“Foveros 3D芯片封裝技術(shù)將在不久的將來為英特爾計算引擎的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。”

最近英特爾舉辦了一場引人注目的“架構(gòu)日”活動，公布了未來多年的產(chǎn)品技術(shù)路線圖、技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃以及一系列新技術(shù)。外媒The Next Platform隨即發(fā)布了一篇深度分析文章，對Tick-Tock模式演進(jìn)和Foveros 3D芯片封裝技術(shù)進(jìn)行了深度解析。作者認(rèn)為，面臨壓力，英特爾能從現(xiàn)有工藝中釋放出超乎想象的更高性能；而Foveros將在不久的將來為英特爾計算引擎的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

以下為部分摘選：

創(chuàng)新離不開動力。從財務(wù)角度來看，RISC/Unix供應(yīng)商的衰落以及AMD在服務(wù)器市場的缺席使英特爾大為受益，它在數(shù)據(jù)中心的霸權(quán)也從未如此強(qiáng)大，收入和利潤不斷突破紀(jì)錄。

這也來源于超大規(guī)模運(yùn)營商和云構(gòu)建商的崛起所帶來的機(jī)遇，同時也帶給英特爾一些競爭壓力，這些壓力在之前往往來自于直接競爭對手、OEM和ODM。雖然英特爾在數(shù)據(jù)中心計算服務(wù)器方面仍幸運(yùn)地保持增長且接近壟斷，并擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備且都取得了一些成績，但缺乏競爭確實(shí)損害了英特爾的工程優(yōu)勢。

對于英特爾來說輕松賺錢是好事。服務(wù)器市場的增長速度比弱小競爭對手吞食市場份額的速度要快得多，AMD Epyc和Marvell ThunderX2的攻擊以及IBM Power9的一系列動作并沒有真正打擊到英特爾的核心服務(wù)器業(yè)務(wù)。延遲了兩年的10納米工藝雖然擾亂了英特爾的路線圖，但也沒造成什么確切影響。然而在2019年，隨著AMD和Marvell使用臺積電的先進(jìn)工藝推出下一代產(chǎn)品，戰(zhàn)火將會蔓延，并很可能會波及英特爾。

挫敗這些攻擊，是英特爾公司處理器核心和視覺計算高級副總裁、英特爾邊緣計算解決方案總經(jīng)理兼首席架構(gòu)師Raja Koduri，以及高級副總裁兼硅工程事業(yè)部總經(jīng)理Jim Keller的工作。Koduri和Keller是分別負(fù)責(zé)讓AMD Radeon GPU和Epyc CPU產(chǎn)品線重生的人物。這兩位和其他英特爾高管在最近舉行的架構(gòu)日活動中，在英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人Robert Noyce舊居發(fā)布了攻防計劃。在這里，英特爾從高處俯瞰硅谷，試圖在數(shù)據(jù)中心拿下更大一塊地盤。

羅馬不是一天建成的，也不是一天毀滅的

大家都熟悉英特爾十多年來采用的Tick-Tock模式。英特爾將芯片改進(jìn)的過程分為兩個部分以降低風(fēng)險，其中Tick階段是晶體管制造工藝的縮小，Tock階段是基于前階段工藝的架構(gòu)改進(jìn)。使用Tick-Tock模式，英特爾可以維持穩(wěn)定的性能提升，該模式也運(yùn)作得非常好，直到Tick階段需要花費(fèi)更長的時間且Tock階段變得越來越難。

英特爾從14納米開始打破Tick-Tock模式，延長為Tick-Tick-Tick-Tick模式，試圖從一個芯片工藝節(jié)點(diǎn)獲得更高的性能。這種改變很有必要，10納米工藝的推遲導(dǎo)致了14納米Tick階段的拉伸以及10納米Tick階段的延期，接著影響到依賴于10納米工藝的一大堆Tock階段。

從中得到的經(jīng)驗(yàn)可能就是Tock階段不能過分依賴于前面的Tick階段，需要學(xué)習(xí)混搭不同工藝的芯片將它們?nèi)M(jìn)一個2D封裝，或者堆疊成3D封裝。實(shí)際上只需要在最有用的芯片上使用最先進(jìn)的Tick工藝，而把其它的小芯片組件放在封裝上，比如把消耗大量電能的內(nèi)存控制器和I/O控制器放在芯片之外，這樣成熟的晶體管蝕刻工藝尺寸會更大，但制造成本也更低。

