PC核心技術(shù)概況

不論是AMD、Intel的CPU還是AMD、NVIDIA的GPU，F(xiàn)inFET工藝都會(huì)帶來(lái)20%以上的性能提升，30-40%的功耗降低，最終的CPU/GPU不僅性能更強(qiáng)，功耗也會(huì)大幅降低。

在過(guò)去的幾年里，盡管PC產(chǎn)業(yè)一直面臨下滑的困境，但技術(shù)進(jìn)步是止不住的，越是在困難的情況下，技術(shù)發(fā)展就越重要，新技術(shù)不僅能為企業(yè)打開(kāi)新的大門，也能給消費(fèi)者帶來(lái)全新的應(yīng)用體驗(yàn)，創(chuàng)造全新的需求，從而推動(dòng)產(chǎn)品升級(jí)換代。作為PC核心技術(shù)的CPU、GPU等領(lǐng)域，會(huì)有哪些值得關(guān)注的技術(shù)進(jìn)步呢？

半導(dǎo)體技術(shù)是整個(gè)PC產(chǎn)業(yè)的根基，半導(dǎo)體工藝沒(méi)進(jìn)步，核心PC產(chǎn)品就無(wú)法繼續(xù)發(fā)展。在過(guò)去的50年中“摩爾定律”成了主導(dǎo)半導(dǎo)體工藝進(jìn)展的金科玉律，Intel不僅是摩爾定律的提出者，也是摩爾定律最堅(jiān)定的捍衛(wèi)者，Intel也靠著摩爾定律成就了一方霸業(yè)。

但是業(yè)界對(duì)摩爾定律的質(zhì)疑也從來(lái)沒(méi)斷過(guò)，特別是最近幾年，很多人都認(rèn)為硅基半導(dǎo)體技術(shù)很快就要面臨極限了，Intel自己的“Tick-Tock”鐘擺戰(zhàn)略在Haswell架構(gòu)之后也失效了，14nm工藝延期了一年多，以致于到了2016年14nm依然會(huì)是主流。

按照目前的形勢(shì)來(lái)看，14/16nm FinFET工藝已經(jīng)成熟，除了Intel之外，TSMC、三星已經(jīng)在去年分別量產(chǎn)了14nm、16nm FinFET工藝，今年開(kāi)始量產(chǎn)第二代高性能工藝了，GlobalFoundries今年也會(huì)量產(chǎn)14nm工藝。下一步是10nm節(jié)點(diǎn)，雖然進(jìn)度比預(yù)期的晚，不過(guò)10nm工藝現(xiàn)在也渡過(guò)研發(fā)階段了，目前正在準(zhǔn)備量產(chǎn)，Intel預(yù)計(jì)是在2017年下半年推出10nm CannonLake處理器，TSMC與三星在10nm工藝上更積極，對(duì)宣稱今年下半年就會(huì)量產(chǎn)10nm工藝。

10nm之后就是7nm節(jié)點(diǎn)了，但它離量產(chǎn)還有段距離，因?yàn)楣に囋较冗M(jìn)，晶體管間距越小，漏電流也愈加嚴(yán)重，導(dǎo)致晶體管功耗過(guò)高。除此之外，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝還要依賴半導(dǎo)體制造裝備的進(jìn)步，原本在10nm工藝就準(zhǔn)備啟用的EUV光刻機(jī)一直不夠成熟，ASML公司為了研發(fā)EUV設(shè)備投入了相當(dāng)多的資源，但EUV光刻機(jī)的產(chǎn)量及光照強(qiáng)度還是上不去，離規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的距離，以致于Intel等公司并不看好7nm節(jié)點(diǎn)啟用EUV的前景，有可能要拖到5nm節(jié)點(diǎn)。硅基半導(dǎo)體受挫，科研人員很早就開(kāi)始尋找新的半導(dǎo)體材料，包括砷化鎵、碳納米管甚至量子阱晶體管。2015年IBM及合作伙伴三星、GlobalFoundries率先展示了7nm工藝芯片，使用的就是硅鍺材料，使用這種材料的晶體管開(kāi)關(guān)速度更快，功耗更低，而且密度更高，可以輕松實(shí)現(xiàn)200億晶體管，晶體管密度比目前的硅基半導(dǎo)體高出一個(gè)量級(jí)。

