при печати интегральных схем, на литографических сканерах.

При освоении 10-и нанометрового техпроцесса появилось множество производственных дефектов, которые не позволили создавать большие высокопроизводительные кристаллы, работающие на высоких тактовых частотах.

Наконец в 2018 году Intel совершает первую пробную попытку производства на новом 10-и нанометров техпроцессе – это мобильный процессор Core i3 8121U.

Однако об этой попытке Intel теперь старается не вспоминать…

В изначально четырёхъядерном кристалле были отключены два ядра, а в придачу и встроенная графика.

Всё это последствия брака и амбициозного желания нарастить количество транзисторов на единицу площади в 2.4-2.7 раза по сравнению с 14-и нанометровом техпроцессе.

В то время как раньше разница между количеством транзисторов на единицу площади между 22-мя и 14-ю нм составляла всего до 2x раз.

Вы могли и не слышать об этом процессоре, поскольку он был выпущен в крайне ограниченном количестве.

Intel нужно было срочно что-то делать и дорабатывать техпроцесс.

Наконец в 2019 году появляется действительно новая процессорная архитектура Sunny Cove и процессоры, основанные на ней под кодовым именем Ice Lake.

Ice Lake это мобильные процессоры используемые в тонких ноутбуках.

Процессоры производятся по 10-и нм нормам и именно этот вариант техпроцесса Intel называет первой итерацией (перовым вариантом).

Архитектура процессоров Ice Lake позволила увеличить количество выполняемых инструкции за так (IPC) до 18% по сравнению с вариациями Skylake.

Новая встроенная графика 11-ого поколения также наконец повысила производительность и энергоэффективность.

Однако и тут не всё так гладко…

Даже самый старший четырёхъядерный процессор Intel Core i7 1068NG7 имеет базовую частоту всего в 2.3 ГГц, а Turbo Boost частоту для всех ядер до 3.6 ГГц при TDP 28 Ватт.

У более младших процессоров линейки Ice Lake частоты ещё ниже.

Мобильные процессоры, основанные на архитектуре прошлого поколения (кодовое имя Comet Lake) использующие обкатанный 14-и нм техпроцесс работают на больших тактовых частотах.

Так что прибавка в IPC новой архитектуры, на практике очень часто съедается высокими тактовыми частотами «старых» процессоров.

Тем более речи не идёт использовать 10-и нм техпроцесс для больших и производительных настольных процессоров.

Спасти положение дел может вторая итерация (версия) 10-и нм техпроцесса под названием 10 Super Fin (10SF).

Как я уже и говорил в самом начале своей статьи, старый добрый 14-и нм техпроцесс насчитывает уже целых четыре итерации (версии) кроме оригинальной, каждая из которых помечается знаком плюсика.

Даже сама компания Intel уже запуталась какая же версия техпроцесса добавляет то или иное улучшение и главное в каком процессоре используется та или иная версия.

Ясно, что так не могло долго продолжаться, а отраслевые аналитики уже давно обращались к Intel за унификацией спецификацией и названий техпроцессов компании.

Наконец компания Intel откликнулась и так появилась технология Super Fin, которая даёт имя собственное второй версии 10-и нм техпроцесса – 10SF.

Вся отрасль и Intel уже довольно давно используют так называемые объёмные транзисторы FinFET.

Это транзистор с дополнительными рёбрами, представляющие собой сток и исток транзистора.

За счёт такой конструкции удалось уменьшить размер транзистора и значительно улучшить эксплуатационные характеристики готового процессора.

Сама Intel также приложила немало усилий для улучшения конструкции транзисторов типа FinFET, предолгая очередные масштабные улучшения.

Super Fin – это название группы технологий, которые повышают эксплуатационные характеристики транзисторов типа FinFET.

В частности, удалось нарастить больше кристаллических структур на стоке и истоке транзистора, что привело к уменьшению сопротивления.

Меньше сопротивление = больше тока проходит через канал транзистора, что позволяет уменьшить нагрев и увеличить рабочие частоты транзистора.