關(guān)于制程，有一點(diǎn)非常重要。面臨壓力，英特爾能從現(xiàn)有工藝中釋放出超乎想象的更高性能。當(dāng)前14納米FinFET工藝蝕刻的酷睿臺式機(jī)處理器就是一個很好的例子，并且這也適用于凌動或服務(wù)器的至強(qiáng)芯片。下表顯示了過去幾年酷睿芯片最高時鐘速率隨工藝優(yōu)化的演變：

制程更新本質(zhì)上是更平滑的優(yōu)化，即使新的工藝已經(jīng)推出，每個制程節(jié)點(diǎn)仍會持續(xù)更長的時間。這種更平滑的方式可以幫助緩解一些競爭壓力，但隨著英特爾增加10納米設(shè)備而減少14納米設(shè)備，導(dǎo)致了2018年P(guān)C芯片和一些服務(wù)器芯片的短缺，迫使英特爾集中精力在最佳良率上，并把最好的14納米工藝應(yīng)用于最暢銷的PC和服務(wù)器芯片。

英特爾需要讓客戶習(xí)慣這種Tick-Tick-Tick-Tick-Tick模式，它將改變工廠增減設(shè)施來滿足需求的方式。

Koduri希望大家了解的是，英特爾現(xiàn)在已經(jīng)掌控10納米工藝，而且正在前瞻7納米甚至更先進(jìn)的5納米。這是當(dāng)前路徑的樣子：

如圖，英特爾每個制程節(jié)點(diǎn)有兩個不同版本，一個針對計算優(yōu)化，一個針對I/O優(yōu)化，因?yàn)槎咝枰煌木w管屬性。以偶數(shù)結(jié)尾的制程變數(shù)用于計算，以奇數(shù)結(jié)尾的用于I/O。在最初的10納米制程后面，有兩個優(yōu)化的計算節(jié)點(diǎn)，英特爾可能會對外稱之為10納米+和10納米++。與此同時，后續(xù)的7納米工藝，目前正在開發(fā)中。英特爾也正在對5納米制程進(jìn)行“尋路”研究。

制程工藝過剩

然而還有一個更大的問題需要解決，那就是數(shù)據(jù)中心的計算類型如同寒武紀(jì)大爆發(fā)一樣增長。英特爾一直在構(gòu)建不同計算類型的產(chǎn)品組合，除了至強(qiáng)和凌動服務(wù)器CPU、Arria和Stratix（來自收購的Altera）FPGA，及其Crest神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（來自收購的Nervana）之外，英特爾非常清楚它還需要加入可用作加速器的獨(dú)立GPU。英特爾需要可與Nvidia Tesla和AMD Radeon Instinct GPU加速器直接競爭的產(chǎn)品，這也是其首先雇用Koduri的原因之一。

目前尚不清楚英特爾將如何幫助客戶選擇用于任意特定工作負(fù)載的計算產(chǎn)品，因?yàn)樵谠S多情況下會出現(xiàn)大量的重疊。

但是在我們深入了解這些讓人眼花繚亂的芯片組合之前，且先退一步看看。英特爾一再表示，它追求的不再是價值僅450億美元的客戶端和服務(wù)器處理器市場，再加上一些閃存和部分超微互連，而是追求更廣闊的3000億美元的計算市場，將其產(chǎn)品嵌入數(shù)據(jù)中心、園區(qū)和邊緣各式各樣的裝置中。要負(fù)擔(dān)所有這些芯片的研究和工廠建設(shè)費(fèi)用，英特爾將必須大規(guī)模生產(chǎn)。

Koduri提醒大家的第一件事是，并非所有的晶體管都適用于不同的場景，而且在這個摩爾定律放緩的世界，作為一個多元電子器件供應(yīng)商，需要為不同類型的電路使用不同的制程工藝。即使可以使用單個制程技術(shù)大費(fèi)周章地在芯片上建立單片系統(tǒng)，那也許并不算明智的做法。

“我們期望建立一個3000億美元的潛在市場規(guī)模，并進(jìn)入不同的市場領(lǐng)域，我們注意到需要建造的晶體管設(shè)計十分多樣，”Koduri解釋道，“例如，臺式機(jī)CPU就對于性能和功率都有廣泛的需求，新晶體管在這些場景中并不總是更適用。事實(shí)上，沒有晶體管可以覆蓋所有這些需求。另外，我們需要集成的晶體管越來越多樣——我們有通信晶體管、I/O晶體管、FPGA晶體管、以及傳統(tǒng)的CPU邏輯晶體管。”

因此，出于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，以及不同市場需要根據(jù)功率限制、性能特征、特性和成本集成不同原件，單個大芯片需要被拆分成多個小芯片（chiplet）。正如我們已經(jīng)指出，不僅僅是英特爾，業(yè)界的一切都將向插槽內(nèi)多芯片封裝發(fā)展。