英特爾公司雖然沒(méi)有展示過(guò)7nm工藝，但他們對(duì)此一直很自信，此前表態(tài)稱即便沒(méi)有EUV工藝，他們也懂得如何制造7nm芯片，但愿這沒(méi)有在吹牛，因?yàn)镮ntel能否即時(shí)推出7nm工藝，關(guān)系著摩爾定律還能否再戰(zhàn)二十年。

半導(dǎo)體工藝發(fā)展雖然很重大，但并不急迫，AMD、Intel新一代處理器至少還有14nm、10nm兩代工藝可用。2016年這兩家都會(huì)推出新一代處理器，其中AMD推的是嘔心瀝血研發(fā)多年的改頭換面之作——Zen處理器，Intel今年則會(huì)有Broadwell-E及Kabylake處理器。

先說(shuō)領(lǐng)跑者Intel，今年的2代新品中，Broadwell-E是針對(duì)LGA2011平臺(tái)的HEPT發(fā)燒級(jí)處理器，Kabylake是針對(duì)主流市場(chǎng)的LGA1151處理器，前者最動(dòng)人的地方在于桌面處理器首次出現(xiàn)10核心設(shè)計(jì)，旗艦型號(hào)Core i7-6950X將是10核20線程，頻率3.0GHz，L3緩存高達(dá)25MB。

至于跟跑者AMD，他們今年上半年會(huì)把第四代模塊化架構(gòu)Excavator核心帶到桌面市場(chǎng)上，推出AM4插槽的Bristol Ridge處理器，下半年的重點(diǎn)則是Zen架構(gòu)處理器，也是AM4插槽，但架構(gòu)、工藝全新升級(jí)，放棄之前由推土機(jī)架構(gòu)引入的模塊多核理念，回歸傳統(tǒng)的SMT多線程。

Zen架構(gòu)曝光率非常高，隔三差五就要在媒體上亮相，雖然我們對(duì)Zen架構(gòu)的細(xì)節(jié)所知甚少，但從AMD及各方流傳出來(lái)的信息來(lái)看，Zen架構(gòu)性能值得期待，官方表示IPC性能提升40%還多，14nm FinFET工藝也會(huì)大幅降低處理器的功耗。

還有一點(diǎn)值得注意，不光Intel在推8核甚至10核處理器，AMD的Zen架構(gòu)多核并行能力也有提高，桌面版首發(fā)時(shí)至少是4核8線程起步，中高端會(huì)是8核16線程，而服務(wù)器/工作站出現(xiàn)16核32線程甚至32核64線程也不要驚訝。

不論是Intel的10核處理器還是AMD的16核處理器，桌面處理器在突破6核、8核之后會(huì)繼續(xù)進(jìn)入10核+時(shí)代，Intel Broadwell-E在前兩代突破8核之后已經(jīng)確定有10核20線程產(chǎn)品，AMD的Zen架構(gòu)更加激進(jìn)，8核16線程不是問(wèn)題，是否會(huì)在桌面市場(chǎng)推出12核甚至16核的旗艦也令人期待。

伴隨著CPU、GPU計(jì)算性能的飛速增長(zhǎng)，PCI-E總線也要有相應(yīng)的準(zhǔn)備，不過(guò)最新一代PCI-E 4.0總線技術(shù)已經(jīng)推遲了，原定于2015年上半年發(fā)布最終規(guī)范，但現(xiàn)在來(lái)看PCI-E 4.0總線可能要拖到2016年甚至2017年了。

新一代總線具備更高的性能，具體來(lái)說(shuō)， 目前在用的PCI-E 3.0總線速率是8GT/s，Link帶寬8Tb/s，每一通道帶寬約為1GB/s，x16通道雙向帶寬32GB/s，而PCI-E 4.0在PCI-E 3.0基礎(chǔ)上保持架構(gòu)不變，速率翻倍到16GT/s，通道帶寬提升到2GB/s，x16雙向帶寬高達(dá)64GB/s。

