英特爾重演摩爾定律，TT周期回歸助力智能X效應(yīng)

智能化機(jī)遇為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供 X 效應(yīng)。2020 年全球新冠肺炎疫情的突發(fā)，從醫(yī)療救助和生命科學(xué)第一線，智能科技發(fā)揮關(guān)鍵作用，在線診療、影像分析、基因組分析等智能應(yīng)用井噴式爆發(fā)。未來，智能科技、智能應(yīng)用、智能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將成為“剛需”。

2020 年 4 月 9 日，英特爾以“智存高遠(yuǎn)，IN 擎未來”為主題，舉行年度戰(zhàn)略紛享會(huì)。英特爾首次提出“數(shù)據(jù)時(shí)代，智能 X 效應(yīng)”的概念?！癤”代表著智能萬物，智能萬物互連構(gòu)成增值平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨產(chǎn)業(yè)融合，帶來指數(shù)級(jí)的數(shù)據(jù)量爆炸式增長。在數(shù)據(jù)時(shí)代，海量數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，對(duì)于數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸帶來了極大的挑戰(zhàn)。在數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長的同時(shí)，數(shù)據(jù)形態(tài)也日趨多樣化，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨笠苍诳焖僭鲩L，這些都對(duì)數(shù)據(jù)處理能力提出了更高的要求。

今天，ABC（AI、Big Data、Cloud Computing）時(shí)代已經(jīng)來臨，各行各業(yè)都在尋求能夠跨越計(jì)算、連貫性處理、分析、存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的解決方案，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠指導(dǎo)決策的洞察力，以及提升企業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢的競爭力。

為滿足用戶目標(biāo)，建立以數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)架構(gòu)，幫助用戶加快數(shù)據(jù)傳輸速度、實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、實(shí)時(shí)處理一切數(shù)據(jù)尤為重要。通過不斷地突破與創(chuàng)新，英特爾幫助用戶打破高性能計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸、重塑了數(shù)據(jù)中心內(nèi)存和存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，從通用型 CPU 到 GPU，從可編程加速產(chǎn)品 FPGA 到 ASIC 專用芯片，英特爾“以數(shù)據(jù)為中心”的產(chǎn)品組合不斷擴(kuò)展，支持客戶從云、網(wǎng)絡(luò)、邊緣到端的智能部署，奠定云計(jì)算、人工智能、5G 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型和智能邊緣等多領(lǐng)域創(chuàng)新的數(shù)字基石。

從 1968 年以來，英特爾一直致力于構(gòu)建技術(shù)基石，引領(lǐng)計(jì)算的創(chuàng)新發(fā)展。面向數(shù)據(jù)時(shí)代，英特爾正在加速這一旅程。一方面立足當(dāng)前，基于六大支柱持續(xù)推動(dòng)計(jì)算創(chuàng)新演進(jìn)。另一方面著眼未來，長遠(yuǎn)布局神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算、量子計(jì)算等新型計(jì)算研究。

基于“以數(shù)據(jù)為中心”的計(jì)算時(shí)代，需要傳輸數(shù)據(jù)更快、存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)和處理一切數(shù)據(jù)的需求，2018 年 12 月，英特爾提出六大技術(shù)支柱戰(zhàn)略，包括先進(jìn)的制造工藝和封裝、可加速人工智能和圖形等專門任務(wù)的新架構(gòu)、超高速內(nèi)存、超微互連、嵌入式安全功能、以及為開發(fā)者統(tǒng)一和簡化基于英特爾計(jì)算路線圖進(jìn)行編程的通用軟件。六大技術(shù)支柱作為英特爾面對(duì)以數(shù)據(jù)為中心的時(shí)代發(fā)力的方向，是英特爾未來推動(dòng)自身創(chuàng)新的技術(shù)引擎，更是驅(qū)動(dòng)整個(gè)行業(yè)智能創(chuàng)新變革的原動(dòng)力。

首先，我們來看看英特爾的制程技術(shù)進(jìn)展。

2017 年 9 月 19 日，“英特爾精尖制造日”活動(dòng)在中國北京舉行。首次在中國分享英特爾制程工藝路線圖中的多項(xiàng)重要進(jìn)展，展現(xiàn)了英特爾持續(xù)推動(dòng)摩爾定律向前發(fā)展所獲得的豐碩成果。英特爾表示摩爾定律依然有效，將依然遵循摩爾定律，持續(xù)向前推進(jìn)制程工藝，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)晶體管數(shù)量會(huì)增加一倍，并帶來更強(qiáng)的功能和性能、更高的能效，而且晶體管成本下降幅度前所未有。

在工藝制程方面，英特爾一向以滿足最嚴(yán)苛的摩爾定律而聞名，在大幅縮小晶體管體積的同時(shí)，還導(dǎo)入全新材料，希望在產(chǎn)品性能提升方面一舉超前對(duì)手。確實(shí)，英特爾在工藝研發(fā)過程中，一直以世界首創(chuàng)的方式改進(jìn)制造技術(shù)，包括銅互連技術(shù)、High-K 技術(shù)（2007 年）、FinFET 技術(shù)、應(yīng)變硅技術(shù)、鈷材料。