Усовершенствование производства стока, истока и затвора транзистора позволяет повысить так называемую мобильность канала, что позволяет носителям заряда быстрее перемещаться в канале, что также увиливает частоту транзистора и снижает токи утечки.

Шаг затвора транзистора был увеличен (для улучшения характеристик), однако за счёт возросшей производительности транзисторов их можно использовать в меньшем количестве, что всё равно уменьшит плотность схемы на кремниевом кристалле.

P.S. Чем меньше шаг затвора транзистора, тем в теории можно больше разместить транзисторов на единицу площади.

Однако и тут есть исключения, поскольку повышению плотности размещения транзисторов препятствуют эксплуатационные характеристики так называемых слоёв металлизации.

Через слой металлизации, транзисторы соединяются друг с другом в огромную сеть и получают необходимое энергопитание и обмен данными.

Слой металлизации различных уровней был улучшен, что снижает итоговое сопротивление тока на 30 %.

Специальный конденсатор SuperMIM (металл-изолятор-металл) имеет повышенную в 5 раз ёмкость по сравнению с технологиями предыдущих поколений.

Большая ёмкость позволяет снизить рабочее напряжение всей готовой схемы.

Что же это даёт в итоге?

Если раньше улучшение каждой ступени 14-и нм техпроцесса укладывалось в среднем в 5% повышение производительности, то 10SF повышает эту цифру до двухзначного значения!

Как утверждает сама компания Intel производительность транзисторов увеличивается на 17-18%!

А это крупнейшее усовершенствование техпроцесса в одной итерации (в данном случае в рамках 10-и нм).

Первыми процессорами, где будет использоваться новый техпроцесс Intel 10SF станут грядущие мобильные процессоры под кодовым именем Tiger Lake.

В основе ядре процессора ляжет новая архитектура под названием Willow Cove, которая впрочем мало чем отличается по функциональным блокам от Sunny Cove в процессорах Ice Lake.

Однако изменения всё же есть, и они находятся в архитектуре кеш памяти всех уровней.

Кеш память второго уровня L2 увеличилась на 150% до 1.25 Мб, а количество каналов увеличено до 20 (в Sunny Cove было 512 Кб L2 кеша и 8 каналов).

Однако кеш память теперь стала инклюзивной, то есть L2 больше не обязан хранить данные кеша L1, в виде дубликата.

Это уменьшает количество промахов почти на 60%, при выполнении команд, а обратной стороной становится большая задержка при доступе к кеш памяти L2.

Насколько же конкретно увеличатся задержки Intel пока не уточняет.

Кроме того, такая архитектура кеша увеличивает площадь кристалла и потенциально увеличивает энергопотребление процессора.

Возможно, совокупность технологий SuperFin нивелируют эти негативные факторы.

Кеш память уровня L3 также увеличилась с 8 Мб, до 12 Мб в четырёхъядерном варианте процессоров и он также является инклюзивным, то есть не хранит в себе копию данных кеша L2.

В целом оптимизации нивелирую друг друга, а увеличение размеров кешей повышают пропускную способность, но увеличивают задержки.

Основное увеличение производительности процессоров Tiger Lake и архитектуры Willow Cove будет обеспечено возросшими тактовыми частотами, нежели повышением показателя IPC (количества инструкций, выполняемых за один такт).

Подсистема оперативной памяти будет поддерживать несколько конфигураций ОЗУ.

До 64 Гб DDR4-3200 Мгц/до 32 Гб LPDDR4x-4266 МГц и наконец третий опциональный вариант до 32 Гб LPDDR5-5400 МГц.

LPDDR5 память на первых порах будет очень дорогой, поэтому думаю не стоит ждать конфигурации ноутбуков с этой памятью сразу же на старте процессоров Tiger Lake.

Зато оперативная память типа LPDDR5 сможет обеспечить рекордную полосу пропускания памяти в 86.4 Гб/c!

А платформе Tiger Lake как никогда потребуется большая полоса пропускания памяти, поскольку на одном кристалле с процессорными ядрами находится новая высокопроизводительная интегрированная графика Intel Xe Lp.