不過(guò)PCI-E 4.0面臨的問(wèn)題也不少，除了銅介質(zhì)速率繼續(xù)提升的技術(shù)難題之外，PCI-E 4.0最大的尷尬之處在于——桌面顯卡用不到這么高的帶寬，高性能計(jì)算領(lǐng)域PCI-E 4.0帶寬又不給力。前者很好說(shuō)，因?yàn)閺腜CI-E 2.0到PCI-E 3.0時(shí)代，顯卡性能也沒(méi)有因此受益，PCI-E 3.0 x16帶寬已經(jīng)達(dá)到了32GB/s，目前的高端顯卡并不需要這么高的帶寬，而升級(jí)到PCI-E 4.0，64GB/s的帶寬對(duì)桌面顯卡來(lái)說(shuō)也是浪費(fèi)。

如果用到HPC領(lǐng)域，PCI-E 4.0帶寬的64GB/s又有點(diǎn)捉襟見(jiàn)肘了，等不及的廠商早已經(jīng)在暗地里開(kāi)發(fā)新的總線技術(shù)，其中NVIDIA跟IBM聯(lián)合開(kāi)發(fā)了NVLink總線，號(hào)稱帶寬是PCI-E總線的5-12倍，AMD也在開(kāi)發(fā)自家的架構(gòu)互聯(lián)技術(shù)，帶寬超過(guò)100GB/s。

無(wú)論AMD還是NVIDIA，他們開(kāi)發(fā)的新總線技術(shù)帶寬可以輕松超過(guò)100GB/s，這對(duì)服務(wù)器產(chǎn)品很有用，但對(duì)桌面市場(chǎng)有什么意義呢？值得發(fā)燒友關(guān)注的就是多卡互聯(lián)技術(shù)，目前AMD、NVIDIA最多能做到的也就是4卡SLI/CF交火，有了NVLink這樣的技術(shù)，8卡SLI或者CF都是有可能的。

說(shuō)完了CPU處理器，我們也不能忽視GPU處理器。作為當(dāng)前PC中功耗最高的一部分，顯卡對(duì)游戲性能影響至關(guān)重要，但在性能越高=功耗越高這條路上，顯卡也面臨一個(gè)選擇——NVIDIA的Maxwell架構(gòu)證明了顯卡性能增長(zhǎng)的同時(shí)，能耗也可以很低。2016年的GPU不僅要性能，更重要的是效能，我們要看到還是每瓦性能比。

在Maxwell架構(gòu)之后，NVIDIA將推出新一代的Pascal架構(gòu)。根據(jù)官方公布的資料，Pascal顯卡將支持3D Memory顯存，容量、帶寬可達(dá)普通顯存的2-4倍，而顯卡只有標(biāo)準(zhǔn)PCI-E顯卡的1/3大小，如今基于Pascal架構(gòu)的新一代顯示芯片已經(jīng)有兩款高端產(chǎn)品——GeForce GTX 1080、GTX 1070相繼問(wèn)世了。

至于AMD，由于目前的R200、R300系列顯卡大都還在使用GCN架構(gòu)改款，制程工藝還是28nm工藝，能效方面已經(jīng)落后NVIDIA的Maxwell架構(gòu)了，所以2016年AMD也會(huì)在GPU領(lǐng)域有大動(dòng)作——推出了GCN 4.0架構(gòu)Polaris，制程工藝升級(jí)到14/16nm FinFET，同時(shí)會(huì)搭配HBM 2顯存，號(hào)稱每瓦性能比提升一倍。

