英特尔如何确保摩尔定律有效?在处理器上封装50倍于目前数量晶体管

发布时间:2020-08-22 04:05:39 编辑: 吉林省松原市 来源:科技

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摩尔定律通过缩小芯片上的数据处理元件晶体管来实现。英特尔计划继续缩小芯片,但也计划通过将芯片堆叠到多层封装中来增加密度。

英特尔如何确保摩尔定律有效?在处理器上封装50倍于目前数量晶体管

腾讯科技讯 8月21日,芯片巨头英特尔联合创始人戈登・摩尔(Gordon Moore)首先提出了所谓的摩尔定律,认为计算机芯片上的晶体管数量每24个月就会翻一番。但随着使电路微型化的步伐逐渐放缓,这种趋势正受到打击。为了在未来几年继续维持摩尔定律,英特尔给出了自己的应对方案,即在处理器上封装50倍于目前数量的晶体管。

摩尔定律的进展,已经将芯片从20世纪60年代昂贵的大型机扩展到80年代的个人电脑上,现在又扩展到智能手机、手表、汽车、电视、洗衣机以及几乎任何有电力支持的东西上。摩尔定律通过缩小芯片上的数据处理元件晶体管来实现。英特尔计划继续缩小芯片,但也计划通过将芯片堆叠到多层封装中来增加密度。

英特尔首席架构师拉贾・科杜里(Raja Koduri)在最近Hot Chips会议上发表演讲时表示:“我们坚信未来的晶体管密度会更高,这一愿景将随着时间的推移发挥作用,这可能需要十年或更长时间,但它最终会成为现实。”

科杜里的乐观反映了许多其他公司在Hot Chips上的兴奋,Hot Chips是一个工程会议,研究人员在会上详细介绍芯片进步情况。AMD、英伟达、谷歌、微软、IBM和许多初创公司展示了他们正在推进通用芯片和致力于人工智能、图形和网络等任务芯片领域取得的进展。

英特尔预计如何实现芯片进步

科杜里描述了几个步骤,以在一个芯片中塞入比10纳米芯片更多的晶体管,比如英特尔的Tiger Lake处理器将于今年秋天进入笔记本电脑。首先将是最传统的方法,缩小晶体管并将它们更紧密地挤压在一起。科杜里预测,这将使晶体管密度增加两倍。

接下来是新的晶体管设计,它延续了晶体管从平面电路元件到3D结构的电流转换。这些步骤被称为纳米线和堆叠纳米线,应该使晶体管密度再增加三倍。然后是封装创新,将芯片堆叠到处理器元件的多层蛋糕中,这应该再次使密度翻两番。总而言之,密度最终增加了大约50倍。

英特尔多年的困境

英特尔的乐观态度与摩尔定律保持运转的艰难时期形成了鲜明对比。英特尔曾是芯片制造领域毋庸置疑的领头羊,但最近几年却举步维艰。它从晶体管特征为14纳米的制造工艺转变为后来的10纳米,花了五年而不是两年。一纳米是十亿分之一米,加上14纳米宽的电路元件,英特尔可以在一根头发的宽度上容纳大约7000个晶体管。

接下来,英特尔将其从10纳米到7纳米的生产推迟了6个月,苹果正在从Mac电脑中淘汰英特尔芯片。为了帮助调整,英特尔采用了更灵活的设计流程,使其更多地依赖于其他芯片制造商,如其最大的竞争对手台积电(TSMC)。

坚持摩尔定律,但代价是什么?

台积电大约两年前开始推出7纳米产品,为苹果生产iPhone芯片。去年,该公司宣称“摩尔定律是有效的。”但与过去不同的是,摩尔定律现在对希望采用最先进制造工艺的公司施加了新的成本压力。

微软2013年推出的Xbox One,2017年的Xbox One X,以及今年即将推出的Xbox Series X都采用相同大小的芯片,这在过去意味着这些芯片的价格大致相同。微软芯片设计师杰夫・安德鲁斯(Jeff Andrews)说,现在,“最新款的价格要高得多”。

除了成本之外,另一个挑战是新的芯片往往只会加速特定的计算操作。这对人工智能和图形等任务很有用,但对于不得不与以不同方式工作的处理器打交道的软件程序员来说,这让他们的工作变得更加困难。

英特尔正试图通过一种名为oneAPI的新软件层来弥合这种芯片鸿沟。这是一个值得注意的举动:英特尔是一家硬件企业,但它正在开发更多软件,将其作为使其芯片变得有用的关键一步。科杜里说:“越来越多的硬件架构团队需要由软件专家组成。”

构建新的芯片想法

在Hot Chips大会上,处理器制造商还详细介绍了一系列创新。其中最大的是:

英特尔的Tiger Lake使用了一种新的节能技术,称为DVFS,即动态电压和频率调节。对于高优先级任务,芯片的不同部分可以运行得更快,也可以运行得更慢以节省电能。英特尔现在在其多个处理器核心、内存系统和将其连接在一起的通信结构之间权衡优先级。

AMD的竞争对手Ryzen 4000系列芯片,代号Renoir,现已用于个人电脑上,这是第一批拥有8个处理核心的超薄笔记本电脑芯片。架构师索努・阿罗拉(Sonu Arora)表示,AMD最初计划使用六核设计,但意识到精心的设计可以容纳八核,以便在视频和照片编辑等任务中获得更好的性能。在给定的性能水平上,他们使用的功率是前一代芯片的一半。

IBM的Power10处理器拥有180亿个晶体管,并将在明年面世的大型Unix服务器中使用。它可以组合成一个功能强大的服务器,拥有多达240个处理核心。此外,互连服务器的“吊舱”可以共享多达2PB的内存。这对于像数据挖掘和管理库存数据库这样的大规模业务计算挑战非常有用。

初创公司LightMatter发布了其Mars芯片,用于加速图像识别等人工智能任务。它将大约10亿个传统晶体管与数以万计的元件结合在一起,这些元件使用光而不是电来传输数据和执行计算。这项光子技术背后的想法是减少电力消耗。 (腾讯科技审校/金鹿)

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