然而在 10 納米工藝制程上，英特爾的先進(jìn)工藝在性能提升方面真的遇到瓶頸了。原計(jì)劃 2016 年推出 10 納米制程，英特爾為了提高芯片性能，在 10 納米工藝開始引入金屬鈷在 MO 和 M1 取代氮化鉭（TaN）做側(cè)壁層，導(dǎo)致工藝研發(fā)一拖再拖，一直到 2019 年 5 月，才正式公布以 10 納米制程生產(chǎn)的代號(hào) Ice Lake 的處理器。

在本次紛享會(huì)上，英特爾再次強(qiáng)調(diào)，摩爾定律依然有效，公司將繼續(xù)推進(jìn)，制程再次回到兩年的更新周期“Tick-Tock”。英特爾表示，10 納米制程良品率大幅度提升，產(chǎn)能也大幅提升。2020 年將推出 5 款 10 納米新產(chǎn)品，分別是 Jasper Lake 桌面和移動(dòng)低功耗處理器、Tiger Lake 酷睿移動(dòng)處理器、ICE Lake 至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器、面向 5G 無線基站的 Snow Ridge SoC 以及基于 Xe 架構(gòu)的獨(dú)立圖形顯卡。

也許是精益求精的結(jié)果，倒導(dǎo)英特爾在商業(yè)化制程推進(jìn)中落后于臺(tái)積電和三星。不過，英特爾在解決了 10 納米制程痛點(diǎn)后，以極快的速度過渡到更先進(jìn)的 7nm 工藝。英特爾表示，7 納米產(chǎn)品將于 2012 年首發(fā)，2020 年提供完整產(chǎn)品組合，性能將實(shí)現(xiàn)每年提升。2017 年北京“英特爾精尖制造日”的精典名句是“老虎不發(fā)聲，當(dāng)我是病貓！”現(xiàn)在看來“病貓”不僅要聲還要發(fā)威。

然后，我們來看看英特爾的封裝技術(shù)進(jìn)展。

多年來，英特爾一直在推動(dòng)異質(zhì)集成封裝。2014 年發(fā)表高密度 2D 芯片封裝技術(shù) EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，嵌入式多核心互聯(lián)橋接），表示該技術(shù)是 2.5D 封裝的低成本替代方案；在 2018 年的 HotChip 大會(huì)上，發(fā)布了采用高密度 2D 芯片封裝技術(shù) EMIB 封裝的芯片；EMIB 能夠把采用不同節(jié)點(diǎn)工藝（10nm、14nm 及 22nm）和不同材質(zhì)（硅、砷化鎵）、不同功能（CPU、GPU、FPGA、RF）的芯片封裝在一起做成單一處理器。

2018 年 12 月，英特爾首次展示了邏輯計(jì)算芯片高密度 3D 堆疊封裝技術(shù) Foveros，采用 3D 芯片堆疊的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP），來實(shí)現(xiàn)邏輯對(duì)邏輯（logic-on-logic）的芯片異質(zhì)整合，通過在水平布置的芯片之上垂直安置更多面積更小、功能更簡單的小芯片來讓方案整體具備更完整的功能。

2019 年 7 月，英特爾推出了 EMIB 和 Foveros 技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新應(yīng)用 Co-EMIB，以及全新的全方位互連（ODI）技術(shù)。在水平互連和垂直互連同時(shí)，實(shí)現(xiàn) Foveros 3D 堆疊之間的水平互連，為芯片封裝帶來絕佳的靈活性。

接下來，我們來看看英特爾的架構(gòu)方面進(jìn)展。

2019 年 11 月英特爾披露全新基于 Xe 架構(gòu)的 GPU，為 HPC 和 AI 工作負(fù)載提供優(yōu)化。Xe 架構(gòu)是一個(gè)非常靈活、擴(kuò)展性極強(qiáng)的統(tǒng)一架構(gòu)，針對(duì)性地劃分成多個(gè)微架構(gòu)，例如 CPU、GPU、FPGA 等，可用于幾乎所有計(jì)算、圖形領(lǐng)域。

CES 2020 上，英特爾首次展示了采用 10 納米工藝基于 Xe 架構(gòu)的獨(dú)立顯卡“DG1”；首個(gè)基于 Xe 架構(gòu)的通用 GPU“Ponte Vecchio”將采用 7 納米工藝，F(xiàn)overos 3D 封裝，針對(duì)高性能計(jì)算和 AI 加速市場的，是英特爾首個(gè)百億億次級(jí) GPU。

英特爾除了在六大戰(zhàn)略技術(shù)創(chuàng)新之外，還將緊密圍繞“數(shù)據(jù)”展開對(duì)未來計(jì)算、未來存儲(chǔ)和未來通信領(lǐng)域進(jìn)行探索。從未來計(jì)算的角度來看，量子計(jì)算、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算將是非常重要的兩種新型計(jì)算方式。從未來存儲(chǔ)的角度來看，讓數(shù)據(jù)盡可能地靠近計(jì)算，是未來數(shù)據(jù)處理最迫切的需求，讓內(nèi)存和計(jì)算資源更緊密地結(jié)合在一起，將讓大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的效率大幅攀升。從未來數(shù)據(jù)通信的的角度來看，硅光子將是一種新的方式。