AMD還實(shí)際演示了Polaris顯卡的能效優(yōu)勢(shì)，之前使用用Polaris架構(gòu)的一款中端顯卡跟NVIDIA的GTX 950做了對(duì)比，同樣是在1920x1080 60fps的性能上，Polaris顯卡的整機(jī)功耗是86W，而GTX 950整機(jī)功耗是140W，可見(jiàn)功耗優(yōu)勢(shì)非常非常大。2016年GPU要想提高性能、降低功耗，除了架構(gòu)改進(jìn)之外，新一代內(nèi)存技術(shù)也功不可沒(méi)，其中AMD在去年的Fury顯卡上首次使用的HBM內(nèi)存就是代表，NVIDIA所說(shuō)的3D顯存其實(shí)也是HBM技術(shù)，不過(guò)是HBM 2代技術(shù)。與HBM競(jìng)爭(zhēng)的則是美光主導(dǎo)的HMC內(nèi)存技術(shù)。對(duì)于HBM技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，HBM就是在GDDR5顯存無(wú)法繼續(xù)大幅提升頻率的情況下?lián)Q了一種思路，通過(guò)提高總線位寬來(lái)提高帶寬，第一代HBM顯存的頻率只有500MHz，等效1GHz，遠(yuǎn)低于目前的GDDR5顯存，但帶寬高達(dá)128GB/s，4顆芯片總計(jì)可以帶來(lái)512GB/s的帶寬，遠(yuǎn)高于主流GDDR5顯存。（圖8）

2016年HBM 2代也來(lái)了，JEDEC已經(jīng)正式批準(zhǔn)了HBM 2顯存規(guī)范，相比第一代HBM，HBM 2可堆棧的層數(shù)更多，單顆容量最高可達(dá)8GB，頻率也翻倍到2Gbps，帶寬從128GB/s提高到256GB/s，這樣一來(lái)布置4組HBM 2顯存就可以實(shí)現(xiàn)32GB容量、1TB/s的帶寬了，次之也有16GB容量，1TB/s帶寬，這正好與NVIDIA之前宣稱的數(shù)據(jù)相符。

HBM內(nèi)存技術(shù)已經(jīng)得到了SK Hynix、三星等廠商的支持，另一個(gè)內(nèi)存技術(shù)大腕美光的選擇不同——顯存市場(chǎng)他們繼續(xù)推改良版的GDDR5X，3D堆棧內(nèi)存上則選擇了HMC（Hybrid Memory Cube），它跟HBM一樣都需要使用TSV工藝連接多層DRAM芯片。

性能方面，HMC閃存相比DDR內(nèi)存依然有足夠多的優(yōu)勢(shì)，普通DDR3-1600內(nèi)存雙通道帶寬不過(guò)12.8GB/s，美光之前宣稱HMC的性能是DDR3內(nèi)存的20倍，單通道帶寬就有128GB/s（跟HBM 1代相同），同時(shí)功耗比DDR3減少70%，占用面積比DDR3減少95%。

HMC陣營(yíng)實(shí)際上也有Intel、三星等其他公司參與，但目前力推HMC的基本上只有美光公司，他們現(xiàn)在推出了2/4GB容量的HMC內(nèi)存，有兩種封裝，896-Ball BGA封裝的帶寬為160GB/s，666-Ball BGA封裝的帶寬是120GB/s。

具體應(yīng)用方面，HMC在Intel的新一代Xeon Phi加速卡上露過(guò)面了，代號(hào)Knights Landing的Xeon Phi加速卡配備了16GB板載緩存，號(hào)稱5倍帶寬、5倍能效于DDR4內(nèi)存，它就是美光提供的HMC內(nèi)存。

不過(guò)總體來(lái)看，HMC相對(duì)HBM來(lái)說(shuō)還有點(diǎn)滯后，HBM在新一代顯卡上站穩(wěn)腳跟沒(méi)問(wèn)題，未來(lái)也會(huì)進(jìn)入服務(wù)器等市場(chǎng)，HMC受到的支持力度不如HBM，不過(guò)3D內(nèi)存技術(shù)現(xiàn)在還是新興事物，現(xiàn)在給HBM、HMC作出最終判決還有點(diǎn)為時(shí)過(guò)早。2016年半導(dǎo)體/處理器技術(shù)的進(jìn)步首先要依賴工藝升級(jí)，雖然10nm及7nm工藝還有點(diǎn)遠(yuǎn)，但2016年我們可以預(yù)期新一代處理器全面升級(jí)14/16nm FinFET工藝，這比去年的28nm、20nm工藝已經(jīng)有很大進(jìn)步了。不論是AMD、Intel的CPU還是AMD、NVIDIA的GPU，F(xiàn)inFET工藝都會(huì)帶來(lái)20%以上的性能提升，30-40%的功耗降低，最終的CPU/GPU不僅性能更強(qiáng)，功耗也會(huì)大幅降低。