В максимальной конфигурации встроенной графики можно получить 96 исполнительных блоков со значительно переработанной архитектурой по сравнению с графикой Gen11.

В итоге можно получать в два раза большую производительность по сравнению с графикой поколения Gen11.

Intel похоже хорошо подтянулась к уровню AMD в рамках производительности и эффективности встроенной графики в процессоры.

Таким образом само наличие дискретных видеоадаптеров начального уровня в ноутбуках может поставить под сомнение само их существование.

Поскольку отдельно установленная видеокарта в ноутбуках стоит денег, а также увеличивает энергопотребление и тепловыделение.

Новая графика способна аппаратно кодировать/декодировать видео в формате AV1 и воспроизводить видео вплоть до 8K с поддержкой 12-и битного цвета и HDR.

Жаль, что в качестве внешнего вывода изображения на мониторы не реализована поддержка стандарта HDMI 2.0.

 

Что касается ввода вывода, то, разумеется, новые процессоры Intel будут поддерживать высокоскоростной стандарт PCI-Express 4.0.

Контроллер будет находится непосредственно в процессоре, а на в чипсете.

Количество линий  PCIe 4.0 будет равно 4-ём, чего более чем хватит для использования с быстрыми SSD накопителями.

Однако для подключения внешних видеокарт через интегрированный интерфейс Thunderbolt 4 уже может не хватить полосы пропускания.

Однако эти вопросы требуют дальнейшего уточнения и говорить уверенно пока рано.

Дополнительные блоки в процессорах Tiger Lake позволят ускорять отдельные алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения.

Этот факт позволит получить новые возможности и вообще позволит распространять программное обеспечение нового поколения.

Ну по крайней мере мне хочется в это верить…

Отдельное внимание Intel уделили технологиям безопасности и шифрования памяти.

TDP новых процессоров будет масштабировать до 65 Ватт, что возможно косвенное подтверждает появление 8-и ядерных мобильных чипов.

Правда TDP в 65 Ватт уже покрывает настольный сегмент высокопроизводительных центральных процессоров.

Этот факт выглядит весьма интригующим…

Intel уже анонсировала полный стек своих новых мобильных процессоров Tiger Lake, которые действительно показывают куда более возросшие тактовые частоты нежели у представителей Ice Lake.

Старший процессор Intel Cire i7 1185G7 имеет базовую тактовую частоту в 3 ГГц, а частоту Turbo Boost для всех ядер в 4.3 ГГц.

Была проделана большая работа и уже хочется увидеть Tiger Lake в деле.

Ну и конечно хочется увидеть прояснение ситуации с настольным сегментом высокопроизводительных центральных процессоров под разъём типа LGA.

Готов ли техпроцесс 10SF для них или потребуется следующая вариация, которая кстати уже имеет своё название 10 Enhanced SuperFin (10ESF)!?

Ну и в конце покажу вам несколько слайдов показывающие производительность мобильных процессоров Tiger Lake.

Слайды от самой Intel и нужны дополнительные тесты, но в любом случае уже можно ориентироваться на примерную возможную производительность новых мобильных решений.

Мне хотелось бы пожелать Intel таких же амбиций и на рынке десктопных высокопроизводительных процессоров.

Я считаю, что на любых рынках и тем на рынке процессоров никто не должен быть победителем всегда, дабы не создавался откровенный застой.

Должна быть постоянная борьба между производителями, в данном случае между AMD и Intel.

Технологические прорывы создают баланс, который уменьшает застой, увеличивает разнообразие продуктов и самое главное предоставляет оптимальные цены для потребителей.

Так что в конечном итоге выигрываем от этого именно Мы.

Также не забывайте про мои ресурсы.

YouTube канал Обзоры гаджетов

Вконтакте: Обзоры компьютерного железа, программ и гаджетов

Facebook: Гаджеты, технологии, IT

Удачи Вам и до Встречи в новых публикациях!