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10nm、14nm++技术前瞻

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haomingci3 发表于 2017-4-3 16:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
点击数:4427|回复数:20
Intel的10nm预计上市时间为17年底,但最新消息称可能跳票到18年,但无论如何其都将仅先用于移动端,挤牙膏的呼声此起彼伏,但实际上intel为桌面端准备了性能更强的14nm++。更强?震惊?请紧张地往下看。
从上图的对比中可以看到,14nm++在性能提升上比10nm更强,放到实际场景中这个性能差距会被放大,因为在桌面端热密度和总体热量更高,漏电问题更严峻,密度大的工艺(10nm)的性能劣势会进一步放大。什么?14nm比10nm强?没错,纳米工艺并不总是密度大的工艺占优,特别是进入45nm以后,性能、密度、成本不可兼得的情况愈演愈烈。

如上图,第一代intel 14nm虽然说密度接近于台积电、三星的10nm,但性能上并没有与16/14拉开大的差距(图中14疑似指的是ibm的14),这也是为什么intel通常只是反驳台积电三星的密度耍花招,但并不常对比性能,而第二代14+管线增大、鱼鳍增高、密度减小,成品kabylake超频一骑绝尘,而第三代14nm++的线宽增大,其密度与三星的14nm lpe相近,性能进一步增强。三代intel 14nm呈现密度越小,性能越强的趋势



那为何还要进军10nm呢,这是一个复杂的问题,我们可以通过14nm lpe的7420与16nm+的950芯片的功耗测试来获得答案,如下图,
首先先把950所谓的target曲线pass掉,那是ppt上吹的并没实现,看实际曲线,我们可以发现在性能较低的情况下7420里无论是A57还是A53功耗比都具优势,但随着性能增强,950开始渐渐占上风,最终在“分叉口”战胜7420,没错,16nm+并不在所有情况下都比14nm lpe更强,三星自家密度更小的14nmlpp也是一样,这还是在A57 VS A72的情况下。我们再回到开头的第一幅图,你会发现,性能提升量上10比14++少1%,但在功耗下降量上10nm反倒比14++多3%,这就是高密度工艺的作用,为低功耗而生。Intel的第一代10nm工艺实际上也是如此,移动端芯片处于10nm的“分叉口”以下,而桌面端则处于10nm的“分叉口”之上,尤其此时再考虑到10nm的热密度(理论面积砍半)、短沟道效应、栅极缩水等其他副作用,“分叉口”就更为明显。。。。
密度大败北也不是什么新闻,密度大的intel 90nm败北130nm,台积电20nm全方位败北三星20nm,密度大的28nmhpc/hpc+高性能不如28hpm,16ffc也是一样属于16ff+的低功耗成本优化版,所谓的12nm就是原16ffc+,基底是ffc,仅仅是16ff+的低功耗另一变种,你可以将其看作台积电的16nmlpe。



那为何32/28进化到16/14有全方位的提升呢,原因在于finfet的加入,其主要为导通和漏电控制做出了巨大的贡献,与45时加入的hkmg一样是工艺的关键性技术,有关键技术加持的工艺才有可能拥有全方位的提升(发热不是finfet带来的,是密度微缩自己的副作用,finfet也就是3D晶体管技术大幅减缓了密度微缩的副作用),而现阶段的工艺都仅仅是finfet的小改款,主要是在鱼鳍高度上提供技术增强,关键技术上并无实质进化,因此密度变化不过是在功耗、性能、成本之间做出不同妥协的产物,如台积电的12/10nm,三星的10nm都是低功耗指向的工艺,如同7420与950对比中的7420,这也是这类工艺没有高性能芯片厂商跟进的原因,如AMD的下代zen依旧维持在三星/GF14nm基础上优化,如果换用了10nm,3.5ghz都上不了也是有可能发生的。



intel 10nm可能引入了gateall around技术,这个技术简单来说是finfet的环绕改进型,业界有看好和不看好两种声音,因为它并不像hkmg和finfet为全新技术,能否承受进一步翻倍的密度存在疑问,但就原理上说它比现阶段加高鱼鳍带来的提升还是大很多。当然不排除其他新材料新技术的引入,如果10nm并未带来新的栅极技术,那到时候就真的可以喊一句intel挤牙膏了(按intel的步调是隔代带来新技术,45的hkmg,22的finfet)。

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haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-3 16:52 | 显示全部楼层
至于现阶段finfet+hkmg的桌面甜点密度应该位于84pp左右的位置,22nm由于试水ff技术密度比较保守,并没有完全发挥finfet的微缩红利,而14nm和台星的10nm/12nm则是过度发挥(当然对于移动端并不一定)。而为什么三星的14nmlpe在甜点密度上表现很差呢?因为这才是真正体现厂商技术的地方,intel强的地方并不在于它密度有多领先,真正强在于密度增大后性能还比密度小的好,懂半导体的都知道,这一点都不容易。
aibo 发表于 2017-4-3 18:08 | 显示全部楼层
第一个图上的+26%和-52%真是巧啊,和下面那个的25%和-55%基本一致。。。
tomoyo 发表于 2017-4-3 18:23 | 显示全部楼层
精度玩不上去。就开始换个概念玩。。
haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-3 19:18 | 显示全部楼层
开头的14nm对比10nm都是intel自己家的工艺,并非台积电和三星的10nm,而10nm大致会比14nm密度翻倍,即同芯片面积缩小一半
haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-3 19:25 | 显示全部楼层
tomoyo 发表于 2017-4-3 18:23
精度玩不上去。就开始换个概念玩。。