所以，這就是英特爾將要做的事情。尚不清楚具體什么時候、使用什么電路，但顯然未來英特爾可編程解決方案事業(yè)部的“Falcon Mesa” FPGA將采用模塊化插槽設(shè)計，并使用10納米工藝至少來實(shí)現(xiàn)其核心邏輯。小芯片的模式不僅是將應(yīng)用不同制程的組件部分組合，而是還能制造出比單個大芯片能適應(yīng)更廣泛的性能和功率范圍的一系列部件。

另一個采用10納米工藝的組件是英特爾112 Gb/s SerDes電路，它的制程可能在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)不會縮小。它支持脈幅調(diào)制，可在一個信號中承載更多比特。英特爾擁有112 Gb/s SerDes，意味著英特爾可以提供能與業(yè)界相媲美的Omni-Path 200及以太網(wǎng)連接，這對于英特爾和眾多網(wǎng)絡(luò)廠商競爭是很有必要的，其中一些對手同樣銷售英特爾處理器的競品。

所有這些因素最終帶來了Foveros 3D芯片封裝技術(shù)，它將在不久的將來為英特爾計算引擎的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。Foveros是一種系統(tǒng)級封裝集成，為嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）多芯片封裝技術(shù)增加了第二個維度，EMIB是英特爾一項(xiàng)研究多年的工作，并最終在連接小芯片的Stratix 10 FPGA、以及在單獨(dú)封裝的配置AMD GPU和高帶寬內(nèi)存（HBM）的Kaby Lake-G 酷睿芯片上得到應(yīng)用。

使用Foveros系統(tǒng)級封裝多芯片模塊，為計算復(fù)合體（可以包括內(nèi)存及其它組件）提供服務(wù)的I/O電路、SRAM緩存和電源電路可以在基層芯片上構(gòu)建，基層芯片覆蓋于封裝襯底上，襯底可以放置針腳與插槽配合，抑或直接焊接到主板上。有源中介層被放置在該封裝襯底上，其上方的各種小芯片通過硅穿孔（TSV）可以互相連接。小芯片上的微凸塊可以通過TSV向下深入中介層，從而連接到堆疊芯片的最底層，然后在中介層內(nèi)可以到達(dá)鄰近，或到達(dá)堆疊其上的其它芯片。除了一層底層芯片和另一層頂層芯片，可以有很多分層：

看看這些焊點(diǎn)凸起多么閃亮；當(dāng)圖形專家做演示時就會發(fā)生這種情況。

使用Foveros工藝的第一個產(chǎn)品在架構(gòu)日上進(jìn)行了演示，如下圖：

這個設(shè)備定位是超便攜應(yīng)用，封裝尺寸為12毫米×12毫米，遠(yuǎn)小于一枚美元硬幣。具有I/O和其它片上系統(tǒng)組件的基層芯片使用1222工藝，該工藝是基礎(chǔ)22納米工藝的代號，非常久遠(yuǎn)，在完善后被應(yīng)用于“Ivy Bridge”和“Haswell” 至強(qiáng)上。更大晶體管更適合電源和I/O電路。在其上方是使用10納米工藝實(shí)現(xiàn)的計算復(fù)合體（1274，前綴P表示使用Foveros堆疊），在這個例子中，它包含了來自“Sunny Cove” 酷睿的一個核心和來自“Tremont” 凌動的四個核心，以一種ARM已經(jīng)應(yīng)用多年的方式混搭。最頂層是一大塊疊層封裝內(nèi)存。英特爾沒有說明這種芯片復(fù)合體在負(fù)載條件下功耗多少，但確實(shí)表示它在待機(jī)狀態(tài)消耗為2毫瓦，大約是能取得的最低值。

英特爾并未明確表示在未來的酷睿和至強(qiáng)處理器中使用Foveros技術(shù)，但顯然未來的“Falcon Mesa” FPGA，和2020年的Xe獨(dú)立GPU中將用到它。我們認(rèn)為未來的至強(qiáng)和凌動，以及各種CPU與GPU、FPGA、及Nervana神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器等混搭芯片上都會用到Foveros技術(shù)。

英特爾不再僅靠制程和架構(gòu)來推動其計算業(yè)務(wù)，還將充分利用內(nèi)存和互連芯片，將安全性嵌入到所有元素中，并與一個涵蓋這些計算元素的更簡單的集成軟件集合在一起，也就是oneAPI。之后，我們還將深入探討oneAPI以及各種計算引擎的路線圖，以及它們對回歸摩爾定律軌道的預(yù)期影響。