1、神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算

2017 年四季度，英特爾就率先發(fā)布了首款支持自主學(xué)習(xí)的類腦芯片 Loihi，集成了 128 個(gè)神經(jīng)形態(tài)核心，擁有 13 萬個(gè)神經(jīng)元和 1.3 億個(gè)突觸，每個(gè)神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算內(nèi)核可以模擬多個(gè)“邏輯神經(jīng)元”，片上網(wǎng)絡(luò)連接支持高效的脈沖消息分發(fā)，擁有高度復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌С侄喾N學(xué)習(xí)模式的擴(kuò)展的片上學(xué)習(xí)能力。

基于 Loihi 芯片可以設(shè)計(jì)出更大規(guī)模的系統(tǒng)，從早期的集成 4 塊 Loihi 主板，進(jìn)展到集成 32 塊、64 塊，目前可以集成 768 塊 Loihi 芯片，做成一個(gè)大規(guī)模的神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算系統(tǒng)，執(zhí)行大規(guī)模的深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)擬態(tài)學(xué)習(xí)的應(yīng)用。更神奇的是，與康奈爾大學(xué)合作，利用 Loihi 芯片進(jìn)行讓計(jì)算機(jī)擁有嗅覺的探索。它僅需單一樣本便可學(xué)會(huì)識(shí)別每一種氣味，且不會(huì)破壞它對(duì)先前所學(xué)氣味的記憶。也許未來，存在明顯噪聲和遮蓋的情況下，識(shí)別危險(xiǎn)化學(xué)品的能力大大加強(qiáng)。

2、量子計(jì)算

量子計(jì)算是一種全新的計(jì)算模式，因?yàn)樗牡讓踊A(chǔ)已經(jīng)不是經(jīng)典計(jì)算中使用的確定性的二進(jìn)制比特了，它是利用量子態(tài)的系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，通過量子位的相干，在多個(gè)量子位上可以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模的并行計(jì)算。

2015 年，英特爾與荷蘭 QuTech 開展為期十年的合作計(jì)劃。英特爾在量子計(jì)算方面同時(shí)開展兩個(gè)研究方向，一是超導(dǎo)量子位芯片，二是自旋量子位芯片。

在超導(dǎo)量子位方面，2017 年 10 月成功測試 17 量子位，2018 年 1 月發(fā)布了 49 量子位的測試芯片“Tangle Lake”，2019 年 12 月發(fā)布首款低溫量子控制芯片“Horse Ridge”，可控制多達(dá) 128 個(gè)量子位，堪稱量子實(shí)用性道路上的一個(gè)重要里程碑。

在自旋量子芯片方面，2018 年 6 月成功測試自旋量子位芯片，量子位寬約 50 納米，該芯片可在零下 273 攝氏度的極低溫度下運(yùn)行。自旋量子位芯片不含晶體管，而是包含可以容納一個(gè)單電子的量子位，計(jì)算能力比如今晶體管大得多。?

自旋量子位芯片

英特爾還和產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界合作，于 2019 年 3 月推出了全球第一臺(tái)低溫晶圓探測儀，這也是量子計(jì)算首款測試工具，可以在低溫下測試這樣的芯片的計(jì)算和存儲(chǔ)是否都是可靠的。

不過，英特爾也強(qiáng)調(diào)，量子實(shí)用性還有很長的路要走，只有在成千上萬個(gè)量子位可靠運(yùn)行的情況下，量子計(jì)算機(jī)才能比超級(jí)計(jì)算機(jī)更快地解決實(shí)際問題，可能還需要數(shù)年時(shí)間。

3、近內(nèi)存計(jì)算

近內(nèi)存計(jì)算是讓內(nèi)存和計(jì)算資源更緊密地結(jié)合在一起，避免計(jì)算等待。具體方法就是將數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)層級(jí)向上移動(dòng)，使其更接近計(jì)算部件。這是未來數(shù)據(jù)處理最迫切的需求，特別是 AI 計(jì)算。近內(nèi)存計(jì)算單元，包含乘加器和單獨(dú)的靜態(tài)內(nèi)存，能讓內(nèi)存和計(jì)算資源更緊密地結(jié)合在一起。

4、硅光子

英特爾在硅光子方面的研究已經(jīng)超過 20 年，享有首家“用光點(diǎn)亮硅芯片”公司的美譽(yù)。

2018 年 8 月英特爾公布了其新型 100G CWDM4?QSFP28 硅光收發(fā)器，具有雙速率 40Gbps/100Gbps 通用 CPRI 和 eCPRI，雙工單模光纖下的使用距離可達(dá) 10 公里；2018 年第 4 季度向客戶交付 400 Gbps DR4 硅光子模塊樣品。

2020 年 3 月，英特爾展示了業(yè)界首個(gè)一體封裝光學(xué)以太網(wǎng)交換機(jī)。它成功將 1.6 Tbps 的硅光引擎與 12.8 Tbps 的可編程以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行了集成。硅光通信時(shí)代正在逼近。