密度上去不是难点,但密度上去后保证性能有提升很难,很多高密度工艺高性能都是倒退的,intel自家的10对比14++都有输有赢
Atom 发表于 2017-4-3 19:33 | 显示全部楼层
先解决漏电,再解决频率
haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-3 22:00 | 显示全部楼层
aibo 发表于 2017-4-3 18:08
第一个图上的+26%和-52%真是巧啊,和下面那个的25%和-55%基本一致。。。

第一代intel 10nm没法在高性能时干掉14++,14++在低功耗场景没法干掉10nm,两个百分比很可能是分叉点两端的不同数据,10nm对比14一代是在分叉点性能之下,即移动端指向,14++对比14一代是在分叉点性能之上(在950对7420时提过),即桌面端指向。如果同在分叉点性能之下14++的劣势会凸显,如果同在分叉性能之上10nm的劣势会凸显,总之10nm一代虽然密度比一代14翻2倍,比三代14++翻了3倍多,但根据不同情况与14++是有输有赢的,10nm二代10++估计才会给桌面用,心急火燎地上10nm是有可能造成桌面端性能倒退的。
atmosphere 发表于 2017-4-3 22:16 | 显示全部楼层
Atom 发表于 2017-4-3 19:33
先解决漏电,再解决频率

+1 漏电率 功耗和频率问题
atmosphere 发表于 2017-4-3 22:16 | 显示全部楼层
haomingci3 发表于 2017-4-3 19:18
开头的14nm对比10nm都是intel自己家的工艺,并非台积电和三星的10nm,而10nm大致会比14nm密度翻倍,即同芯 ...

密度翻倍 发热量会不会更集中?
haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-4 00:13 | 显示全部楼层
atmosphere 发表于 2017-4-3 22:16
密度翻倍 发热量会不会更集中?

要看功耗下降水平,如果功耗下降一半就不会,但没有新技术或新架构的加持很难达到,有也很难达到(PPT只是个归一化参数,根据频率、架构、散热很多因素会有不同变化)。工艺不能同时带来性能提升和功耗下降,只能二选一,竞争过于激烈时厂商都会选择吃掉工艺带来的性能红利,而不是保持性能一样来使用功耗红利,发热量更集中会是很普遍的问题。14++对10nm笼统来说不仅拥有1%的性能优势,还因为它面积大很多,在高频高性能处理器上有更好的散热表现,而10nm无疑更适合进一步soc化。
haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-4 00:55 | 显示全部楼层
细心的人还可以发现最开始的10nm与14++图,10nm对比14nm用的对比点是性能与功耗都是0.7时的数据,而14++对14nm用的则是性能与功耗都是1.0时的点,而10++对14nm用的也是1.0的点,即10nm带来的是低功耗低性能时的提升,而14++与10++带来的是高性能高功耗时的提升。
接下来则是我个人的预计,10nm在1.0点时的性能功耗可能都落后于14++,而14++在0.7点时的性能功耗可能都落后于10nm,无责任猜测10nm并不会在桌面上使用,intel会等到10++成熟后再推向桌面端。

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haomingci3  楼主| 发表于 2017-4-4 12:10 | 显示全部楼层
haomingci3 发表于 2017-4-4 00:55
细心的人还可以发现最开始的10nm与14++图,10nm对比14nm用的对比点是性能与功耗都是0.7时的数据,而14++对1 ...

修正对图二的解读,10nm对一代14nm的功耗下降量为45%,不及14++的52%,不过仍然有高低性能节点的使用疑问。而14++比10nm强是intel自己承认的
飞翔的企鹅 发表于 2017-4-5 14:59 | 显示全部楼层
haomingci3 发表于 2017-4-4 00:55
细心的人还可以发现最开始的10nm与14++图,10nm对比14nm用的对比点是性能与功耗都是0.7时的数据,而14++对1 ...

intel和AMD可以出一本《论做PPT艺术》的书了
risigcd123456 发表于 2017-4-5 15:21 | 显示全部楼层
飞翔的企鹅 发表于 2017-4-5 14:59
intel和AMD可以出一本《论做PPT艺术》的书了

AMD最起码还出了东西,乐视PPT把这两家秒成渣呀
那才叫大饼,他们只是做不出来技术难度没逾越。
乐视PPT你值得拥有
里奥 发表于 2017-4-7 13:41 | 显示全部楼层
我花了半个小时才看懂
gk104_200 发表于 2017-4-8 01:17 | 显示全部楼层
之前在一本日本的科普漫画,专门讲半导体的,说到45nm以下改变基底和finfet才是解决方法,因为晶体管再小就要性能倒退了,那是08年的书,上面还讲了EUV蚀刻这些现在才用在10nm上量产的工艺。大规模集成芯片的工艺的发展方向早就清楚了,也许还能找到介电系数更高也就是更绝缘的材料呢
天外_白日梦 发表于 2017-4-15 12:35 | 显示全部楼层
年底前会出10nm的CPU么
wanghuang95 发表于 2017-4-19 07:47 | 显示全部楼层
还得回头翻翻模电课本才能装作听懂了的样子
zaz 发表于 2017-5-30 20:19 | 显示全部楼层
台积电早就说28nm是硅片甜点。再先进的制程成本变高太快,性能提升困难。三星18NM闪存只存储100多个电子保存数据,读取/存储都困难。硅片的极限快到了。可能是7NM附近。
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